专利名称：基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器的制作方法
技术领域：
本发明属于柴油机排气后处理技术，特别涉及一种基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器。
目前国内外所研究的柴油机微粒排放后处理技术主要有微粒的过滤及过滤体再生技术、微粒的催化转化技术等等。从目前对微粒的净化效果上看，过滤净化技术最为有效。但实施微粒过滤净化时，需定期对过滤体进行再生。尽管国内外研究了多种再生方法，如喷油助燃再生技术、电加热再生技术、微波再生技术等，但由于过滤体再生系统及控制系统复杂、可靠性差、成本价格过高等，以及过滤技术存在过滤体的排气阻力大、过滤体强度弱、使用寿命短、易发生高温烧熔和爆裂等问题，因而妨碍了过滤技术的进一步应用。
工业上有利用旋风除尘器进行工业烟气除尘的应用，但旋风除尘器最佳分离微粒的粒径一般大于2μm，远大于一般柴油机排气微粒粒径，因此难以简单地将其直接地用于柴油机排气微粒的分离。
本发明的技术方案本发明解决其技术问题采用的技术方案首先通过微粒增长器利用排气的降温来改善柴油机微粒的粒径分布，然后，通过谐振腔式微粒离心分离器利用排气的动能实现微粒的分离，最后通过扩张体结构形式的惯性微粒收集器利用排气微粒的惯性对微粒进行收集。谐振腔式微粒离心分离器是充分考虑柴油机排气脉动的特点提出的一种对微粒分离器的分离原理性设计。
将微粒增长器、谐振腔式微粒离心分离器、惯性微粒收集器集合为一体构成净化器芯体；在净化器壳体中，微粒增长器与谐振腔式微粒离心分离器及惯性微粒收集器从排气流动角度看相互串接；微粒增长器环绕谐振腔式微粒离心分离器外部布置，惯性微粒收集器位于微粒增长器及谐振腔式微粒离心分离器后部并环绕排气尾管布置。
柴油机排气进入净化器壳体后，首先通过多支排气冷却支管进入微粒增长器；进入微粒增长器内的排气在流动过程中被管外的冷却水所冷却。在排气的冷却过程中，排气中的大量气态碳氢将发生凝结，气态碳氢凝结到微粒表面或以液态微粒形式出现，柴油机微粒起到了凝结核的作用；气态碳氢在柴油机微粒表面的凝结必然会增加微粒的质量和粒径，同时使微粒具有更大的粘性。同时，由于不同质量、不同大小的柴油机微粒在脉动的湍流排气中的速度和相位不同，从而发生微粒间的相互碰撞；微粒表面的高粘性使碰撞的微粒凝并在一起，从而使微粒粒径变大、质量增加。由于排气冷却支管外的冷却水的冷却作用，靠近排气冷却支管壁面处存在热边界层；在靠近管壁处的温度边界层中，微粒在热泳力作用下向管壁运动并沉积到管壁壁面；当沉积在壁面上的微粒层达到一定厚度时，在气流剪切力的作用下，微粒层会从壁面脱离并再次进入排气；从微粒层脱落的微粒是由大量沉积微粒所组成的集合体，其粒径和质量会比沉积前显著增加。微粒的增长是利用谐振腔式微粒离心分离器对其进行分离的前提。
从微粒增长器中流出的排气首先进入排气稳流腔，经稳流腔稳流后的排气进入谐振腔式微粒离心分离器。谐振腔式微粒离心分离器利用柴油机排气气流的动能，通过螺旋形导流叶片使气流在分离器内高速旋转，靠离心力将气流中的微粒甩向分离器筒壁。甩向筒壁的微粒在气流的带动下，靠惯性力的作用进入惯性微粒收集器。根据柴油机排气脉动的特点，微粒离心分离器设计成谐振腔的形式，以稳定气流流场并充分利用排气的动能使微粒分离。通过采用在惯性微粒收集器内的废气再循环出口管处引气的方法可以有效改变分离器内的流场，削弱涡汇流场区域，增强旋源流场区域，从而获得适合于微粒分离的流场分布，微粒分离空间可以处于包括强制涡区在内的整个空间，因此显著提高了分离器的微粒分离效果。
在惯性微粒收集器内，环绕排气尾管布置有电加热器。靠惯性并由气流带动经扩张体结构形式导向板进入惯性微粒收集器内的柴油机微粒可以通过电加热器的定期加热使其烧掉。
经谐振腔式微粒离心分离器分离后的柴油机排气经排气尾管排入大气。
本发明的有益效果本发明的有益效果是，柴油机排气经基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器净化后，排气中的微粒浓度显著降低，排气质量得到有效改善。试验结果表明，基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器的微粒净化效率达到70％以上。该净化器结构简单、系统紧凑、可靠性高，有效解决了目前所普遍研究的柴油机微粒捕集净化技术中存在的问题。
