CN204212838U - 一种排气颗粒物捕集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种排气颗粒物捕集装置，先后利用旋风式捕集器产生的旋风式流动和壁流式颗粒物滤芯的吸附对颗粒物进行两级去除，提高了颗粒物捕集效率；并且由于在排气进入壁流式颗粒物滤芯前首先利用旋风流动去除体积较大的颗粒物，减轻了成本较高的壁流式颗粒物滤芯的工作强度，延长了再生周期和工作寿命。在再生方式上，本实用新型在排气管处设置了第二进气阀门，可利用排气进行反向倒吹，结构简单，不影响发动机的正常运行，且可以有效降低成本和控制难度。

Description

一种排气颗粒物捕集装置

技术领域

本实用新型属于汽车排放后处理领域，具体涉及一种车用的可利用尾气反吹的旋风流动式两级颗粒物捕集器。

背景技术

发动机排气中的污染物除了气态污染物还包括固态及液态污染物，后两者主要以细小的颗粒物的形式存在，对环境造成了严重的污染。目前世界多个国家对汽车排气中的颗粒物浓度都进行了限定。为了降低颗粒物排放，达到环境标准要求，目前汽车多采用在排气管上增加颗粒物捕集器的方法对排气中的颗粒物进行收集，以降低排气中颗粒物浓度。根据相关文献的介绍(田彤.柴油机排气颗粒物捕集器的发展[J].汽车工程师,2011(8))，目前颗粒物捕集器有以下几个主要特点：第一，为了提高滤芯对细颗粒物的吸附效率，多采用壁流式的气体流动方式；第二，当滤芯中颗粒物过多，堵塞滤芯后，会利用加热、喷油助燃等方式清理这些颗粒物，使滤芯再生。

名称为柴油机组尾气颗粒物处理装置的中国专利(CN 203362270 U)与本专利有明显区别。该专利中装置适用于船用柴油机，其中不含有具有颗粒物捕捉能力的滤芯，而是在滤清器底部采用了活性炭式的吸附装置。因此其基本不具备可再生性，而且对于细颗粒物(＜5μm)基本没有捕集能力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种排气颗粒物捕集装置，可以提高对排气中颗粒物的捕集处理能力，降低处理成本。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

该捕集装置包括旋风式捕集器、第一进气阀门、第二进气阀门、出气阀门、排灰阀门以及壁流式颗粒物滤芯，所述壁流式颗粒物滤芯设置于旋风式捕集器内，壁流式颗粒物滤芯的侧面与旋风式捕集器的内壁之间留有间隙，壁流式颗粒物滤芯的一端与旋风式捕集器的用于收集沉降颗粒物的区段相邻，另一端设置于旋风式捕集器的进气口处，并且所述另一端与旋风式捕集器顶部的排气管入口相连，出气阀门设置于所述排气管的出口处，第一进气阀门与所述进气口相连，第二进气阀门与所述排气管的侧壁相连，排灰阀门设置于所述用于收集沉降颗粒物的区段的底部开口处。

所述第一进气阀门、第二进气阀门、出气阀门以及排灰阀门采用电磁阀。

所述捕集装置还包括积尘位置传感器，积尘位置传感器设置于所述用于收集沉降颗粒物的区段内。

所述积尘位置传感器包括设置于所述用于收集沉降颗粒物的区段内的绝缘支架以及设置于所述绝缘支架上的两个金属极板，两个金属极板相对设置且留有间隙，两个金属极板与电容/电压转换电路相连。

所述绝缘支架为筒状结构，筒状结构的一端开口与所述壁流式颗粒物滤芯的一端相对，筒状结构的另一端开口与所述底部开口相对，两个金属极板设置于筒状结构内壁的上端边沿处。

所述捕集装置还包括气体压力传感器，气体压力传感器设置于所述间隙内。

本实用新型的有益效果体现在：

本实用新型所述排气颗粒物捕集装置，先后利用旋风式流动(旋风式捕集器)和壁流式吸附手段(壁流式颗粒物滤芯)对颗粒物进行两级去除，提高了颗粒物捕集效率；并且由于在排气进入壁流式颗粒物滤芯前首先利用旋风流动去除体积较大的颗粒物，减轻了成本较高的壁流式颗粒物滤芯的工作强度，延长了再生周期和工作寿命。在再生方式上，本实用新型在排气管处设置了第二进气阀门，可利用排气进行反向倒吹，结构简单，不影响排气生成装置(例如发动机)的正常运行，且可以有效降低成本和控制难度。

