专利名称：用于除去气流中微粒的设备和方法
技术领域：
本发明总的涉及一种用于除去气流中的微粒的设备和方法。具体 而言，本发明涉及一种用于除去气流中的微粒的设备和方法，其适于 净化来自内燃机的废气，优选为汽车应用中的柴油机。
背景技术：
对减小从柴油机散发出的废气中的微粒(灰、烟尘、有机部分等) 的量的需要变得越来越重要。总的来说，现有技术的微粒过滤器利用了带有多孔壁的陶瓷整体 结构，其中相邻的通道或者在入口侧被堵塞，或者在出口侧被堵塞。 从而，迫使气体流动通过壁，在壁中将微粒留住。这类过滤器的问题 是，壁的阻塞导致了增大的压降，这使得必需频繁地再生过滤器。另 外，壁的阻塞增加了再生不可控制的风险，这可能会损坏过滤器。而 且，通常需要保养停机，以便除去过滤器中的灰。另一种原理是使用开放、未阻塞的结构，其由金属非多孔材料制 成，其中通道壁适合于在气流中产生紊流，使得微粒接触并沉积在通 道壁上。这种类型的问题是，它表现出较低的"过滤"效率，即只有 小部分的微粒留在壁上，这使得装置较大(如果需要高效率)。发明内容本发明的目的是提供一种用于除去气流中的微粒的设备，它以有 效的方式分离微粒，并且同时具有非常抵抗堵塞的能力。另一个目的 是提供一种用于除去气流中的微粒的方法，它结合了分离效率以及抵抗堵塞的能力。这些目的通过分别包含在权利要求1和17中的技术特 征而实现。从属权利要求包含了本发明有利的实施例，其它的发展以 及变型。本发明涉及一种用于除去气流中的微粒的设备，其包括至少一个 气道，该气道至少部分地由多孔材料所围绕，且其特征在于，设备包 括用于将气道暴露于声音的装置，声音引导气体沿着朝向多孔材料的 方向运动。这一特征的有利效果是，存在于气流中的微粒将至少部分 地跟随气体的运动，使得微粒的运动能够受到控制，以便通过迫使主 要气流通过多孔材料，而迫使微粒被捕获在多孔材料之上或之内，而 不会阻挡主要气流。这样例如可以使用开放、未阻塞的气体通道(由 多孔壁分离开)且仍然使较大部分的微粒被留在壁上。这种设计在分 离上是有效的，同时与采用堵塞通道的现有技术相比，更能抵抗阻塞 和增大的压降。除了引导微粒运动外，声音将在气流中产生紊流，这 进一步增大微粒沉积在多孔材料上。本发明设备还有用于阻塞的过滤 器和其他类型的过滤装置，这是因为它能够用于，例如引导微粒到多 孔材料或过滤器的特定部分，或者能够用于使微粒聚集形成更大的微 粒。在本发明第一有利实施例中，声音暴露装置布置成引导声音沿 着与气流的主要方向不同的方向。优选地，声音暴露装置布置成引 导声音沿着与气流的主要方向成至少30°角，优选至少60。，优选大致 与气流的主要方向垂直的方向。在大部分应用中，使气道暴露于声音 的有利效果将随着所述角度而增加，直至在声音与气流的主要方向垂 直的点上达到最大。本发明还涉及一种用于除去气流中的微粒的方法。包括以下步骤 引导气流通过至少一个气道的步骤，该气道至少部分地由多孔材料所 围绕。本发明的方法特征在于，其包括以下步骤将气道暴露于声音, 声音引导气体沿着朝向多孔材料的方向移动。
现在将参照以下附图更详细描述本发明，其中 图1示意性显示了本发明第一有利实施例； 图2示意性显示了本发明第二有利实施例； 图3示意性显示了本发明第三有利实施例；和 图4示意性显示了气体在单个气体通路中的运动。
具体实施方式