图2为
图1的I-I侧视图。
图3为图1的II-II侧视图。
图4为排气冷却支管局部结构图。
图5为谐振腔式微粒离心分离器结构示意图。
图中1.排气管，2.稳流腔，3.前挡板，4.排气冷却支管，5.谐振腔式微粒离心分离器，6.排水管，7.后挡板，8.导向板，9.电加热器，10.排气尾管，11.惯性微粒收集器，12.废气再循环出口管，13.微粒增长器，14.叶片轮毂，15.分离器筒体，16.导流叶片，17.冷却水腔，18.进水管，19.净化器壳体，20.排气冷却支管出口，21.谐振腔，22.谐振孔。
五具体实施例方式
下面结合实施例的附图对本发明做进一步的说明。
基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器(图1)，包括排气管1、净化器壳体19、稳流腔2、谐振腔式微粒离心分离器5、微粒增长器13、惯性微粒收集器11、排气尾管10、进水管18、排水管6以及废气再循环出口管12。为节省空间，在净化器壳体19中，构成芯体的微粒增长器13、谐振腔式微粒离心分离器5、惯性微粒收集器11从排气流动角度看相互串接；微粒增长器13环绕谐振腔式微粒离心分离器5外部布置，惯性微粒收集器11位于微粒增长器13及谐振腔式微粒离心分离器5后部并环绕排气尾管10布置。稳流腔2位于微粒增长器13和谐振腔式微粒离心分离器5的前端。
微粒增长器13由排气冷却支管4及外部冷却水腔17构成。
为降低排气流速、延长排气在排气冷却支管4内的驻留时间，以及增加排气与排气冷却支管4壁面的接触面积并减小排气阻力，排气在进入净化器壳体19之前首先分流进入四个排气冷却支管4。
排气管1分成四个排气冷却支管4，如图2所示。排气冷却支管4穿过净化器壳体19前端及前挡板3，插入微粒增长器13的冷却水腔17内，折返后(图4)，穿过前挡板3进入稳流腔2，排气冷却支管出口20朝向稳流腔2(图3)；排气冷却支管4焊接在净化器壳体19前端及前挡板3上。在微粒增长器13内通过冷却水对排气冷却支管4内的排气进行冷却。冷却后的排气折返进入稳流腔2。稳流腔2是排气冷却支管4与谐振腔式微粒离心分离器5之间的过渡连接，它主要对进入谐振腔式微粒离心分离器5前的排气进行稳流，稳流后的排气经导流叶片16导向后切向高速进入谐振腔式微粒离心分离器5。冷却水由进水管18流入微粒增长器13的冷却水腔17，并由排水管6流出微粒增长器13。冷却水量可以根据需要进行调节。
谐振腔式微粒离心分离器5的结构如图5所示。谐振腔式微粒离心分离器5固定在前挡板3与后挡板7之间，其外表面与净化器壳体19之间的空间构成了微粒增长器13的冷却水腔17。
谐振腔式微粒离心分离器5由分离器筒体15、导流叶片16、叶片轮毂14、谐振腔21以及排气尾管10组成。导流叶片16固定在谐振腔式微粒离心分离器5的分离器筒体15及叶片轮毂14上。排气尾管10一端固定在净化器壳体19上，另一端插入谐振腔式微粒离心分离器5的尾部。
谐振腔式微粒离心分离器5(图5)的分离器筒体15由双层壁面构成，在内层壁面上间隔一定距离钻有多排谐振孔22，两层壁面之间构成谐振腔21。分离器筒体15的两层壁面的间距及谐振孔22的个数和孔径需根据柴油机缸数确定。柴油机缸数越少，柴油机排气脉动越剧烈，壁面的间距应越大，谐振孔数应越多，而孔径应越小。谐振腔式微粒离心分离器5内的叶片轮毂14起固定叶片及导流进气的作用；叶片轮毂14的直径及长度应适中，其参数需根据排气阻力大小确定。排气尾管10的外径小于分离器筒体15的内层壁面直径，两者之间的环隙构成了微粒进入惯性微粒收集器11的通道。
惯性微粒收集器11由扩张体结构形式的导向板8、电加热器9以及废气再循环出口管12组成。惯性微粒收集器11内装有扩张体结构形式的导向板8，导向板8连接在谐振腔式微粒离心分离器5的后部。通过导向板8引导微粒均匀进入惯性微粒收集器11。在惯性微粒收集器11内，环绕排气尾管10布置有电加热器9。收集在惯性微粒收集器11内的微粒可以定期用电加热器9加热烧掉。
