专利名称：内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机尾气排放净化系统，具体地说是一种内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，适用于汽车、火车、轮船等以内燃机为动力装置的设备使用，特别适合于汽车的尾气排放净化使用。
我国是一个人口众多的国家，虽然汽车保有量方面低于其它国家，但由于近二十年来的飞速发展，大量的外资涌入，使汽车制造业得到了迅猛的发展，汽车的数量不断增加。据不完全统计，2000年，我国汽车保有量已超过1600万辆，汽油用量每年约4000万吨，汽车排放对地球大气和环境的污染日趋严重，人们的生活和工作环境越来越差，尤其是大中城市更为严重。许多大中城市汽车排放所造成的空气污染分担率占污染总量的60％以上。如根据1999年6月26日，在全国九届人民代表大会第十次会议上公布的统计数据。北京市汽车排气污染分担率CO为86％、HC为73％、NOX为56％；上海市汽车排气污染分担率CO为86％、HC为86％、NOX为56％；广州市汽车排气污染分担率CO为88.8％、NOX为79.3％。这些城市的环境空气全年有三分之一以上超过国家三级甚至四级质量标准。
在发达国家，由于汽车保有量高，汽车排气污染更加严重。特别是CO2排放污染，已成为城市环境、大气污染的元凶。
为了解决汽车尾气排放污染的控制问题，特别是为了降低CO2排放的污染，尽快遏制汽车排放污染日益加剧的趋势，各国政府和科研机构已采取了多种措施在我国，从2000年1月1日起，全国所有汽油生产企业一律停止生产车用含铅汽油，改产无铅汽油，新生产的轿车要采用电子喷射装置，并安装排气净化装置，降低尾气排放污染。虽然，在九五期间，我国在柴油机电子控制燃油喷射系统的研制开发取得了阶段性成果。另外，我国与国外公司联合生产的轿车用电子控制发动机管理系统对于汽车排放发挥了重要作用。但是，由于制作成本高，净化效果仍不尽人意，难以推广应用。
在国外，世界各大汽车公司花费了巨大的人力、物力、财力致力于降低汽车排放中的有害成份。在汽油机方面，已获得了显著的成果，并能够满足超低排放的要求，对环境污染有了大大的改善。但是存在的缺点是净化装置结构复杂、制作成本高。
在柴油机方面，由于柴油机功率大且具有良好的燃油经济性，在商用车、轿车上都得到了广泛的应用。但是，柴油机对有害气体的排放量随之加大，排放气体中，NOX和黑烟多，柴油机噪声大、震动大、输出功率低，这些都给柴油机带来负面影响。特别是黑烟与排放气体中的NOX处于两难选择之中黑烟降低，则NOX排放增加；反之，NOX排放减少，而黑烟又增加，这是柴油机的致命弱点。尤其是在中小型柴油机上，对发动机的构造和改进已接近极限，柴油机尾气排放的后处理技术已列为世界汽车工业研究开发的重点课题。
现有柴油机尾气排放过滤器存在如下不足
1、在氧化催化剂方面，采用贵金属比例相当高，制作成本高。直到现在，为了满足汽车排放气体净化的需要，催化剂仍然离不开贵金属，每年都将消耗3000～4500吨贵金属(铂、钯等)。而且，由于柴油机工作时排放的废气里含氧量较高，即使是不易氧化的铂，碰到NOX的极强氧化能力，表面也被氧化，最终失去活性。也有将堇青石应用于发动机上作为NOX净化催化器的混合材料，由于堇青石与贵金属的混合使用在耐热性、耐硫性等诸多方面存在的问题，至使高活性的催化器活性下降，不能实现大规模的应用。
