专利名称：一种螺旋式柴油车尾气微粒过滤－再生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及柴油车微粒过滤-再生系统，具体地说是一种以碳化硅泡沫陶瓷为过滤装置载体的螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，可有效降低柴油车的微粒排放，并可以通电再生。
背景技术：
由于混合和燃烧方式的不同，柴油机的排污成分中CO及HC比汽油机少很多，而微粒却是汽油机的几十倍甚至更多。柴油车微粒的成分复杂，主要由碳烟和可溶性有机物以及部分金属氧化物组成。碳烟主要出现在柴油机燃烧室高温缺氧的状态下(如车辆急加速或大负荷)，此时，因柴油机循环供油量剧增，造成燃油燃烧不良，燃油裂解、聚合、碳化，以干碳烟(由85％的碳及少量的氧、氢、硫、灰分和多种多环芳香烃化合物组成)的形式排至大气中；可溶性有机物主要由未燃的燃料或机油组成，也有部分为燃烧的中间产物。柴油车尾气微粒物的排放不仅对人们的身体健康造成不良影响，而且在视觉上更易被直观察觉，因此柴油车的排烟净化一直是柴油车排污治理的重点。
目前研究较多的柴油车排烟净化技术是微粒过滤器(DPF，Diesel ParticulateFilter)技术。微粒过滤器遵循拦截、惯性碰撞、扩散等微粒过滤机理，通过优化孔径、表面积、堆积密度、体积等参数可以达到较高的过滤效率。然而，随着过滤下来的微粒的积存，过滤孔逐渐堵塞，使排气背压增加，导致发动机动力性和经济性恶化。因此必须及时除去过滤器中的微粒，才能使过滤器继续正常工作。这个过程称为微粒过滤器的再生。
微粒过滤器的再生方式有几种，第一种利用催化剂再生，即在微粒过滤器表面添加催化剂，利用催化剂的催化作用降低微粒的起燃温度，使捕获到的微粒在较低温度下和尾气中的氧气或氧化氮反应生成二氧化碳而除去微粒。不过这种再生方式要求尾气的温度必须达到一定的要求，在汽车低速或轻载重条件下行驶时，尾气温度经常达不到这个要求；第二种再生方式是利用加热器或燃烧的方式提高尾气的温度，使微粒在高温条件下燃烧除去。前两种方法都是原位再生方式，即再生时过滤器仍位于原安装位置。再有就是非原位再生方式，即当微粒过滤器过滤到一定数量的微粒以后，将微粒过滤器从汽车上拆下来放到空气炉等设备中加热，使微粒燃烧得以除去。
无论采用何种再生方式都面临着两个问题一是再生效率的问题，再有就是再生时微粒过滤器经常因微粒燃烧急剧放热而烧熔或炸裂。这两个问题是设计新型微粒过滤器时必须要克服的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置。该装置以碳化硅泡沫陶瓷为主要原料，采用螺旋式结构进行微粒过滤。该装置具有通电加热原位再生的功能，用车载蓄电池供电作为电加热再生的电源。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，由电源、螺旋式紊流微粒过滤器以及电控部分组成。其中，螺旋式紊流微粒过滤器分为两部分，一部分为电加热螺旋式紊流微粒过滤器(后文简称为过滤器A)；另一部分为不带电极的螺旋式紊流微粒过滤器(后文简称为过滤器B)。在电加热螺旋式紊流微粒过滤器中，两个金属电极以焊接的方式分别连接在电加热螺旋式紊流微粒过滤器两端的碳化硅陶瓷电极基座上，电源通过金属电极与电加热螺旋式紊流微粒过滤器构成回路，为过滤器供电。过滤器A和过滤器B一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳内，电控部分与过滤器A的电极相连。所述电加热螺旋式紊流微粒过滤器与非电加热螺旋式紊流微粒过滤器采用碳化硅泡沫陶瓷作材料。
所述过滤器A和过滤器B采用螺旋式结构，其中心位置是一具有多个叶片的螺旋式碳化硅泡沫陶瓷，叶片数目、螺旋角度、螺距和螺旋深度等参数可根据样品体积、气体流量等实际需求加以改变。在螺旋式碳化硅泡沫陶瓷外围套装一个管状的碳化硅泡沫陶瓷，其内径与螺旋式碳化硅泡沫陶瓷的外径一致，保证两者能够结合紧密。
所述过滤器A上可担载催化剂，以碳化硅泡沫陶瓷为载体，每升载体的涂层含量在80～130g，涂层中各物质的重量比为Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝50～75∶30～40∶2～8∶1～10；催化剂所用活性物质可以是Pt或Pd，每升载体中Pt或Pd总含量为1～5g。