进一步的，本实用新型可以根据捕集器内的气压及粉尘堆积量判断是否需要进行再生，提高了控制的自动化程度。

附图说明

图1为实施例所述汽车排气颗粒物捕集装置的结构示意图；

图2为实施例所述汽车排气颗粒物捕集装置的捕集颗粒物工作状态示意图；

图3为实施例所述汽车排气颗粒物捕集装置的再生工作状态示意图；

图4为所述积尘位置传感器的结构示意图；

图5为所述积尘位置传感器的工作原理示意图；

图中：1、发动机排气口，2、倒吹阀门，3、出气口，4、出气阀门，5、壁流式细颗粒物滤芯，6、气体压力传感器，7、捕集器壳体，8、积尘位置传感器，9、清理阀门，10、进气阀门，11、大颗粒物沉降，12、金属片，13、绝缘支架，14、堆积的颗粒物。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

参见图1，本实用新型所述排气颗粒物捕集装置包括旋风式捕集器、第一进气阀门(即进气阀门10)、第二进气阀门(即倒吹阀门2)、出气阀门4、排灰阀门(即清理阀门9)以及壁流式颗粒物滤芯，所述壁流式颗粒物滤芯设置于旋风式捕集器内，壁流式颗粒物滤芯的侧面与旋风式捕集器的内壁之间留有间隙，壁流式颗粒物滤芯的一端与旋风式捕集器的用于收集沉降颗粒物的区段相邻，另一端设置于旋风式捕集器的进气口处，并且所述另一端与旋风式捕集器顶部的排气管入口相连，出气阀门4设置于所述排气管的出口(即出气口3)处，第一进气阀门与所述进气口相连，第二进气阀门与所述排气管的侧壁相连(即第二进气阀门位于排气管的入口与出口之间)，排灰阀门设置于所述用于收集沉降颗粒物的区段的底部开口处。

所述第一进气阀门、第二进气阀门、出气阀门4以及排灰阀门采用电磁阀，以便控制。

所述捕集装置还包括积尘位置传感器8，积尘位置传感器8设置于所述用于收集沉降颗粒物的区段内。所述积尘位置传感器8包括设置于所述用于收集沉降颗粒物的区段内的绝缘支架13以及设置于所述绝缘支架上的两个金属极板(即金属片12)，两个金属极板相对设置且留有间隙，两个金属极板与电容/电压转换电路相连。所述绝缘支架13为筒状结构，筒状结构的一端开口与所述壁流式颗粒物滤芯的一端相对，筒状结构的另一端开口与所述底部开口相对，两个金属极板设置于筒状结构内壁的上端边沿处。

所述捕集装置还包括气体压力传感器6(用于检测旋风式捕集器内的气压)，气体压力传感器设置于所述间隙(壁流式颗粒物滤芯与旋风式捕集器之间)内。

参见图2以及图3，上述排气颗粒物捕集装置的控制方法，包括以下步骤：

1)将第一、第二进气阀门分别与排气口连接，然后选择进入捕集颗粒物工作状态；

2)在捕集颗粒物工作状态下，出气阀门4以及第一进气阀门打开，第二进气阀门以及排灰阀门关闭，排气经第一进气阀门进入旋风式捕集器并沿所述间隙形成向下的旋转气流，使排气中较大的颗粒物沉降至排灰阀门上方，接着，排气由壁流式颗粒物滤芯的底部进入壁流式颗粒物滤芯，排气中的较小的颗粒物由壁流式颗粒物滤芯过滤，过滤后的排气由出气阀门4排出旋风式捕集器；

3)在捕集颗粒物工作状态下，若旋风式捕集器内的气压大于设定的气压阈值，或所述用于收集沉降颗粒物的区段内颗粒物的沉降高度大于设定的高度阈值，则选择进入再生工作状态；

4)在再生工作状态下，出气阀门4以及第一进气阀门关闭，第二进气阀门以及排灰阀门打开，排气经第二进气阀门由壁流式颗粒物滤芯的顶部进入壁流式颗粒物滤芯并吹扫堆积在壁流式颗粒物滤芯内的颗粒物，吹扫出壁流式颗粒物滤芯的颗粒物以及沉降在排灰阀门上方的颗粒物经排灰阀门排出旋风式捕集器；

5)在再生工作状态的持续时间阈值范围内，若旋风式捕集器内的气压小于等于所述的气压阈值且所述颗粒物的沉降高度小于等于所述的高度阈值，则由再生工作状态切换至捕集颗粒物工作状态，否则，继续保持在再生工作状态下；当再生工作状态的持续时间超过所述持续时间阈值时，则输出报警信号。