图1示意性显示了本发明设备1的第一有利实施例，其中呈陶瓷 整体形式的主体2位于壳体5内。主体2具有若干开放气体通路3，它 们由多孔壁4分离开。扩音机6连接到管道11上，管道ll又连接到 壳体5上。在设备l的操作期间，气体流入壳体5，并通过气体通路3 从图的左边流动到右边，即气流的主要方向跟随着气体通路3的纵向。 同时，扩音机6产生声音，由虚线20表示，声音由管道ll导引到主 体2和它的气体通路3。声音的方向基本上垂直于气体通路3的纵向。 从而，将获得沿着的垂直于气体通路纵向轴线的方向的声音所引导的 气流运动。存在于气流中的微粒将跟随着气体运动，并从而被捕获在 多孔壁4之上或之内。作为替代，扩音机6可以邻近壳体5定位。作为另一替代，扩音 机6可以在放置在各种位置下使用。图2示意性显示了本发明设备1的第二有利实施例，它表现了很 多与图1中的第一实施例相似之处。不过，扩音机6和管道11由振动 器7代替，它作用在壳体5上，以产生所需要的声音。图3示意性显示了本发明设备1的第三有利实施例，它表现了很 多与图1和图2各自中的第一和第二实施例相似之处。不过，在本实 施例中，声源是内燃机8，它还是过滤设备1所应用的发动机8。薄膜 9与所述发动机8的废气系统声学上接触定位，且有亥姆霍兹 (Hdmholz)共鸣器10与主体2连接定位，所述共鸣器10具有一个 或几个开口 12，开口呈狭缝形式，从而形成声音的通道。管道ll连接 薄膜9和共鸣器10，以便引导声音20到共鸣器10。薄膜9、管道ll、 共鸣器10和开口 12由此形成了发动机8的废气系统和主体2以及它 的气体通路3之间的声音线路。薄膜9、管道ll、共鸣器10和狭缝12 的几何体在形状和长度上调节，以便正确引导声音20并且放大从发动 机废气振动所产生的频带宽度中选出的频率。优选的，薄膜9靠近发动机8定位并且位于例如任何涡轮扩展器 的上游，以便获得最大的废气振动效果。不过，在某些应用中，例如 由于缺少可用的空间，可能有利的是，将薄膜9定位在另一位置处， 例如壳体5的气体入口部分。自然的，可以使用除了亥姆霍兹共鸣器外的其它声音共鸣器。声 音线路的任何部件，诸如共鸣器10和开口 12，优选地都被调节，以便 根据应用的需要来提高声音指向和频率放大。最佳的调节可以取决于 声源，例如发动机的类型和驱动循环，以及主体2和它的气体通路3 的结构。图4示意性显示了气体在单个气道或气体通路3内的运动。箭头 15代表移动通过气体通路3的主要气流。主要气流跟随着气体通路3 的纵向轴线。箭头16代表这样一种气体运动，在纵向上静止，但是暴 露于垂直于气体通路3的纵向轴线指向的振动声音的气体流动分量， 即垂直于气流的主要方向。箭头17代表这样一种气体运动，在纵向上 静止，但是暴露于与气体通路3的纵向轴线成45。指向的声音的气体流 动分量。箭头18显示了产生的、沿着垂直于气体通路3的纵向轴线的 气体运动，用于箭头17代表的情况，即其中声音以相对于气体通路3 的纵向轴线45。指向。声音所引导的气体运动的速度近似为声音的速度(对于当前温
度)，但是主要气流的速度取决于应用。对于柴油机应用，其中主要 气流为发动机的废气流，速度取决于例如发动机负荷，气道3的总截面面积和温度。典型数值可以在lm/s-10m/s之间，它一般远低于声音 所引导的速度。优选的，设备1被设计成对于微粒来说，在通过气 体通路3期间有很多机会接触壁4。振动声源的振动频率可以变化，以 便增加微粒除去的效率。图4中的示意性图示显示了指向气体通路3的声音引起了沿着垂 直于气体通路3的纵向轴线的方向的气体运动，而与声音指向与气体 通路3的纵向轴线所成的角度无关，除了角度为0。之外。然而，垂直 于气体通路3的纵向轴线的声音方向最好地利用了声音能量。在气道3不是平行的情况下，诸如呈由多孔材料4制成的网孔或 网的形式的情况下，可以更好地使声音方向与气流的主要方向相关。除了声音方向，气流中微粒运动的效果取决于指向气道3的声音 的声音能量的多大的程度。这个声音能量可以用强度表示，即单位面 积的作用，例如用单位W/n^表示。原理上，对于给定系统，微粒的运 动随着气道3处的声音强度的增加而增加。主体2或气体通路3处的强度取决于声音暴露装置的设计，诸如 管道ll、壳体5和共鸣器10，以及声源的类型、能量和位置。 一般的， 仅有一小部分的声源能量被转化成声音能量。用于捕获微粒到多孔壁或材料4上或之内所需要的声音强度取决 于几个参数，诸如相对于声音所指向的气体通路3的纵向轴线的角度， 微粒的尺寸或尺寸分布，气体通路3和多孔壁的几何体，以及主要气 流的性质。所关注的声音性能为频率，它与声波长度有关。在低于100Hz左