所述碳化硅泡沫陶瓷按重量分数计，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅组成。
所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm。
柴油车尾气在流经过滤器时，以螺旋式紊流方式行进，尾气中所含的微粒在被螺旋式碳化硅泡沫陶瓷叶片直接过滤的同时，绝大部分被离心至四周的管状碳化硅泡沫陶瓷中，从而达到微粒过滤的目的。过滤器的效率和引起的发动机背压可通过改变碳化硅泡沫陶瓷的陶瓷体积分数、平均孔径大小、过滤器体积等参数调整。此外，本发明还为螺旋式紊流微粒过滤器焊接了电极，利用碳化硅陶瓷的导电性对该过滤器进行通电加热原位再生。由于碳化硅泡沫陶瓷具有良好的抗热冲击性和高的熔点，再生时产生的高温不会在该过滤器中造成熔融或炸裂现象。
与现有技术相比，本发明更具有如下有益效果①螺旋式紊流微粒过滤器由碳化硅泡沫陶瓷构成，该过滤器具有如下特点a、热传导性良好。保证过滤器温度分布均匀，避免过大热应力的产生并减少再生死角的存在；b、抗热冲击性好，可承受再生时微粒氧化燃烧造成的温度剧变；c、熔点高，在2000℃以上，确保在高温下有较长的使用寿命。
②在螺旋式紊流微粒过滤器中实现了电加热发热体与微粒过滤器一体化，发热体材料为碳化硅泡沫陶瓷，结构简单，且电阻可根据实际需要灵活调整。另外碳化硅陶瓷具有良好的抗氧化、耐高温、抗酸碱性能，与金属电阻丝发热体相比，更适合在汽车尾气环境中使用。
③过滤器采用螺旋式紊流结构，该结构是一种开放式体系，其中的螺旋式通道为气体的流通路径，阻力较小，并且不会发生完全堵死现象；柴油车尾气在流经过滤器时，以螺旋式紊流方式行进，尾气中所含的微粒在被螺旋式碳化硅泡沫陶瓷叶片直接过滤的同时，绝大部分被离心至四周的管状碳化硅泡沫陶瓷中，从而达到微粒过滤的目的。
⑤该装置采用车载蓄电池作为电源，无须外加电源，汽车改造范围小，成本低。
⑥控制系统智能化，可根据水温、发动机转速以及背压等条件适时调整加热状态。
⑦采用钎焊的方式制备金属电极，使接触电阻降至最低，提高了能量利用效率。
⑧本发明装置具有良好、可控的导电性能，在对柴油车微粒进行有效过滤后，可在车载电源正常供电的情况下，实现智能化再生，从而具有很好的耐久性能。同时，本发明装置还具有成本低、结构简单，装配容易等特点。
图1为螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置工作示意图。
图2为螺旋式紊流微粒过滤器的截面图。
图3为电加热螺旋式紊流微粒过滤器的侧面图。
图4为不具备电加热功能的电加热螺旋式紊流微粒过滤器侧面图。
图5为螺旋式微粒过滤器的装配示意图。
图中，1柴油发动机；2水温传感器；3转速传感器；4控制单元；5功率组件；6车载蓄电池；7电缆；8净化器封装外壳；9过滤器B；10金属电极；11金属电极；12过滤器A；13排气管；14压力传感器；15叶片；16中心陶瓷；17中心孔；18管状碳化硅泡沫陶瓷；19碳化硅陶瓷电极基座；20碳化硅陶瓷电极基座；21碳化硅陶瓷。
具体实施例方式
螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置的制备过程具体如下①采用按照《一种高强度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制备方法》(中国科学院金属研究所申请，申请号03134039.3，申请日2003年9月22日)所做的导电碳化硅泡沫陶瓷，作为本发明螺旋式紊流微粒过滤器材料。
②将碳化硅泡沫陶瓷材料加工成为如图2～图4所示的螺旋式紊流微粒过滤器。15为过滤器的叶片，其数目可根据具体情况决定。16为过滤器的中心陶瓷，17为过滤器的中心孔，中心孔的底部被一块碳化硅陶瓷21堵死，流入中心孔的尾气必须侧向穿过碳化硅泡沫陶瓷壁才能经由螺旋通道排出去，这部分气体中所含的微粒将被碳化硅泡沫陶瓷壁过滤下来。18为包围在螺旋式碳化硅泡沫陶瓷周围的管状碳化硅泡沫陶瓷，其作用主要是储存微粒。螺旋式紊流微粒捕获器的叶片数目、叶片长度以及管状碳化硅泡沫陶瓷的厚度等参数可根据实际情况作改变。
