专利名称：用于收集和焚化柴油废气微粒物质的系统的制作方法
技术领域：
本实用新型总体上涉及用于柴油发动机和天然气发动机的后处理设
备。更具体地，本实用新型涉;5i孩i粒物质在复合金属丝网过滤芯中的附聚 和滞留。更具体地，本实用新型还涉及通过可靠且受控的过程进行焚化。
背景技术：
柴油发动机废气的微粒捕集器已经被广泛地接受，并且用于道路柴油 发动机的排放以与各种i^规定相符合。在柴油发动机中装备微粒捕集器
也公知用于在^^立物质以及细小的樹^立物质方面——当前为PM10和PM 2.5标准的USEPA规定一一提高环境空气质量。微粒捕集器能够实现, 的显著减少，其能够达到90%至95%。传统的耀3立捕集器(例如直通式捕 集器和金属丝网微粒捕集器)必须净皮i^f亍处理以燃烧掉积聚的微粒物质并 使设备恢复到初始状态。再生是燃烧积聚的煤烟并且使陶乾或^T属丝网的 过滤器恢复到初始状态以开始另 一煤烟加载循环等的过考呈。
共同受让的美国专利No. 7，266，943描述了称为焚化过程的再生过程的 替代方式。在此通过参引的方式将美国专利No. 7,266,943的全文结合入本 文中。虽然已经证明美国专利No. 7，266，943对于微粒物质焚化的教示M 功的，但是该技术仍需要4故出继续的改进。
实用新型内容
复合金属丝网介质收集、附聚并且^^L大尺寸的附聚微粒，这些, 过滤在滞留网上而形成煤烟结块，滞留网连接到脉冲直流电源，并在达到 特定煤烟积块密度(累积)一一其由滞留网和上游接地网之间的电阻表示 ——时电源接通。通#复合金属丝网介质前方结合入传统的柴油氧化催 化剂，或者通it^复合金属丝网前方一体形成催化网，部分的NO转换成 N02。当引发了对焚化的需要时，焚化过程开始并继续。
此处所用的焚化定义为用于根据需要地氧化所收集的煤烟的緩慢过 程。应当有足够的煤烟滞留在复合金属丝网介质上以确保高的孩 还原效率。所产生的氧化热M气稀释，由此废气中没有明显的或可检测到的温
度增加。另一方面，再生是这样的一个过程其中所有积聚在过滤介质上 的煤烟都被燃烧并且通常伴随着达到700 。C或更高的明显的温度升高。
本实用新型涉及一种用于焚化来自于柴油废气的附聚微粒物质的有效 的、高效的以及可靠的方法。焚化器的设计依赖于将附聚的煤烟物质捕集 在例如密紋网(Dutch-screen)的滞留网上，从而在上游侧形成结块。密 紋网附接到脉冲直流电源，而配合网是接地的。通过插入呈线或网形式的 陶资基的隔离装置，这两个网之间的间隙保持恒定。间隙中的空间保持为 最小的#^立尺寸。大小在0.010至0.025英寸(0.25至0.62毫米)之间的 间隙间隔是有利的，优选为小范围的间隙，因为减小了待焚化的m^尺寸。 已经发现，来自12v或更高的电源的脉沖直流电流和适量的N02、高于 200'C的废气温度、以及嵌在焚化器间隙中的贱金属催化剂的组合对于焚化 煤烟是有效的。当废气温度升高到300至375。C的范围时，焚化过程加速， 且煤烟快速焚化。但是本文所定义的焚化仍然比再生过程要慢得多。结果， 不^"現察到焚化副产物中的明显温度升高，且焚化网(密紋网)处的最大 温度低于500'C。这主要是由于废气冷却了由焚化产生的热量。 一旦结块 的尺寸由于煤烟氧化而降低，则焚化器电阻的增加使得供电停止，直到另 一煤烟层重新形成以进行新的循环。