在惯性微粒收集器11内的导向板8后方的净化器壳体19上，装有废气再循环出口管12。废气再循环出口管12装置在导向板8后方且其出气口可装有滤网，这样可以避免将收集的微粒吸入。通过废气再循环出口管12可以根据需要引出一部分排气再送回到柴油机进气管，形成废气再循环。从废气再循环出口管12引气，一方面可以改善谐振腔式微粒离心分离器5内的流场分布；另一方面，废气再循环还可以降低柴油机的NOx的排放。
微粒增长器13、稳流腔2、谐振腔式微粒离心分离器5、以及惯性微粒收集器11等部分皆紧凑地安装在净化器壳体19内。
权利要求
1.一种基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器，由排气管(1)、排气尾管(10)、净化器壳体(19)、芯体、进水管(18)以及排水管(6)组成，其特征是，将微粒增长器(13)、谐振腔式微粒离心分离器(5)、惯性微粒收集器(11)集合为一体构成芯体；在净化器壳体(19)中，微粒增长器(13)与谐振腔式微粒离心分离器(5)及惯性微粒收集器(11)从排气流动角度看相互串接；微粒增长器(13)环绕谐振腔式微粒离心分离器(5)外部布置，惯性微粒收集器(11)位于微粒增长器(13)及谐振腔式微粒离心分离器(5)后部并环绕排气尾管(10)布置。
2.根据权利要求1所述的基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器，其特征是，排气管(1)的排气冷却支管(4)穿过净化器壳体(19)前端及前挡板(3)，插入微粒增长器(13)的冷却水腔(17)，折返后，穿过前挡板(3)进入稳流腔(2)，排气冷却支管出口(20)朝向稳流腔(2)，排气冷却支管(4)焊接在净化器壳体(19)前端及前挡板(3)上。
3.根据权利要求1所述的基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器，其特征是，谐振腔式微粒离心分离器(5)采用谐振腔式结构，由双层壁面构成，在内层壁面上间隔一定距离钻有多排谐振孔(22)，两层壁面之间构成谐振腔(21)。
4.根据权利要求1所述的基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器，其特征是，惯性微粒收集器(11)由扩张体结构形式的导向板(8)、电加热器(9)以及废气再循环出口管(12)组成；惯性微粒收集器(11)内装有扩张体结构形式的导向板(8)，导向板(8)连接在谐振腔式微粒离心分离器(5)的后部，通过导向板(8)引导微粒均匀进入惯性微粒收集器(11)；在惯性微粒收集器(11)内，环绕排气尾管(10)布置有电加热器(9)。
5.根据权利要求1所述的基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器，其特征是，在惯性微粒收集器(11)内的导向板(8)后方的净化器壳体(19)上，装有废气再循环出口管(12)。
全文摘要
一种基于排气能量的复合式柴油机排气微粒净化器，属于柴油机排气微粒后处理设备。在净化器壳体(19)内，微粒增长器(13)环绕谐振腔式微粒离心分离器(5)外部布置，惯性微粒收集器(11)位于微粒增长器(13)及谐振腔式微粒离心分离器(5)后部并环绕排气尾管(10)布置。谐振腔式微粒离心分离器(5)的分离器筒体(15)由双层壁面构成，在内层壁面上钻有多排谐振孔(22)，两层壁面之间构成谐振腔(21)。惯性微粒收集器(11)内的导向板(8)连接在谐振腔式微粒离心分离器(5)的后部；环绕排气尾管(10)布置有电加热器(9)。导向板(8)后方的净化器壳体(19)上，装有废气再循环出口管(12)。本项发明在微粒增长、离心分离以及惯性收集中充分利用了柴油机排气的能量，系统结构简单可靠，对柴油机微粒具有明显的净化效果。
文档编号F01N3/023GK1417457SQ0214921
公开日2003年5月14日 申请日期2002年11月6日 优先权日2002年11月6日
发明者宁智, 刘双喜, 资新运 申请人:北方交通大学