灰分自清洁壁流式球型微粒捕集器

本发明属于内燃动力装置排放与污染控制领域，可消减内燃动力装置颗粒物质的排放，同时还能自动清除沉积在捕集器内的灰分。

技术背景

柴油机因其热效率高和经济性好被广泛应用于汽车、工程机械、船舶、农用机械和军工等领域，但其排放尾气中含有大量颗粒物(pm，particulatematter)，其主要由干碳烟、可溶性有机物(sof，solubleorganicfractions)及少量灰分组成^[1]。研究认为，机动车排放的绝大部分颗粒的直径在10um以下^[2]。通常把粒径在10微米以下的颗粒物称为可吸入颗粒物，又称为pm10。可吸入颗粒物可以被人体吸入，沉积在呼吸道、肺泡等部位从而引发疾病^[3]。此外，柴油机pm悬浮在大气中，还会降低大气能见度，导致全球变暖等其它环境问题。

柴油机颗粒捕集器(dieselparticulatefilter,dpf)是降低柴油机排气颗粒物的重要手段^[4]。其中，壁流式dpf由于其交错式的结构，具有极高的捕集效率(一般能达到90％以上的颗粒物质量过滤效率和99％以上的颗粒物数量过滤效率)，是目前公认的唯一能使柴油机颗粒物排放满足国vi及未来严格的排放法规要求的技术手段^[5]。

壁流式dpf孔道壁面为多孔介质材料，其平均孔隙直径为10～30um，当排气流经dpf壁面时，排气中的pm被多孔介质壁面过滤捕集，从而实现对柴油机排气中pm的净化。

当dpf捕集一定量的颗粒后，通过再生将捕获的颗粒物燃烧掉。然而，再生过程中只能将占大部分的干碳烟和sof燃烧掉，而占少部分的灰分则继续存留在dpf内。灰分是不可燃物质，主要的成分为钙盐、硫酸盐、含锌的盐以及磷酸盐等，不能通过热再生的方式去除。其来源于润滑油添加剂、燃油添加剂、发动机磨损以及所有受排气系统腐蚀的部件的衍生物等，其中润滑油添加剂是灰分的主要来源^[3]。

尽管柴油机pm中灰分的占比较低(通常小于5％^[6])，经过长时间的使用和多次再生之后，dpf中将累积大量灰分，过滤体中沉积的灰分量甚至会超过碳载量，造成dpf堵塞^[7]。现有dpf大多都是圆柱形，在使用过程中灰分不能自动清除。一旦dpf发生堵塞，只能去维修站借助专用清灰装置来进行疏通。这给柴油机和dpf自身带来一系列问题，具体有以下几个方面：

(1)发动机的排气背压升高，导致动力下降，油耗上升，严重时甚至熄火。

(2)当发动机在高转速运行时，排气流量大，背压提升幅度更大，载体衬垫在高背压下发生移动，严重时发生衬垫脱落和破裂以及dpf载体穿孔等现象。

(3)降低dpf对颗粒的存储容量和改变颗粒的分布均匀性。

(4)降低dpf催化性能、可靠性和耐久性，增大dpf失效的风险。

对于一些燃用燃料含硫量高品质差的船舶发动机来说，dpf受灰分堵塞的现象更易发生。为了清除现有dpf中的灰分，需要拆卸下来利用专门的清灰仪器进行清洁，导致使用成本高，也极不方便。

技术实现要素：

针对目前dpf容易被灰分堵塞的缺陷，本发明提出了一种灰分自清洁壁流式球形dpf，当球形dpf壁流式过滤体孔道发生堵塞时，通过将球形dpf内部的鼓状过滤载体旋转180°，原进气孔道转变为排气孔道，再利用排气自身反吹作用，清除沉积在鼓状过滤载体中的灰分和未完全燃烧的碳颗粒。

为了实现上述目的，本发明提出一种灰分自清洁壁流式球型颗粒捕集器，其包括壁流式球形dpf、载体转向驱动机构、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器，鼓状过滤载体，其特征在于：

所述壁流式球形dpf，用于过滤发动机排放的颗粒物，且多次再生后，能够进行灰分的自清洁；

所述载体转向驱动机构，用于往返180°旋转鼓状过滤载体；

所述第一压力传感器、第二压力传感器，用于检测壁流式球形dpf前后压力；

所述温度传感器，用于检测上游发动机气体进入壁流式球形dpf的温度；

壁流式球形dpf沿排气气流方向前后各有一个圆形台面，分别与壁流式球形dpf的上游排气管和下游排气管焊接相连；

中间部分由壁流式球形dpf上半球面壳体和壁流式球形dpf下半球面壳体通过焊接装配在一起，壁流式球形dpf下半球面壳体端部加工出一圆形通孔，所述圆形通孔末端带有法兰盘，法兰盘与支撑体通过螺栓相连，所述法兰盘与外圆柱壳体之间放置一个密封圈。

