CN215109093U - 柴油发动机排气后处理催化型颗粒过滤器聚热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种柴油发动机排气后处理的催化型颗粒过滤器聚热装置，用以解决现有技术中柴油发动机排气后处理系统颗粒过滤器颗粒物沉积堵塞、过滤性能降低和主动再生频率过高的问题。所述聚热装置包括外筒、分气堵、中心空管、螺旋板、内定位板、导向板及外定位板；分气堵封住中心空管的一端；中心空管与外筒同轴心，且直径大于螺旋板叶片宽度的一半且小于螺旋板叶片宽度；螺旋板垂直于中心空管的外壁呈螺旋状分布，螺旋状通过内外定位板固定；还可以包括加热组件，对螺旋过气腔中的通过的气流进行加热。本实用新型提高了颗粒过滤器被动再生机率，减少了主动再生次数，减少了形成颗粒物堵塞的时间，节约了燃油，延长了颗粒过滤器的保养周期。

Description

柴油发动机排气后处理催化型颗粒过滤器聚热装置

技术领域

本实用新型属于柴油发动机排气后处理领域，具体涉及一种柴油发动机排气后处理催化型颗粒过滤器聚热装置。

背景技术

随着人们环保意识的提高，人们越来越关注燃油发动机排气排放对环境的污染。柴油发动机排气污染物主要包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO_X)和颗粒物(PM)等，颗粒物PM主要成分碳颗粒，这些物质都会对环境造成不同程度的污染，且是大气污染物的主要来源。因此，在排气排放前需要进行处理，以满足排放标准，降低对环境的污染。其中，颗粒物PM、PN排放限值的控制，是由排气后处理系统中颗粒过滤器(DPF)来完成，当颗粒过滤器(DPF)载体的表面涂覆有催化剂,称为催化型颗粒过滤器(CDPF)。

图1是现有技术中柴油发动机的排气后处理系统结构示意图。如图1所示，所述排气后处理系统，包括前后相连接的氧化型催化转化器(DOC)和颗粒过滤器(DPF)或催化型颗粒过滤器(CDPF)。发动机产生的尾气从进气口进入氧化型催化转化器(DOC)，氧化型催化转化器(DOC)处理排气中的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC),生成二氧化碳(CO₂)和水(H₂0),同时将一氧化氮(NO)氧化成二氧化氮(NO₂)；催化型颗粒过滤器(CDPF)捕捉颗粒物碳(C)，颗粒物碳(C)和二氧化氮(NO₂)生成一氧化氮(NO)和无害的二氧化碳(CO₂),实现颗粒捕集器的再生功能，DPF上的活性贵金属涂层将再生反应中生成的一氧化氮(NO)继续氧化成二氧化氮(NO₂),新生成的二氧化氮(NO₂)又与颗粒物碳(C)反应，生成一氧化氮(NO)和无害的二氧化碳(CO₂)。如此循环换反复，可实现连续被动再生。

通常碳和氧气反应需要在570℃以上，超出了排气排放温度的正常温度正常范围；CDPF与DOC联用时，可有效降低PM起燃温度至200～300℃。碳与二氧化氮在200～300℃左右时，催化氧化反应生成二氧化碳和一氧化氮，再将一氧化氮氧化成二氧化氮，实现循环反应。

但是，当柴油发动机在低负荷运转时，排气温度低于200℃，很长时间内达不到催化型颗粒过滤器(CDPF)中颗粒物碳与二氧化氮催化氧化反应温度，这时产生的碳颗粒就会聚集在CDPF载体过滤孔中，积累到一定程度，就会使CDPF载体通道不畅，使排气背压增高，造成发动机不能正常工作。

现有技术中，一般在发现排气不畅或颗粒沉积到一定程度时，采取主动再生方式提高CDPF内的温度，当CDPF的温度达到570℃时，沉积颗粒物发生氧化燃烧，去除沉积的颗粒物。主动再生指利用外加能量(如：电加热器、燃烧器或发动机操作条件的改变以提高排气温度)使CDPF内部温度达到PM的氧化燃烧温度而进行的再生。被动再生指利用柴油机排气本身所具有的能量进行的再生。主动再生方式是在颗粒沉积影响捕集器功能时才进行操作，对发动机功率造成了一定负面影响，技术实现是滞后的，影响发动机的工作效率，同时浪费了附加能源。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本实用新型旨在提供一种柴油发动机排气后处理催化型颗粒过滤器聚热装置，通过在DOC后增加聚热装置，将排气中的热能聚集过来，使低负荷下的捕集器中再生反应仍能持续发生，保证尾气达标，降低对环境的污染，同时避免碳颗粒在CDPF内的沉积，提高CDPF寿命。