③在螺旋式紊流微粒过滤器两端有碳化硅陶瓷电极基座19、20，两个金属电极10、11以焊接的方式连接在碳化硅陶瓷电极基座19、20上，就可以得到具有电加热再生功能的螺旋式紊流微粒过滤器。
④如果在螺旋式紊流微粒过滤器表面担载催化剂，以碳化硅泡沫陶瓷为载体，则催化剂的担载按如下步骤进行a、将碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2～5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5～10分钟，去除其表面的油污等杂质，之后用水清洗、再于100～150℃空气气氛中1～4小时烘干；b、取γ-Al2O3110～160份、CeO250～70份、La2O32～10份、BaO 4～20份，混合后加水500份，球磨2～4小时得到涂层浆料；c、将碳化硅泡沫陶瓷在浆料中浸渍2～5分钟，以压缩空气吹去多余浆料，然后置于100～150℃空气气氛中干燥20～30分钟，冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次，直至使涂层含量达到80～130g/(L载体)，最后于450～500℃焙烧4～5小时，涂层制备完毕；d、如以Pt为催化活性组分，则取H2PtCl610～15份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的碳化硅泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，可得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pt为催化活性组分的具有催化功能的柴油车碳烟过滤器。
e、如以Pd为催化活性组分，则取PdCl25～20份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的碳化硅泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，可得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pd为催化活性组分的具有催化功能的柴油车碳烟过滤器。
⑤将过滤器A和过滤器B一起封装于过滤器外壳内，过滤器外壳由2毫米厚的不锈钢板焊接而成，过滤器外壳与过滤器之间有防震隔层。封装后的过滤器在进气端与柴油发动机排气管相连。
如图1～4所示，螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置包括过滤器B(9)、过滤器A(12)及电控部分，其中过滤器B(9)与过滤器A(12)一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳8内。过滤器A(12)两端有两个与碳化硅陶瓷电极基座19、20分别相连的金属电极11、10，电源通过金属电极10、11与过滤器A(12)构成回路，为过滤器A(12)供电；电控部分与过滤器A(12)的电极10、11相连。所述电控部分由控制单元4和功率组件5组成。本发明电控部分采用中国发明专利申请，申请号200510046472.1，申请日2005年5月20日，详见其中的图5和相关的文字说明。
汽车启动后，含碳烟微粒的汽车尾气由柴油发动机1排出，经由排气管13到达过滤器A和过滤器B，过滤器A和过滤器B将尾气中的微粒截留。由发动机冷却水水温传感器2和转速传感器3以及压力传感器14监测到的冷却水水温、转速和背压信号被控制单元4接收，然后再将信号传送至功率组件5。当背压高于设定值时，在冷却水水温和发动机转速均达到指定数值的情况下，功率组件5接通电路，车载蓄电池6即开始通过电缆7给过滤器A(12)供电，通电时间可由控制单元设定；10和11为过滤器A(12)的两个电极，一端被钎焊到导电碳化硅泡沫陶瓷上，另一端与电缆相连；在通电情况下，过滤器A(12)迅速升温，其上被过滤的部分碳烟开始燃烧。流经发热体的尾气得到电加热螺旋式紊流微粒过滤器传导过来的热量以及碳烟燃烧释放的热量，温度升高。升温后的尾气在经过过滤器B时引燃其中过滤的碳烟，使过滤器B也得到净化。