进一步地，所述壁流式球形dpf上游排气管的进气端端口设有起连接作用的法兰，所述壁流式球形dpf下游排气管的出气端端面设有起连接作用的法兰。

进一步地，支撑体包含外圆柱壳体、缓冲弹簧、圆形滚珠盘、滚珠、承重盘和承重轴；所述法兰盘的直径与外圆柱壳体的直径相等；

所述缓冲弹簧安放在支撑体内部最下面，在鼓状过滤载体垂向运动时起缓冲作用；所述圆形滚珠盘安放在缓冲弹簧的上端，滚珠安放在圆形滚珠盘和承重盘之间，用于减小鼓状过滤载体在旋转时的摩擦力；

所述承重盘和承重轴的一端通过螺栓紧密相连，承重轴的另一端是花键，安放在鼓状过滤载体的下表面键槽内。

进一步地，壁流式球形dpf上半球面壳体、下半球面壳体内有一鼓状过滤载体，所述鼓状过滤载体沿重力方向的上表面和下表面都开有键槽，上表面键槽安装驱动鼓状过滤载体可往反旋转180°的传动轴。

进一步地，上半球面衬垫、下半球面衬垫对鼓状过滤载体起到密封、支撑重量和碰撞缓冲的作用，并通过所述鼓状过滤载体外壳内的凹槽进行轴向固定；前后圆形台面各有一个容积腔，两个容积腔中分别安装第一压力传感器和第二压力传感器。

进一步地，载体转向驱动机构包括放气阀、进气阀、第一高压气缸、第二高压气缸，第一活塞，限位齿条，齿轮，限位板，第二活塞，所述齿轮与传动轴键连接，齿轮与限位齿条啮合；所述第一活塞和第二活塞安装在齿条两端；

所述进气阀、放气阀外接高压气管，第一高压气缸内设置第一活塞，第二高压气缸内设置第二活塞；控制放气阀、进气阀，使得限位齿条在第一高压气缸和第二高压气缸之前移动；限位齿条运动一个完整的行程将带动齿轮旋转180°。

进一步地，壁流式球形dpf与载体转向驱动机构通过传动轴与齿轮进行键连接，当载体转向驱动机构中的限位齿条运动一个完整的行程将带动齿轮旋转180°，所述与传动轴连接的鼓状过滤载体跟随旋转180°。

进一步地，本发明还提供了一种灰分自清洁壁流式球型颗粒捕集器的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、第一压力传感器和第二压力传感器检测到dpf的工作背压达堵塞阈值，传递指令给柴油机控制器；

步骤2、柴油机控制器向所述载体转向驱动机构发出指令进行转向；

油机控制器接收到鼓状过滤载体发生灰分堵塞的命令后，向载体转向驱动机构发出转向的指令，载体转向驱动机构接收到柴油机控制器的指令后，载体转向驱动机构一端气缸从进气阀充高压气，则另一端气缸从放气阀放气，推动第一活塞或第二活塞运动，限位齿条从充气端一侧推向放气一侧；当第一活塞或第二活塞达到限位板时，停止运动并停止充气；限位齿条运动一个完整的行程将带动齿轮旋转180°，所述鼓状过滤载体也跟随旋转180°；

步骤3、壁流式球形dpf内鼓状过滤载体完成转向，实现自清洁。

进一步地，步骤1中，柴油机排气流经所述鼓状过滤载体，排气中的颗粒会被捕集；当捕集量达到一定数量，通过所述第一压力传感器和第二压力传感器第一压力传感器和第二传感器检测到工作背压超过规定排气流量的再生阈值进行再生；当所述鼓状过滤载体捕集到的颗粒再生完成后，认为鼓状过滤载体是处于清洁状态；壁流式球形dpf再生后灰分会继续沉积在鼓状过滤载体内，当灰分沉积到一定程度，清洁状态的工作背压会逐渐升高；若第一压力传感器和第二压力传感器检测到再生后的工作背压超过所规定流量的堵塞阈值，则认为所述鼓状过滤载体发生灰分堵塞，然后向柴油控制器传递指令。