2、在废气净化方面，由于柴油机排放的气体中含有大量的NOX和碳烟，人们设计了不同种类的催化净化器和颗粒捕集后处理装置。现有催化净化器，大部分都难以对可溶性有机颗粒的全面处理具有高分解氧化活性，难以在500度高温情况下限制硫酸盐的生成以及限制HC等的低温吸附。在颗粒捕集后处理装置方面，世界各大汽车工业公司开发出许多过滤器，但普遍存在如下缺点(1)由于发动机在低速、中速和高速运转时，排放气体的压力和流量都有明显的不同，包括路面的变化、负荷的大小以及操作手的熟练程度对发动机的工作性能都有极大影响。而发动机性能有略微下降时，过滤器难以保持良好的捕集性能，压力损失大。(2)排气系统的出口温度高、发动机噪音大，是环境温室效应和城市噪声的主要污染源。(3)排气系统在运转中承受振动的能力弱，使用寿命短。(4)耐高温、耐久性和可靠性差。(5)体积大，重量重，成本高。
3、现有过滤器必须设置再生处理系统。一方面，由于每次冷启动的发动机所排放的气体都有较浓的可燃气体，将会给过滤器的表面涂上了一层稀薄的物质；另一方面，由于汽车发动机的运转不会以额定的转速、长时间运转，它会随着负荷的变化而变化，随着扭矩的增加和减少，使发动机的黑烟排放时有时无，将在过滤器的孔口周围吸上碳颗粒，随着过滤器孔口周围碳颗粒的增加，发动机的废气排放阻力增大，流速降低，聚集在过滤器孔口周围上的碳颗粒由小变大，由少变多，致使发动机加速困难，必须设置再生处理系统。如各种类型的电加热器、脉冲空气反洗装置和压缩空气反清洗方式等等，其中，电加热器包括热线式、涡流离心式、旁通式和全流式等等。
综上所述，现有各种内燃机，无论是柴油机还是汽油机，其尾气排放净化装置存在如下缺点一是净化效果不理想；二是成本高；三是对提高内燃机输出功率没有实质性贡献。
本发明的次一目的意在克服上述现有技术的不足，提出一种能使内燃机尾气排放温度低、能有效降低内燃机噪声的内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统。
实现上述目的的技术方案一种内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，包括过滤器、消声冷却器和升温保压涡流器，过滤器输出接消声冷却器，在内燃机的排气歧管出口与过滤器之间设置升温保压涡流器，升温保压涡流器包括涡流室、气流导向锥和限流板，涡流室接排气歧管出口，气流导向锥固定在限流板上，限流板上开有喷射孔，喷射孔与过滤器相通。
在涡流室内壁或限流板或在涡流室内壁和限流板上固定有金属催化剂。
涡流室内壁固定的金属催化剂是氧化铝圈，限流板上固定的金属催化剂是贱金属铜。
气流导向锥为锥形、球形或半球形金属体。
过滤器由过滤室、内外层金属网、金属催化剂和吸热保温材料组成，内外层金属网之间的隔层内放置金属催化剂和吸热保温材料，内外层金属网设置前后端盖，前端盖是无孔端盖，后端盖上开有排放口。
金属催化剂是净化铝珠，吸热保温材料是陶瓷片，在升温保压涡流器和过滤器的壳体内设置保温层。
消声冷却器由壳体和壳体内的消声冷却管组成，消声冷却管包括内外两层金属管，内外两层金属管上开有消音孔，壳体的前端盖上开有与过滤器的排放口相通的进气孔，进气孔接消声冷却管的内金属管，消声冷却管的内外两层金属管固定在壳体的后端盖上，后端盖上设置有导流孔。
在壳体内设置两级消声冷却管，一级消声冷却管为内外两层金属管，二级消声冷却管为单层金属管，各金属管上开有消音孔，内外两层金属管的前端固定在壳体的前端盖上，前端盖上开有进气孔，消声冷却器的导流孔与一级消声冷却管的内层金属管相通，内外两层金属管的后端盖上设置有导流孔，二级消声冷却金属管的前端盖为无孔端盖，二级消声冷却金属管的后端固定在壳体的后端盖上，壳体的后端盖上开有排放口。
消声冷却器的排放口输出接有减压吸附器，减压吸附器由前后接头、金属内管、金属外管和阻流板组成，在金属内管和金属外管的中部固定有阻流板，金属内管的管壁上和位于金属内管与金属外管之间的阻流板上开有排放孔，与金属内管固定连接的阻流板上开有导流孔。
在金属内管和金属外管之间装有活性碳。