本发明尾气净化装置主要由上述可电加热再生的碳化硅泡沫陶瓷螺旋式紊流微粒过滤器和智能控制单元两部分构成，过滤器以碳化硅泡沫陶瓷为功能主体，具有良好、可控的导电性能；并且碳化硅泡沫陶瓷具有多孔、表面粗糙、耐高温及热冲击的特点，配合螺旋式结构可实现对柴油车排放微粒的有效过滤；在过滤器上可负载催化剂；智能控制单元4能够接收来自控制单元平台的冷却水水温、背压和发动机转速信号，并根据信号自主控制螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置的通电状态；在车载电源供电的情况下，即可实现系统的原位再生。
实施例和相关比较例在各实施例和相关比较例的测试中采用的发动机型号为SOFIM8140.43，测试方式采用柴油机13工况。
实施例1
①将体积分数30％、平均泡沫孔径1mm的碳化硅泡沫陶瓷机械加工成为有六个螺旋叶片的螺旋式结构，螺旋外径为φ140mm，螺旋深度50mm，叶片厚度10mm，叶片间距10mm，导程120mm，中心孔φ10mm。
②机械加工管状的碳化硅泡沫陶瓷，外径φ180mm，内径φ140mm。
③将②所得的管状碳化硅泡沫陶瓷套在①所得的螺旋式结构外围，并将两者用硅酸乙酯牢固粘接，得到螺旋式紊流微粒过滤器。外形尺寸有两种φ180mm×100mm和φ180mm×250mm，前者焊接电极后可具备电加热功能。
④在③中所述φ180mm×100mm的螺旋式紊流微粒过滤器两端的碳化硅陶瓷电极基座上，各焊接一个直径6mm的不锈钢柱作为与导线相连的电极；得到一外形为φ180mm×100mm的具有电加热再生功能的螺旋式紊流微粒过滤器。
⑤如图5，将④中所得电加热螺旋式紊流微粒过滤器与③中所得φ180mm×250mm的螺旋式紊流微粒过滤器一起封装于净化器外壳内，得到一完整的电加热再生螺旋式紊流微粒过滤器。
⑥将⑤所得过滤-再生系统与发动机相连接，测试使用的发动机型号为SOFIM8140.43，测试方式采用柴油机13工况；测试过程中不通电。
实施例2与实施例1不同之处在于在测试前将螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置安装于柴油发动机排气通路的指定位置，保持发动机转速为2160rpm、扭矩为188Nm、功率为42.5kW运行5小时，使螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置充分积聚碳烟，然后接通电加热电路，进行电加热再生。再生后再进行同实施例1的13工况测试。
实施例3与实施例1不同之处在于组成螺旋式紊流微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％、平均孔径为1.0mm。
实施例4与实施例2不同之处在于组成螺旋式紊流微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％、平均孔径为1.0mm。
实施例5
与实施例1不同之处在于组成螺旋式紊流过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为50％、平均孔径为1.0mm。
实施例6与实施例2不同之处在于组成螺旋式紊流微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为50％、平均孔径为1.0mm。
实施例7与实施例1不同之处在于组成螺旋式紊流微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％、平均孔径为0.1mm。
实施例8与实施例2不同之处在于组成螺旋式紊流微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％、平均孔径为0.1mm。
实施例9与实施例3不同之处在于过滤器A表面有催化涂层，涂层含量为80～130g/(L载体)，涂层中各物质的重量比为Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝55∶35∶3∶7。Pt含量为1.5g/(L载体)。