右的频率下，波长在大多数情况下比主体2和气体通路3长。在这种 频率范围内，频率可能只对设备1捕获微粒的能力产生很小的影响。 然而，可能存在频率下限，在此频率之下，微粒的捕获变得效率较差。对图1中的实施例的实验表现出，采用频率为25和45Hz的正弦 曲线声波且扩音机功率为28和12W，表现出良好的微粒分离性能。分 离大体上与声源的功率成比例。频率具有较小的重要性。在本发明优选实施例中，有烟尘氧化催化材料至少部分地涂敷于 多孔材料4上，以便提高所捕获烟尘的除去能力。为了进一步增加烟 尘氧化反应的速率，设备1优选适合于产生第二类声音，它具有更高 频率，适合于破坏(breakup)靠近催化材料表面的气体组分的质量传 输梯度。这样，形成于壁4上的烟尘将被保持在足够低的水平上，以 便能够进行连续的高效烟尘分离。这种第二类声音可以加在用于捕获 微粒的声音上，且能够例如通过使用一个或两个扩音机、或者通过结 合不同的声源(诸如扩音机6和发动机8)来实现。如果进行同时NOx与烟尘或HC的还原，以改善在NOx还原反应 中的可能的质量传输限制，则这种第二频率的声音也是有用的。本发明并不限于上述实施例，而是在所附权利要求的框架内，多 个修改是可能的。例如，并不必需使用包括在主体2中的平行的气体 通路3，其中主体2呈现有的陶瓷整体形式，如图l-3所示。非平行气 道3可以例如呈网孔或类似网的结构，由多孔材料4制成。其它替代 来形成板之间的气道3或者形成管道。而且，可以用金属来形成主体2，代替陶瓷。代替将声音暴露装置6， 7， 8， 9， 10， 11， 12专门定位在主体2 之外的是，可以根据气道3的设计，靠近气道3设置反射装置到主体2
内，以便于例如引导发动机8所产生的气流中的声音脉冲。而且，本发明可以结合用于改善过滤的其它装置，诸如增加气流 在通过过滤器的传输期间的紊流。
权利要求
1.一种用于除去气流中微粒的设备(1)，其包括至少一个气道(3)，该气道(3)至少部分地由多孔材料(4)围绕，其特征在于，设备(1)包括用于将气道暴露于声音(20)的装置(6，7，8，9，10，11，12)，所述声音(20)导致气体沿着朝向多孔材料(4)的方向运动。
2. 权利要求l的设备(1)，其特征在于，声音暴露装置(6， 7， 8， 9， 10， 11， 12)布置成引导声音(20)沿着与气流的主要方向不 同的方向。
3. 权利要求2的设备(1)，其特征在于，声音暴露装置(6， 7， 8， 9， 10， 11， 12)布置成引导声音(20)沿着与气流的主要方向成 至少30。角，优选至少60。，优选大致与气流的主要方向垂直的方向。
4. 上述权利要求中任一项的设备(1)，其特征在于，设备(1) 包括具有所述至少一个气道(3)和多孔材料(4)的主体(2)，该主 体(2)呈由多孔壁(4)分离开的多个气体通路(3)的形式。
5. 权利要求4的设备(1)，其特征在于，气体通路(3)大致是 平行的。
6. 权利要求4或5的设备(1)，其特征在于，设备(1)包括包 围主体(2)的壳体(5)。
7. 上述权利要求中任一项的设备(1)，其特征在于，声音暴露 装置包括声源(6, 7， 8)。