进一步地，步骤3中，载体转向驱动机构驱动鼓状过滤载体旋转180°，使鼓状过滤载体的原进气端成为出气端，原出气端成为进气端，然后发动机排出的高压尾气通过dpf上游排气管吹向鼓状过滤载体，将沉积在过滤单元中的灰分吹向dpf下流排气管，达到鼓状过滤载体的自清洁效果。

通过实施上述本发明提出的灰分自清洁颗粒捕集器及其控制方法，具有如下技术效果：

(1)本发明中采用该技术无需对dpf进行人工拆卸清灰，可连续清除灰分，控制简单，使用方便。

(2)应用本装置，发动机排气背压始终保持一个较低水平，动力不易受dpf堵塞的影响，燃油经济性好，从而降低了使用成本。

(3)因dpf始终能保持清洁状态，可保证各孔道的颗粒捕集量均匀，再生时热量能被排气及时带走，不会造成局部温度过高，载体不易发生熔化塌陷，提高了dpf的使用寿命。

(4)本装置结构简单，无需增加过多辅助条件，安装方便，便于维护，可靠性好等。

附图说明

图1是本发明所述装置的一种实施例的纵向剖面示意图；

图2是本发明装置的三维模型主视图；

图3是本发明装置的三维模型轴测图；

图4是本发明装置的三维模型后视图；

图5是本发明装置的三维模型俯视图；

图6是本发明装置的承重部分剖视图。

其中：1—第一压力传感器，2—第二压力传感器，3—dpf上游排气管，

4—上球形壳体，5—鼓状过滤载体，6—软垫片，

7—传动轴，8—上半球面衬垫，9—下球形壳体，

10—dpf下游排气管，11—下半球面衬垫，12—承重轴，

13—下软垫片，14—承重盘，15—缓冲弹簧，

16—圆形滚珠板，17—滚珠，18—外圆柱壳体，

19—密封圈，20—放气阀，21—进气阀，

22—高压气缸，23—第一活塞，24—限位齿条，

25—限位板，26—齿轮，27—第二活塞，

28—高压气缸，29—温度传感器。

具体实施方式

以下根据附图1-6对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示，该实施例提供了一种灰分自清洁壁流式球型颗粒捕集器，其包括壁流式球形dpf、载体转向驱动机构、第一压力传感器1、第二压力传感器2、鼓状过滤载体5、温度传感器。

所述壁流式球形dpf，用于过滤发动机排放的颗粒物，且多次再生后，能够进行灰分的自清洁。

所述载体转向驱动机构，用于往返180°旋转鼓状过滤载体5。

所述第一压力传感器1、第二压力传感器2，用于检测dpf前后压力。

所述温度传感器，用于检测上游发动机气体进入dpf的温度。

壁流式球形dpf沿排气气流方向前后各有一个圆形台面，分别与壁流式球形dpf的上游排气管3和下游排气管10焊接相连。

所述壁流式球形dpf上游排气管3的进气端端口设有起连接作用的法兰，所述壁流式球形dpf下游排气管10的出气端端面设有起连接作用的法兰。

中间部分由壁流式球形dpf上半球面壳体4和壁流式球形dpf下半球面壳体9通过焊接装配在一起，壁流式球形dpf下半球面壳体9端部加工出一圆形通孔，所述圆形通孔末端带有法兰盘，法兰盘与支撑体通过螺栓相连，所述法兰盘与外圆柱壳体18之间放置一个密封圈19。

如图6所示，所述法兰盘的直径与外圆柱壳体18的直径相等。支撑体包含外圆柱壳体18、缓冲弹簧15、圆形滚珠盘16、滚珠17、承重盘14和承重轴12。

如图6所示，所述缓冲弹簧15安放在支撑体内部最下面，在鼓状过滤载体5垂向运动时起缓冲作用。所述圆形滚珠盘16安放在缓冲弹簧15的上端，滚珠17安放在圆形滚珠盘16和承重盘14之间，其作用是减小鼓状过滤载体5在旋转时的摩擦力。

所述承重盘14和承重轴12的一端通过螺栓紧密相连，承重轴12的另一端是花键，安放在鼓状过滤载体5的下表面键槽内。所述鼓状过滤载体5的绝大部分重量由支撑体通过承重轴12承担。所述承重轴12直径略小于下半球面壳体9的底部通孔直径。

壁流式球形dpf上半球面壳体4、下半球面壳体9内有一鼓状过滤载体5，所述鼓状过滤载体5垂向(重力方向)的上表面和下表面都开有键槽，上表面键槽安装驱动鼓状过滤载体5可往反旋转180°的传动轴7，键槽与传动轴7之间放置一块软垫片8，起缓冲作用；