为了实现上述目的，本实用新型实施例采用如下技术方案：

本实用新型实施例提供了一种柴油发动机排气后处理催化型颗粒过滤器CDPF聚热装置，所述聚热装置包括：外筒31、分气堵32、中心空管33、螺旋板34、内定位板35、导向板36及外定位板37；其中，分气堵32、中心空管33、螺旋板34、内定位板35、导向板36及外定位板37均设置于外筒31内；

所述分气堵32为圆锥形，圆锥顶点朝向进气侧，圆锥底部最大直径与所述中心空管的直径相同，且落于所述中心空管33的一端，使中心空管33不与进气侧连通；

所述中心空管33与外筒31同轴心，且中心空管33的直径大于螺旋板34叶片宽度的一半且小于螺旋板34叶片宽度；

所述螺旋板34垂直于中心空管33的外壁呈螺旋状分布，所述螺旋形成至少一个周期；不同周期间、同相位处靠近中心空管33的一侧，通过内定位板35间隔，远离中心空管33的另一侧通过外定位板37间隔；

所述内定位板35贴附于中心空管33的外壁上，外定位板37贴附于外筒31的内壁上。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述螺旋板34设置为三块，三块螺旋板34间相位相差120度，均匀分布于中心空管33的外圆周上；通过三块螺旋板，形成三个进气口，整个外筒内部空间被分布在中心空管33上的螺旋板分为三个独立、螺旋状的过气腔。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述聚热装置还包括：导流板，所述导向板36设置在螺旋板34螺旋周期间的外筒31内壁上，且朝向中心空管33。

作为本实用新型的一个优选实施例，所述聚热装置还包括：电加热组件；所述电加热组件包括加热管42、接线盒41、温度传感器44和控制器43；

螺旋板34尾端后侧的外筒壁上，开设有接线盒槽；

所述接线盒41固定于所述接线盒槽内；

所述加热管42为带有缺口的圆环形，圆环平行于中心空管33截面且中心正对中心空管33中心，圆环正对螺旋板34的出风口，缺口部分连接接线盒41内的接线端子；

所述控制器43同时与接线盒41与传感器44相连，同时连接有外接电源，用于根据传感器测量数据控制加热管电流；

所述温度传感器44设置于外筒31底部的内壁上，用于测量CDPF前端的过气温度。

本实用新型实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：

通过在DOC后增加聚热装置，提高CDPF中的颗粒物碳C和二氧化氮NO₂反应环境的温度，使发动机低负荷下的催化型颗粒过滤器CDPF中被动再生仍能持续发生，提高了颗粒过滤器被动再生机率，减少了主动再生次数，降低了颗粒物堵塞程度，节约了燃油，提高了颗粒过滤器的过滤性能，延长了催化型颗粒过滤器CDPF的保养周期，提高了有效作业效率，保证排气达标，降低了对环境的污染。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来说，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是现有技术中柴油发动机排气后处理系统结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中提供的用于柴油发动机排气处理的催化型颗粒过滤器聚热装置结构示意图；

图3是图2所示聚热装置立体示意图；

图4是图2所示聚热装置在排气处理系统中的总成结构示意图；

图5是本实用新型另一实施例中提供的用于柴油发动机排气处理的催化型颗粒过滤器聚热装置结构示意图；

图6是图5所示聚热装置立体示意图；

图7是图5所示聚热装置在排气处理系统中的总成结构示意图。

附图标记说明：

1-DOC；2-CDPF；3-聚热装置；31-外筒；32-分气堵；33-中心空管；34-螺旋板；35-内定位板；36-导流板；37-外定位板；4-电加热组件；41-接线盒；42-加热管；43-控制器；44-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

催化型颗粒过滤器(CDPF)工作状态下，收集柴油发动机工作时产生的碳烟，即PM2.5微颗粒；同时在CDPF中在适宜的温度和催化剂条件下进行反应燃烧，以控制向大气中排放碳烟。燃烧反应需要一定的温度，碳颗粒与二氧化氮催化反应燃烧的温度在260℃-350℃之间效果最好，可使颗粒捕集器实现连续再生。但是柴油发动机在低功率低负荷时，产生的温度(余热)传输到CDPF中较低，达不到颗粒碳烟燃烧的条件，这样就会使微颗粒堆积在载体过滤通道周围，时间长了如这些颗粒得不到反应燃烧就会造成通道堵塞。为防止堵塞就需要采取再生，再生时需能源消耗且影响工作效率，为了减少能源消耗和减少再生，本实用新型通过聚热结构设计，把余热吸收到CDPF中来，在不增加能源消耗的情况下，提高CDPF中颗粒物碳与二氧化氮催化氧化反应温度。本实用新型利用结构设计改变气流的方向，使气流形成漩涡状态且形成向心力，由气流漩涡向心力的原理达到吸收热能的目的，气流形成漩涡向心力使热量向载体部分集中，减少向周围DPF筒壁上辐射(因气流向CDPF筒壁上流动，筒壁会消耗一定的热量)，提高热能的有效利用率，从而提高CDPF载体上的温度，以缩短达到临界反应温度的时间，尽量提早达到反应条件。