8. 权利要求7的设备(1)，其特征在于，声源包括振动器(7)。
9. 权利要求7的设备(1)，其特征在于，声源包括扩音机(7)。
10. 权利要求7的设备(1)，其特征在于，声源为内燃机(8)， 且声音暴露装置包括位于气道(3)和该内燃机(8)废气系统之间的 声音线路(9， 10， 11， 12)。
11. 权利要求10的设备(1)，其特征在于，所述声音线路(9， 10， 11， 12)包括薄膜(9)，其定位成与废气系统声学上接触；和声 音共鸣器(10)，其定位成与主体相连(2)，该共鸣器(10)具有一 个或几个开口 (12)，以便形成用于声音(20)的通道。
12. 上述权利要求中任一项的设备(1)，其特征在于，设备(1) 用于净化来自内燃机(8)的废气，优选的，内燃机为柴油机。
13. 权利要求10和12的设备(1)，其特征在于，形成声源的发 内燃机也是设备所应用的内燃机。
14. 上述权利要求中任一项的设备(1)，其特征在于，有粉尘氧 化催化材料至少部分地涂敷在多孔材料(4)上。
15. 上述权利要求中任一项的设备(1)，其特征在于，声音暴露 装置(6， 7， 8， 9， 10， 11， 12)布置成将至少一个气道(3)暴露 于声音(20)，该声音(20)的强度和频率适合于移动在气道(3)中 流动的气体中的微粒到多孔材料(4)，和/或至少部分地通过多孔材料(4)。
16. 权利要求14和15的设备(1)，其特征在于，声音暴露装置 (6， 7， 8， 9， 10， 11， 12)布置成将至少一个气道(3)暴露于第二类声音(20)，该第二类声音的强度和频率适合于破坏靠近催化剂 材料表面的气体组分的质量传输梯度。
17. 用于除去气流中的微粒的方法，包括以下步骤-引导气流通过至少一个气道(3)，该至少一个气道至少部分地由多孔材料(4)所围绕，其特征在于， 方法包括以下步骤将气道暴露于声音(20)，所述声音导致气体沿着朝向多孔材料 (4)的方向移动。
18. 权利要求17的方法，其特征在于，声音(20)引导沿着与气 流的主要方向不同的方向。
19. 权利要求18的方法，其特征在于，声音(20)引导沿着与气 流的主要方向成至少30°角，优选至少60。，优选大致与气流的主要方 向垂直的方向。
20. 权利要求17-19中任一项的方法，其特征在于，声音(20)的 强度和频率适合于移动在气道(3)中流动的气体中的微粒到多孔材料(4)，和/或至少部分地通过多孔材料(4)。
21. 权利要求20的方法，其特征在于，声音(20)另外地具有这 样的强度和频率，它们适合于破坏靠近催化剂材料表面的气体组分的 质量传输梯度，其中催化剂材料至少部分地涂敷在多孔材料(4)上。
22. 权利要求17-21中任一项的方法，其特征在于，声音(20)由 扩音机(6)产生，且声音从扩音机(6)被引导到气道(3)。
23. 权利要求17-21中任一项的方法，其特征在于，声音(20)由 内燃机(8)产生，且声音从内燃机(8)被引导到气道(3)。
全文摘要
本发明涉及一种用于除去气流中微粒的设备(1)，其包括至少一个气道(3)，该气道(3)至少部分地由多孔材料(4)围绕。本发明的特征在于，设备(1)包括用于将气道暴露于声音(20)的装置(6，7，8，9，10，11，12)，所述声音(20)导致气流沿着朝向多孔材料(4)的方向运动。本发明还涉及一种用于除去气流中微粒的方法。
文档编号F01N3/021GK101128652SQ200580048703
公开日2008年2月20日 申请日期2005年2月24日 优先权日2005年2月24日
发明者塞西莉亚·达林, 斯塔凡·隆格伦, 海耶·韦斯特伯格, 爱德华·乔布森, 雅各布·海多恩拉格勒夫 申请人:沃尔沃技术公司