减压吸附器的后接头输出经连接管接有消声器，消声器包括壳体、内外两层降噪管、阻流板、前后端盖和尾气排放管，连接管与壳体内腔相通，壳体内设置内外两层降噪管，内外两层降噪管的前后端盖为无孔端盖，内外两层降噪管上开有消音孔，内外两层降噪管的中部设置阻流板，阻流板与壳体、内外两层降噪管固定连接，固定在内层降噪管中部的阻流板上开有限流孔，壳体的后端盖上开有排放口，排放口接尾气排放管。
位于外层降噪管与壳体之间的阻流板上开有消音孔。
减压吸附器的后接头输出经连接管接有废气过滤器，废气过滤器包括壳体、减压缓冲头、一级滤芯和二级滤芯，连接管与壳体内腔相通，壳体内腔设置减压缓冲头，减压缓冲头的后方设置一级滤芯，一级滤芯内装二级滤芯，二级滤芯过滤后的气体经尾气排放管排出。
减压缓冲头为锥形或球形金属体。
一级滤芯和二级滤芯是纸质空气滤芯器。
采用上述技术方案，本发明突出的技术进步在于1、通过设置升温保压涡流器，当含有HC和CO的废气冲击气流导向锥时产生涡流，废气升温，一方面通过升温(可从200℃升至500℃)，在铜、铝催化剂作用下分解、燃烧、净化胶质颗粒，使有机可溶性颗粒降低、缩小，可大大减轻CO、HC、NOX成份含量，为后续净化创造条件；另一方面，通过升温保压，实现对发动机的保压和增加废气循环利用，通过高温废气的循环利用，大大提高了可燃混合气体的温度，可显著提高发动机的有效输出功率，抑制发动机的噪音和抖晃率。本发明先升温然后再净化处理，是有别于传统净化装置的关键之处。2、本发明采用离散型的多级设计，用贱金属铜、铝作为催化器，制作成本大大降低。3、设置新型过滤器、消声冷却器和减压吸附器，进一步地，分别对汽油机设置消声器，对柴油机设置废气过滤器，一是制作成本低，二是降温、降噪、降压明显，可达ULEV排放。4、在DPF方面，无需再生装置，改变了当前国际上对蜂窝型过滤器使用再生系统的设计，符合柴油机排放净化技术的发展方向，走在了离散型国际柴油机模型阶段的前列。5、在催化剂方面，可以满足最严格的美国排放法规对颗粒排放的限制值，对可溶性有机颗粒(SOF)具有高分解氧化活性，对EGR系统，无需任何附属装置。这种净化装置具有耐久性、耐热性、耐中毒性，符合美国对柴油机排放的颗粒过滤器(DPF)的性能要求，具有良好的捕集性能，有充分的机械强度和在运转中承受振动。6、采用上述技术方案，经实际检测表明在不增加燃油消耗的前提下，提高有效输出功率20～45％，排放温度32～70度，能有效降低发动机的噪声，冷机易启动(2～5秒)，易加速，易升温(30秒)，且发动机静音、平顺地工作。以型号为492QA2直列汽油机为例，附表一给出了改造前后(即安装有本发明净化系统前后)的各项净化指标对比，可大大减轻CO、HC、NOX的排放量；附表二给出了改造前后发动机噪声和时速对比，发动机噪声大大降低，时速大大提高。本发明对电喷和空燃比大的汽油机，各项指标达到美国零排放(ZEV)要求；对直喷式柴油机和带增压器多气阀的柴油机，各项指标达到了美国超低排放(ULEV)和零排放(ZEV)的要求。7、本发明具有充分系统的耐久性，可靠性高、成本低，能在高底盘的车辆(大巴、中巴和轿车)中安装使用，且一次性安装，可使用至车辆报废。
图2是
图1中升温保压涡流器和过滤器的结构示意图。
图3是图1中消声冷却器的结构示意图。
图4是图1中减压吸附器的结构示意图。
图5是图1中消声器的结构示意图。
图6是一种柴油机内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统总体结构示意图。
图7是图6中废气过滤器的结构示意图。
在图2中，升温保压涡流器由涡流室3、气流导向锥2和限流板4组成，气流导向锥2为锥形、球形或半球形金属体，正对发动机排气歧管1出口的气流导向锥2固定在限流板4的中央，用电焊将气流导向锥2与限流板4联接，在涡流室3内壁或限流板4或在涡流室3内壁和限流板4上固定有金属催化剂。其中，涡流室3内壁固定的金属催化剂是氧化铝O型圈39，限流板4上固定的金属催化剂是贱金属铜，限流板4是O型金属板，金属板4上焊有贱金属铜，并有多路O型孔或双路矩形孔或两者的混合孔32。