如图2和图3所示，本实用新型实施例提供的一种用于柴油发动机排气后处理的CDPF聚热装置，包括：外筒31、分气堵32、中心空管33、螺旋板34、内定位板35及外定位板37。其中，分气堵32、中心空管33、螺旋板34、内定位板35及外定位板37均设置于外筒31内；分气堵32为圆锥形，圆锥顶点朝向进气侧，圆锥底部最大直径与所述中心空管33的直径相同，且落于所述中心空管33的一端，使中心空管33不与进气侧连通；所述中心空管33与外筒31同轴心，且中心空管33的直径大于螺旋板34叶片宽度的一半且小于螺旋板34叶片宽度；螺旋板34垂直于中心空管33的外壁呈螺旋状分布，所述螺旋形成至少一个周期；螺旋板34的不同螺旋板34间、同相位处靠近中心空管33的一侧，通过内定位板35间隔，远离中心空管33的另一侧通过外定位板37间隔，所述内定位板35贴附于中心空管的外壁上，外定位板37贴附于外筒的内壁上。

所述螺旋板32包括三块螺旋板，三块螺旋板间相位相差120度，均匀分布于中心空管33的外圆周上。通过三块螺旋板，形成三个进气口，整个外筒31内部空间被分布在中心空管33上的螺旋板分为三个独立、螺旋状的过气腔。

所述聚热装置还可以包括导向板36，所述导向板36设置在螺旋板34螺旋周期间的外筒31内壁上，且朝向中心空管33。通过导向板36对气流的阻挡作用，使通过的气流在中心轴方向形成低压效应，形成螺旋风。螺旋风趋于中心轴方向，向内聚集，减少通过的气体与外筒间的热传导作用所引起的热量损失。

如图4所示，本实施例的所述聚热装置设置于柴油发动机排气后处理系统的DOC和CDPF之间，进气端对应DOC端。当柴油机的排气排放时，首先进入DOC。经过DOC的催化反应，排气还具有相当的热量。此时，经过DOC处理的尾气进入聚热装置中。排气经过聚热装置的螺旋板后，形成向内聚集的螺旋风，进入CDPF。聚集起来的热能气流进入CDPF中，对CDPF进行集中加热，使得CDPF的温度能够满足被动再生反应的需要，避免碳颗粒的沉积。

在本实用新型的另一个实施例中，所述聚热装置还包括：电加热组件4。

如图5和图6所示，所述电加热组件4包括加热管42、接线盒41、温度传感器44和控制器43。螺旋板34尾端后侧的外筒31壁上，开设接线盒槽，将所述接线盒41固定于所述接线盒槽内；加热管42为带有缺口的圆环形，圆环平行于中心空管截面且中心正对中心空管33中心，圆环正对螺旋板34的出风口，缺口部分连接接线盒41正负级；所述控制器43同时与接线盒41与传感器44相连，用于根据传感器44测量数据控制加热管电流；所述温度传感器44设置于外筒31底部的内壁上，用于测量CDPF前端的过气温度。

当聚热装置使用电加热组件时，温度传感器实时监测CDPF前端的过气温度；当过气温度小于CDPF内反应温度时，控制器连接加热管电源，通过加热管对螺旋板出风口的螺旋风进行加热，直至CDPF前端的过气温度达到CDPF内的反应温度。达到预定温度后，控制器通过控制加热管电流，使CDPF前端的过气温度保持在预定温度范围内，持续满足CDPF内的反应需求。

如图7所示，当使用带有电加热组件的聚热装置时，所述聚热装置设置于柴油发动机排气后处理系统的DOC和CDPF之间，进气端对应DOC端，外筒底部的温度传感器对应CDPF端。当柴油机的排气排放时，首先进入DOC。经过DOC的催化反应，排气还具有相当的热量。此时，经过DOC处理的尾气进入聚热装置中。排气经过聚热装置的螺旋板后，形成向内聚集的螺旋风，进入CDPF。聚集起来的热能气流进入CDPF中，对CDPF进行集中加热。当环境温度较低，使得聚集起来的螺旋风不足以达到被动再生反应温度时，通过温度传感器实时监测CDPF前端的过气温度；当过气温度过低，无法达到CDPF内的被动再生反应需要时，控制器接通电源，通过加热管对螺旋板出风口处出来的螺旋风进行主动加热，螺旋风加热后进入CDPF，此时CDPF前端的过气温度达到CDPF内的反应需求。电加热组件作为螺旋风的热能补充，充分保证了任何环境下都可以避免CDPF内的碳颗粒沉积。