实施例

一种汽车排气颗粒物捕集装置，对发动机排气中颗粒物采用旋风式流动及壁流式吸附两级处理，根据捕集器内的气压及粉尘堆积量判断是否需要进行再生，再生方式为反向引入发动机排气吹扫。主要部件包括大颗粒物旋风式捕集器、壁流式细颗粒物滤芯5、排气倒吹系统及再生阈值判断传感器，所述再生阈值判断传感器包括安装在捕集器内的气体压力传感器6及捕集器底端的积尘位置传感器8；排气倒吹系统中所涉及的倒吹阀门2、出气阀门4、清理阀门9及进气阀门10均为电磁阀，以便实现自动控制。

旋风式捕集器上部为圆桶状，下部为圆锥形(锥形漏斗)，以便较大的颗粒物沉积后能集中于积尘位置传感器附近，以便其准确判断积尘量；而且集中堆积颗粒物，也方便清理。由于采用了积尘位置传感器判断旋风式捕集器收集的较大的颗粒物，为保证颗粒物能在重力势能下集聚于捕集器下端，因此本装置安装方向采用纵向安装方式，且保证出气阀门4位于上端，清理阀门9位于下端。针对积尘的特点，该装置中积尘位置传感器采用电容传感器。该装置进气阀门10所在的管道需与捕集器壳体7成切向布置，这样才能保证排气进入捕集器后呈旋风式流动。

汽车排气(即尾气)从切向进入颗粒物捕集装置后，首先会形成旋转气流，其中质量较大的颗粒物会由于离心力作用甩到壁面上，与壁面碰撞后，受重力影响沉降至捕集器底部锥形漏斗处，并沉积至此，这是对颗粒物的第一级旋风处理。随后其他较小的颗粒物可以随着气流继续上行，经过壁流式细颗粒物滤芯5的过滤作用，再次捕集一定量的颗粒物。当壁流式细颗粒物滤芯中颗粒物过多影响排气通畅或旋风式捕集器下端积尘过多时，该装置会将排气经倒吹阀门2反向引入，利用排气动能清理滤芯和捕集器内的积尘。

参见图1，本实施例给出的汽车排气颗粒物捕集装置，包括倒吹阀门2，出气阀门4，壁流式细颗粒物滤芯5，气体压力传感器6，捕集器壳体7，积尘位置传感器8，清理阀门9，进气阀门10等。其中倒吹阀门2和进气阀门10并联在发动机排气管上；气体压力传感器6安装在捕集器壳体7上，积尘位置传感器8位于清理阀门9的上部；壁流式细颗粒物滤芯5安装在捕集器壳体7内部偏上处，并且与捕集器壳体底端保持一定距离。

参见图2及图3，本实用新型有两种工作状态，即捕集颗粒物工作状态及再生工作状态。在捕集颗粒物工作状态下，尾气气流从发动机排气口1中排出后，经过进气阀门10进入捕集器内，并形成旋转气流，并且会使较大的颗粒物沉积至清理阀门9的上部，此为一级过滤。随后气流会从壁流式细颗粒物滤芯5的底部进入，经过二级过滤细颗粒物后，过滤后的气流经过出气阀门4从捕集器排出。在再生工作状态下，尾气气流从发动机排气口1中排出后，经过倒吹阀门2，从壁流式细颗粒物滤芯5的上端进入，吹走其中堆积的颗粒物，最后经清理阀门9排出捕集器，所扫除的积尘等会冲击到一个容器内，最后统一进行处理。

为了防止捕集器内积尘过多对颗粒物捕集造成影响，本实用新型在捕集器底端安装一个积尘位置传感器8，以判断积尘量；当积尘达到一定高度时，传感器信号会指示汽车ECU进入再生工作状态(即进行反吹清理)。由于积尘是极细小的粉末，对其堆积量判断不能采用浮子式位置传感器；若采用光电式位置传感器，排气中炭烟会对其光学器件造成污染，导致传感器失效；另外由于其下部紧挨清理阀门，也无法设计应变元件对其称重。因此本实用新型针对积尘的特性，设计了一个电容式积尘位置传感器，其基本构造如图4所示。其基本原理是根据电容器内的介质不同，会引起电容器电容大小发生变化的原理设计的。由物理学可知，电容器的电容量是构成电容器的两极的形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。电容器的电容量为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵS}}{\mathrm{\δ}}$

式中C为电容，ε为两极间介质的介电常数；S为两极相对有效面积；δ为两极的间隙。现在只要保证S和δ的值不变，仅仅改变ε的值，就可以把该参数的变化变为单一的电容量的变化，再通过测量转换电路，将其转换成电压信号供控制器处理，参见图5。