工作时，由于发动机排放出的废气经排气歧管1呈轴流排放，当气体接触金属体气流导向锥2时，形成磨菇行，当磨菇行气体行至贱金属O型限流板4时，通过O型限流板4上的O型孔和矩形孔进入过滤器。由于排放气体在离开气缸后带有高温高压的气流，在通过带有O型、矩形孔的O型限流板4时，气体受到阻力，在球形导向锥2的作用下，形成一个多方位的涡流圈。由于气体的大量旋转，积聚大量的热能，使气流导向锥2、I型支撑、O型限流板4与壳体37内壁周围的氧化铝吸收大量的热能，产生高温。由于O型限流板4的限量排放和发动机的废气输出造成一个内部的挤压，使氧化铝O型圈产生高温，对柴油发动机排放的胶质颗粒实行分散性处理，另外，通过限流板4上贱金属铜的高温活性，可对CO、HC和NO进行化学反应分解，生成水蒸气和CO2。在不损坏发动机的提速性能和保持需要的处理温度下工作。
通过在发动机的排气歧管出口设置升温保压涡流器，一方面通过升温(可从200℃升至500℃)分解、燃烧、净化胶质颗粒，使有机可溶性颗粒降低、缩小，可大大减轻CO、HC、NO成份含量，为后续净化创造条件；另一方面，通过升温保压，本发明实现对发动机的保压和增加废气循环利用，通过高温废气的循环利用，大大提高了可燃混合气体的温度，可显著提高发动机的有效输出功率，抑制发动机的噪音和抖晃率。
在升温保压涡流器与过滤器之间设置贮气室7。
在图2中，过滤器由过滤室5、内外层金属网6、铝珠28、陶瓷片29、前端盖31和后端盖30组成，内外层金属网6之间的隔层内放置净化铝珠28和吸热保温陶瓷片29，前端盖31是无孔端盖，后端盖30上开有与消声冷却器8的进气孔33相通的排放口。此外，在升温保压涡流器和过滤器的壳体37内设置保温层38，保温层38可采用石棉、粘土为混合填充料。
通过过滤器对从升温保压涡流器的限流板4上O型孔流入的高温废气进行微粒过滤，最后在高温状态下燃烧、净化过滤后留下的微粒。
图3所示，消声冷却器8由壳体10和两级消声冷却管组成，一级消声冷却管为内外两层金属管，二级消声冷却管为单层金属管，内外两层金属管和单层金属管均为O型管11，各O型管11上开有消音孔12，壳体10的前端盖上开有进气孔33，进气孔33接一级消声冷却管的内O型管11，一级消声冷却管的内外O型管11的后端盖上设置有导流孔13，二级消声冷却O型管11的前端盖为无孔端盖，二级消声冷却O型管11的后端固定在壳体10的后端盖上并经连接管14接减压吸附器9。
通过消声冷却器8的两级消声冷却管，一是对过滤器5过滤后的气体进行降温处理，水蒸气冷却变水；二是通过消音孔12进行消音。
在图4中，减压吸附器9由前后接头15、金属内管16、金属外管34和阻流板17组成，在金属内管16和金属外管34之间装有活性碳19，在金属内管16和金属外管34的中部设置阻流板17，金属内管16的管壁上和位于金属内管16与金属外管34之间的阻流板17上开有O型排放孔18，金属内管16和金属外管34形成一个屏蔽罩，当发动机排放气量加大时，通过金属内管16的前半部O型排放孔18流向金属外管34，经阻流板17上开设的O型排放孔18，再从金属外管34的后半部流入金属内管16，减缓排放的压力，起到降温减压的功能。
图5所示消声器10包括连接管21、壳体22、内外两层降噪管23、阻流板24、前后端盖26和尾气排放管27，连接管21与壳体22内腔相通，壳体22内设置内外两层降噪管23，内外两层降噪管23的前后端盖26为无孔端盖，内外两层降噪管23上开有消音孔25，内外两层降噪管23的中部设置阻流板24，位于外层降噪管23与壳体22之间的阻流板24上开有消音孔36，位于内层降噪管23中部的阻流板24上开有限流孔35，壳体22的后端盖上接尾气排放管27。