下表面键槽安装支撑所述鼓状过滤载体大部分重量的承重轴12，键槽与承重轴之间也放置一块软垫片13，起缓冲作用。所述鼓状过滤载体5孔道分两类，一类是进气孔道，另一类是排气孔道。所有孔道一端开口，另一端被封堵。进气孔道和排气孔道交错排列，即进气孔道的开口端就是排气孔道的闭口端，反之亦是。

开口端方形边长大于闭口端方形边长，即整个过滤孔道呈四棱台状，过滤体开口端的孔道宽度与过滤体长度的比值为1:45左右，过滤单元的材料可采用碳化硅蜂窝陶瓷或相关材料制成。

鼓状过滤载体5四周为球面，与dpf外壳上半球面壳体4、下半球面壳体9之间装有上半球面衬垫8、下半球面衬垫11。上半球面衬垫8、下半球面衬垫11在同一位置分别开有凸、凹槽，并相互啮合，其作用是增强衬垫的密封性。上半球面衬垫8、下半球面衬垫11对鼓状过滤载体5起到密封、支撑重量和碰撞缓冲的作用，并通过所述鼓状过滤载体5外壳内的凹槽进行轴向固定。前后圆形台面各有一个容积腔，两个容积腔中分别安装第一压力传感器1和第二压力传感器2，用来检测dpf的前后压力，从而得到dpf的工作背压。

如图2所示，载体转向驱动机构包括由第一高压气缸22、第二高压气缸28，第一活塞23，第二活塞27，1根限位齿条24，1个齿轮26，2个限位板25，2个放气阀20和两个进气阀21。所述齿轮26与传动轴7键连接，与限位齿条24啮合。所述第一活塞23和第二活塞27安装在齿条24两端。所述进气阀21、放气阀20外接高压气管，则限位齿条24从充气端气缸推向放气端气缸。限位齿条24运动一个完整的行程将带动齿轮26旋转180°，反之也是如此。

壁流式球形dpf与载体转向驱动机构通过传动轴7与齿轮25进行键连接，当载体转向驱动机构中的限位齿条24运动一个完整的行程将带动齿轮26旋转180°，所述与传动轴7连接的鼓状过滤载体5也跟随旋转180°。

该实施例还提供了一种灰分自清洁壁流式球型颗粒捕集器的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、第一压力传感器1和第二压力传感器2检测到dpf的工作背压达堵塞阈值，传递指令给柴油机控制器。

柴油机排气流经所述鼓状过滤载体5，排气中的绝大部分颗粒会被捕集。当捕集量达到一定数量，通过所述第一压力传感器1和第二压力传感器2检测到工作背压δp超过规定排气流量的再生阈值δprg(通常δprg≥16kpa),柴油机会对再生控制系统发出再生指令，启动所述鼓状过滤载体5进行再生。当所述鼓状过滤载体5捕集到的颗粒再生完成后，认为鼓状过滤载体5是处于清洁状态。壁流式球形dpf再生后灰分会继续沉积在鼓状过滤载体5内，当灰分沉积到一定程度，清洁状态的工作背压会逐渐升高。若第一压力传感器1和第二压力传感器2检测到再生后的工作背压δp超过所规定流量的堵塞阈值δprv(通常δprv≤10kpa)，则认为所述鼓状过滤载体5发生灰分堵塞，然后向柴油控制器传递指令。

步骤2、柴油机控制器向所述载体转向驱动机构发出指令进行转向。柴油机控制器接收到鼓状过滤载体5发生灰分堵塞的命令后，立即向载体转向驱动机构发出转向的指令，载体转向驱动机构接收到柴油机控制器的指令后，载体转向驱动机构一端气缸从进气阀21充高压气，则另一端气缸从放气阀20放气，推动第一活塞23或第二活塞27运动，则限位齿条23从充气端气缸推向放气端气缸。当第一活塞23或第二活塞27达到限位板25时，停止运动并停止充气。限位齿条24运动一个完整的行程将带动齿轮26旋转180°，所述鼓状过滤载体5也跟随旋转180°

步骤3、壁流式球形dpf内鼓状过滤载体完成转向，实现自清洁。

载体转向驱动机构驱动鼓状过滤载体5旋转180°，使鼓状过滤载体5的原进气端成为出气端，原出气端成为进气端，然后发动机排出的高压尾气通过dpf上游排气管3吹向鼓状过滤载体5，将沉积在过滤单元中的灰分吹向dpf下流排气管10，达到鼓状过滤载体5的自清洁效果。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。