如图4所示，积尘位置传感器内有两片月牙形的金属片12，贴附在圆筒形的绝缘支架内部，并且要求两金属片之间留有一定间隙，这两片金属片即传感器的两极，两极间的电容量信号即传感器的输出信号。为了保证判断准确，传感器的两极被设计成较窄的形状，并贴附在绝缘支架的上端。这样可以保证积尘一旦高度达到两极的位置，传感器构成的电容器内的介质就会由尾气突变为积尘，其输出的电容量就会出现较明显变化，以便提高判断精度。另外根据大量实验数据显示，汽车尾气成分绝大部分为CO₂、H₂O及N₂，而颗粒物的组成成分也较为稳定，为大量的干炭烟、硫酸盐及可溶性有机物，因此两者的介电常数差异是较为稳定的，其构成的电容器的电容值会有明显差异，因此这种判断方法是可行的。

本实用新型的控制流程如下：气体压力传感器6及积尘位置传感器8会实时监控捕集器内气压及积尘量；若气压和积尘量在正常范围内时，进气阀门10及出气阀门4打开，倒吹阀门2及清理阀门9关闭，捕集器会正常捕集颗粒物。若捕集器内气压或积尘量超出阈值，则倒吹阀门2及清理阀门9打开，进气阀门10及出气阀门4关闭，捕集器会将发动机排气反方向引入，对装置内部进行清理，实现本装置的再生；倒吹过程中，气体压力传感器6及积尘位置传感器8会一直监控捕集器内气压及积尘量，只有当气压及积尘量回归正常后，才会打开进气阀门10及出气阀门4，关闭倒吹阀门2及清理阀门9，进行颗粒物的捕集，否则会持续倒吹再生工作；此阶段持续一定时间后，如果气压及积尘量依然超出阈值，则输出报警信号，表明可能反吹系统或传感器出现故障，需要进一步维护修理。

上述汽车排气颗粒物捕集装置与现有技术相比：

1、本实用新型利用旋风式流动及壁流式吸附对颗粒物进行两级去除，提高了颗粒物捕集效率；

2、大量试验数据表明，汽车排出的颗粒物中，粒径5μm以上的颗粒物虽然数量浓度较低，但其质量浓度非常高；本装置将尾气进行旋风状流动，能去除粒径5μm以上的大颗粒物，可以有效降低壁流式细颗粒物滤芯的工作强度，延长滤芯的使用寿命，降低使用成本；

3、采用发动机排气倒吹的策略再生颗粒物捕集装置，不影响发动机正常运行，且结构简单，成本低廉；

4、根据捕集器内气压判断是否需要进行倒吹再生，可以防止捕集器堵塞造成的排气背压过高，影响发动机的正常运转；根据捕集器内积尘量判断是否需要进行清理，提高了捕集器的捕集效率。

Claims (6)

1.一种排气颗粒物捕集装置，其特征在于：该捕集装置包括旋风式捕集器、第一进气阀门、第二进气阀门、出气阀门(4)、排灰阀门以及壁流式颗粒物滤芯，所述壁流式颗粒物滤芯设置于旋风式捕集器内，壁流式颗粒物滤芯的侧面与旋风式捕集器的内壁之间留有间隙，壁流式颗粒物滤芯的一端与旋风式捕集器的用于收集沉降颗粒物的区段相邻，另一端设置于旋风式捕集器的进气口处，并且所述另一端与旋风式捕集器顶部的排气管入口相连，出气阀门(4)设置于所述排气管的出口处，第一进气阀门与所述进气口相连，第二进气阀门与所述排气管的侧壁相连，排灰阀门设置于所述用于收集沉降颗粒物的区段的底部开口处。

2.根据权利要求1所述一种排气颗粒物捕集装置，其特征在于：所述第一进气阀门、第二进气阀门、出气阀门(4)以及排灰阀门采用电磁阀。

3.根据权利要求1所述一种排气颗粒物捕集装置，其特征在于：所述捕集装置还包括积尘位置传感器(8)，积尘位置传感器设置于所述用于收集沉降颗粒物的区段内。

4.根据权利要求3所述一种排气颗粒物捕集装置，其特征在于：所述积尘位置传感器(8)包括设置于所述用于收集沉降颗粒物的区段内的绝缘支架(13)以及设置于所述绝缘支架上的两个金属极板，两个金属极板相对设置且留有间隙，两个金属极板与电容/电压转换电路相连。

5.根据权利要求4所述一种排气颗粒物捕集装置，其特征在于：所述绝缘支架(13)为筒状结构，筒状结构的一端开口与所述壁流式颗粒物滤芯的一端相对，筒状结构的另一端开口与所述底部开口相对，两个金属极板设置于筒状结构内壁的上端边沿处。

6.根据权利要求1所述一种排气颗粒物捕集装置，其特征在于：所述捕集装置还包括气体压力传感器(6)，气体压力传感器设置于所述间隙内。