经减压吸附器9降温减压后的气体，通过消声器10的内外两层降噪管23降低噪声后从尾气排放管27排放，形成一个完整的燃烧、净化、降压、降温、降噪的排放系统，排放温度32～70度，可达ULEV排放。
实施例二结合图2～4、图6～7，一种柴油机内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，包括升温保压涡流器、过滤器5、消声冷却器8、减压吸附器9和废气过滤器10。其中，如图6、图7所示，废气过滤器10包括连接管21、壳体23、减压缓冲头22、一级滤芯24和二级滤芯25，减压缓冲头22为锥形或球形金属体，一级滤芯24和二级滤芯25为纸质空气滤芯器，连接管21与壳体23内腔相通，壳体23内腔设置减压缓冲头22，减压缓冲头22的后方设置一级滤芯24，一级滤芯24内装二级滤芯25，二级滤芯25过滤后的气体经尾气排放管27排出。
一级滤芯24和二级滤芯25为纸质空气滤芯器也可有采用蜂窝状金属空气滤芯器。
其它，升温保压涡流器、过滤器5、消声冷却器8和减压吸附器9的结构同实施例一中图2～4所示(从略)。
本实施例通过升温保压涡流器、过滤器5、消声冷却器8和减压吸附器9的燃烧、净化、降压、降温、降噪，再经废气过滤器10设置的两级滤芯过滤，可有效收集柴油机的排放微粒，排放温度32～70度，可达ULEV排放。
必须指出，上述最佳实施例一、二是以汽车发动机的尾气排放净化为例，本发明同样适用于其它诸如火车、轮船等以内燃机为动力的尾气排放净化装置，仍然是本发明的保护范围。
权利要求
1.内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，包括过滤器和消声冷却器，过滤器输出接消声冷却器，其特征在于在内燃机的排气歧管出口与过滤器之间设置有升温保压涡流器，升温保压涡流器包括涡流室、气流导向锥和限流板，涡流室接排气歧管出口，气流导向锥固定在限流板上，限流板上开有喷射孔，喷射孔与过滤器相通。
2.根据权利要求1所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于在涡流室内壁或限流板或两者同时固定有金属催化剂。
3.根据权利要求1所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于金属催化剂是氧化铝或铜等贱金属。
4.根据权利要求1所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于气流导向锥为锥形、球形或半球形金属体。
5.根据权利要求1所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于过滤器由过滤室、内外层金属网、金属催化剂和吸热保温材料组成，内外层金属网之间的隔层内放置金属催化剂和吸热保温材料，内外层金属网设置前后端盖，前端盖是无孔端盖，后端盖上开有排放口。
6.根据权利要求1所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于金属催化剂是净化铝珠，吸热保温材料是陶瓷片，在升温保压涡流器和过滤器的壳体内设置保温层。
7.根据权利要求1或5所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于消声冷却器由壳体和壳体内的消声冷却管组成，消声冷却管包括内外两层金属管，内外两层金属管上开有消音孔，壳体的前端盖上开有与过滤器的排放口相通的进气孔，进气孔接消声冷却管的内金属管，消声冷却管的内外两层金属管固定在壳体的后端盖上，后端盖上设置有导流孔。