实施例10与实施例4不同之处在于过滤器A表面有催化涂层，涂层含量为80～130g/(L载体)，涂层中各物质的重量比为Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝55∶35∶3∶7。Pt含量为1.5g/(L载体)。
相关比较例在与实施例相同的发动机上进行不安装过滤器条件下的柴油机13工况测试。
实施例及相关比较例的结果见表1。表1中实验1～10为实施例，实验11为相关比较例。将各实施例与比较例的结果相比较，可发现在采用螺旋式紊流碳化硅泡沫陶瓷的情况下，过滤效率最高达90％以上，过滤效率随着体积分数的增加和平均孔径的减小而增加，然而体积分数的增加和平均孔径的减小也会引起背压的增加。贵金属催化剂的加入能显著降低CO和THC的排放，但对于微粒排放的降低效果不是很显著。电加热再生后过滤器仍能保持良好的过滤效率，表明螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置不但具有良好的净化过滤性能，并且能够有效再生，具有较长的使用寿命。
表1
权利要求
1.一种螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于包括电源、电加热螺旋式紊流微粒过滤器、非电加热螺旋式紊流微粒过滤器，其中电加热螺旋式紊流微粒过滤器与非电加热螺旋式紊流微粒过滤器一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳内，两个金属电极以焊接的方式分别连接在电加热螺旋式紊流微粒过滤器两端的碳化硅陶瓷电极基座上，电源通过金属电极与电加热螺旋式紊流微粒过滤器构成回路，为其供电；所述电加热螺旋式紊流微粒过滤器与非电加热螺旋式紊流微粒过滤器采用碳化硅泡沫陶瓷作材料。
2.按照权利要求1所述的螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于所述螺旋式紊流微粒过滤器的中心位置是一具有多个叶片的螺旋式碳化硅泡沫陶瓷，在螺旋式碳化硅泡沫陶瓷外围套装一个管状的碳化硅泡沫陶瓷，其内径与螺旋式碳化硅泡沫陶瓷的外径一致，两者紧密结合，尾气在流经过滤器时，以螺旋式紊流方式行进。
3.按照权利要求1所述的螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于以电加热螺旋式紊流微粒过滤器为载体，其上制备活性氧化铝涂层，并负载催化剂，涂层含量在80～130g/L载体，涂层中各物质的重量比为Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝50～75∶30～40∶2～8∶1～10；催化剂所用活性物质是Pt或Pd，Pt或Pd总含量为1～5g/L载体。
4.按照权利要求1所述的螺旋式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm；所述碳化硅泡沫陶瓷按重量分数计，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅组成。
全文摘要
本发明涉及柴油车微粒过滤－再生系统，具体地说是一种以碳化硅泡沫陶瓷为过滤装置载体的螺旋式柴油车尾气微粒过滤－再生装置，包括电源、电加热螺旋式紊流微粒过滤器、非电加热螺旋式紊流微粒过滤器，其中电加热螺旋式紊流微粒过滤器与非电加热螺旋式紊流微粒过滤器一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳内；所述电加热螺旋式紊流微粒过滤器与非电加热螺旋式紊流微粒过滤器采用碳化硅泡沫陶瓷作材料。本发明装置具有高的净化效率和可控的导电性能，在对柴油车微粒进行有效过滤后，可在车载电源正常供电的情况下，实现智能化再生，从而具有很好的耐久性能。同时，本发明装置还具有成本低、结构简单，装配容易等特点。
文档编号F01N3/023GK1966942SQ200510047698
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月14日 优先权日2005年11月14日
发明者张劲松, 田冲, 杨振明, 曹小明, 刘强, 郝传勇, 李明天 申请人:中国科学院金属研究所