基于上述用于柴油发动机排气后处理的CDPF聚热装置，实现了一种柴油发动机排气后处理的CDPF聚热方法，所述方法通过氧化催化转化器DOC处理后的排气，从进气侧进入聚热装置，被分气堵阻挡后，进入三块均匀分流的螺旋板隔出的过气腔中，气流经分气堵和中心空管的阻挡后，在中心空管后面中心区域形成低压区，气流经螺旋板、导流板导向，从螺旋板的出风口出来后，在低压效应作用下，形成三路向中心轴向聚集的螺旋风气流，通过螺旋风气流的向心力把气流中的热能向颗粒过滤器中心均布聚集，为催化型颗粒过滤器颗粒物催化氧化反应聚集了热能。

同时，气流中的颗粒物在三路螺旋风的作用下，从颗粒过滤器中部均布穿入，提高了颗粒过滤器的过滤性能。

由以上技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的用于柴油发动机排气后处理的CDPF聚热方法及装置，通过聚热结构把外筒内部分成三个独立、螺旋状的过气腔，由中心空管对气流的阻挡作用，使通过的气流在中心轴方向形成低压效应，螺旋风趋于中心轴方向，即减少了通过的气体与外筒热传导的能量损耗，又实现了对CDPF的集中加热，实现对CDPF中心的集中加热，使CDPF内燃烧反应形成由点到面的低温燃烧反应链。提高了颗粒过滤器被动再生机率，减少了主动再生次数，降低了颗粒物堵塞程度，节约了燃油，提高了颗粒过滤器的过滤性能，延长了CDPF的保养周期，提高了有效作业效率。

以上描述仅为本实用新型的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本实用新型中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本实用新型中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (4)

1.一种柴油发动机排气后处理催化型颗粒过滤器聚热装置，其特征在于，所述聚热装置包括：外筒(31)、分气堵(32)、中心空管(33)、螺旋板(34)、内定位板(35)、导流板(36)及外定位板(37)；其中，分气堵(32)、中心空管(33)、螺旋板(34)、内定位板(35)、导流板(36)及外定位板(37)均设置于外筒(31)内；

所述分气堵(32)为圆锥形，圆锥顶点朝向进气侧，圆锥底部最大直径与所述中心空管的直径相同，且落于所述中心空管(33)的一端，使中心空管(33)不与进气侧连通；

所述中心空管(33)与外筒(31)同轴心，且中心空管(33)的直径大于螺旋板(34)叶片宽度的一半且小于螺旋板(34)叶片宽度；

所述螺旋板(34)垂直于中心空管(33)的外壁呈螺旋状分布，所述螺旋形成至少一个周期；不同螺旋板(34)间、同相位处靠近中心空管(33)的一侧，通过内定位板(35)间隔，远离中心空管(33)的另一侧通过外定位板(37)间隔；

所述内定位板(35)贴附于中心空管(33)的外壁上，外定位板(37)贴附于外筒(31)的内壁上。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机排气后处理催化型颗粒过滤器聚热装置，其特征在于，所述螺旋板(34)设置为三块，三块螺旋板(34)间相位相差120度，均匀分布于中心空管(33)的外圆周上；通过三块螺旋板，形成三个进气口，整个外筒内部空间被分布在中心空管(33)上的螺旋板分为三个独立、螺旋状的过气腔。

3.根据权利要求1或2所述的柴油发动机排气后处理催化型颗粒过滤器聚热装置，其特征在于，所述聚热装置还包括：导流板，所述导流板(36)设置在螺旋板(34)螺旋周期间的外筒(31)内壁上，且朝向中心空管(33)。

4.根据权利要求1或2所述的柴油发动机排气后处理催化型颗粒过滤器聚热装置，其特征在于，所述聚热装置还包括：电加热组件；所述电加热组件包括加热管(42)、接线盒(41)、温度传感器(44)和控制器(43)；

螺旋板(34)尾端后侧的外筒壁上，开设有接线盒槽；

所述接线盒(41)固定于所述接线盒槽内；

所述加热管(42)为带有缺口的圆环形，圆环平行于中心空管(33)截面且中心正对中心空管(33)中心，圆环正对螺旋板(34)的出风口，缺口部分连接接线盒(41)内的接线端子；

所述控制器(43)同时与接线盒(41)与温度传感器(44)相连，同时连接有外接电源，用于根据传感器测量数据控制加热管电流；

所述温度传感器(44)设置于外筒(31)底部的内壁上，用于测量CDPF前端的过气温度。

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