8.根据权利要求7所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于在壳体内设置两级消声冷却管，一级消声冷却管为内外两层金属管，二级消声冷却管为单层金属管，各金属管上开有消音孔，内外两层金属管的前端固定在壳体的前端盖上，前端盖上开有进气孔，消声冷却器的导流孔与一级消声冷却管的内层金属管相通，内外两层金属管的后端盖上设置有导流孔，二级消声冷却金属管的前端盖为无孔端盖，二级消声冷却金属管的后端固定在壳体的后端盖上，壳体的后端盖上开有排放口。
9.根据权利要求7所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于消声冷却器的排放口输出接有减压吸附器，减压吸附器由前后接头、金属内管、金属外管和阻流板组成，在金属内管和金属外管的中部固定有阻流板，金属内管的管壁上和位于金属内管与金属外管之间的阻流板上开有排放孔。
10.根据权利要求9所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于在金属内管和金属外管之间装有活性碳。
11.根据权利要求9所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于与金属内管固定连接的阻流板上开有导流孔。
12.根据权利要求9所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于减压吸附器的后接头输出经连接管接有消声器，消声器包括壳体、内外两层降噪管、阻流板、前后端盖和尾气排放管，连接管与壳体内腔相通，壳体内设置内外两层降噪管，内外两层降噪管的前后端盖为无孔端盖，内外两层降噪管上开有消音孔，内外两层降噪管的中部设置阻流板，阻流板与壳体、内外两层降噪管固定连接，固定在内层降噪管中部的阻流板上开有限流孔，壳体的后端盖上开有排放口，排放口接尾气排放管。
13.根据权利要求12所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于位于外层降噪管与壳体之间的阻流板上开有消音孔。
14.根据权利要求9所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于减压吸附器的后接头输出经连接管接有废气过滤器，废气过滤器包括壳体、减压缓冲头、一级滤芯和二级滤芯，连接管与壳体内腔相通，壳体内腔设置减压缓冲头，减压缓冲头的后方设置一级滤芯，一级滤芯内装二级滤芯，二级滤芯过滤后的气体经尾气排放管排出。
15.根据权利要求14所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于减压缓冲头为锥形或球形金属体。
16.根据权利要求14所述内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统，其特征在于一级滤芯和二级滤芯为纸质空气滤芯器。
全文摘要
一种内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统,包括升温保压涡流器、过滤器、消声冷却器和减压吸附器,升温保压涡流器包括涡流室、气流导向锥和限流板,在限流板的中央固定有气流导向锥,消声冷却器内设置开有消音孔的内外两层消声冷却管,减压吸附器由开有排放孔的金属内外管和阻流板组成,在金属内外管之间装有活性炭。此外,在减压吸附器的输出孔,对于汽油机,设置有包括内外两层降噪管和阻流板的消声器;对于柴油机,设置有包括减压缓冲头和两级滤芯的废气过滤器。本发明提供了一种制作成本低、能有效提高发动机输出功率、有效捕集可溶性有机颗粒且具有高分解氧化活性、排放温度低、能有效降低发动机噪声的内燃机高功率输出、尾气低温排放净化系统。本发明排放温度40～50℃,可达ULEV排放。
文档编号F01N3/037GK1360139SQ0112997
公开日2002年7月24日 申请日期2001年11月22日 优先权日2001年11月22日
发明者李树胜 申请人:李树胜