本实用新型的另 一特征是氧化催化剂与微粒转换器一体形成。这通过 将贵金属涂层网结合在复合金属丝网介质的上游侧来实现。这种网包括一 些绕i殳备芯部的绕层，以允许废气和贵金属部位之间的大量碰撞和相互作 用。但是，在某些发动机操作状态下，这种网的存在可产生某些火花或者 过热区，其将点燃捕集在复合金属丝网中的煤烟。虽然这种事件是低概率 事件，但是其可破坏金属丝网介质。因此，用作火花熄灭器的密紋不锈钢 网绕在贵金属网周围，以防止煤烟点燃的可能。
由于采用了贵金属催化剂， 一些S02被转变成硫酸盐(微粒)，并且部 分的一氧化氮(NO)转变成二氧化氮(N02)。硫酸盐和N02是不期望的 污染物。但是，由于系统设置，低废气速度与厚料层结构的结合导致废气 的长停留时间、从而与捕集煤烟相互作用(从陶瓷壁到微粒捕集装置估计 平均100次)。总体效应是硫酸盐实际上还原到二氧化硫(so2)、复合金 属丝网中的一些煤烟被焚化、以及实际上从N02转变至NO和氮。N02和 金属丝网中煤烟之间的大量相互作用也可导致N02中的02全部释放，导致NOx还原，其取决于温度估计达到10-15%。总体效应是不期望的硫酸 盐和二氧化氮污染的排放程度提高。根据一个特别的方面，本实用新型提 供一种用于收集和焚化微粒物质以清洁柴油发动机的废气的系统。此系统 包括柴油^b^立转换器(DPC)，其具有壳体和至少一个位于壳体中的过滤 芯。废气通路从柴油发动机延伸穿过DPC。柴油氧化催化剂(DOC)设 置于废气通路中。设置至少一个废气冷却设备以用于控制废气温度。反馈 控制系统基于如下因素控制废气温度，所述因素包括DPC的压降、DPC 前方的温度和发动机RPM。
根据本实用新型的另一特别的方面，本实用新型提供了一种微粒物质 的N02焚化以清洁柴油发动机的废气的方法。本方法包括设置柴油微粒转 换器(DPC)，其具有壳体和至少一个位于壳体中的过滤芯。柴油发动机 废气经由从柴油发动机延伸穿过DPC的废气通路，并由置于废气通路中 的柴油氧化催化器(DOC)处理。反馈控制系统根据DPC的压降、DPC 前方的温度和发动机RPM通iti^择性地控制废气冷却设备来控制废气温 度。根据另一特别的方面，本实用新型提供一种柴油,转换器，其用于 焚化来自柴油发动机废气的微粒物质，所述柴油#^立转换器限定了从柴油 发动机延伸穿过DPC的废气通路，并且包括壳体、至少一个位于壳体中 的过滤芯以及电焚化系统，所述电焚化系统适于电连接至脉冲电源以用于 焚化收集在过滤芯中的煤烟。
根据本实用新型的另一特别的方面，本实用新型提供一种电焚化, 物质以清洁柴油发动机的废气的方法。本方法包括提供柴油微粒转换器 (DPC)，其具有壳体和至少一个位于壳体中的过滤芯，以及使柴油发动 机废气经由从柴油发动机延伸穿过DPC的废气通路。附聚的煤烟收集在 至少 一个过滤芯中。附聚的煤烟通过电连接到脉冲电源的电焚化系统焚 化。
本文的附图仅用于描述的目的，在任意情况下都并不意图限制本实用 新型的范围。
图1是根据本实用新型用于焚化柴油发动机废气微粒物质的,转换 器的纵向截面图，所示微粒转换器包括单个过滤芯。图2是沿图1的线2-2剖取的截面图。
图3是本实用新型微粒转换器的焚化器的一部分的详细截面图。
图4是用于本实用新型微粒转换器的直流供电系统的控制设置的示意图。
图5是用于本实用新型微粒转换器的脉冲直流电源的^Mt循环的示意 图，该微粒转换器包括多个过滤芯。
图6是与图l类似的纵向截面图，其示出根据本实用新型的包括多个 过滤芯的微粒转换器。
图7是沿图6的线7-7剖取的截面图。
图8是示出在典型的柴油发动机操作循环中发生有效焚化的概率的示 意图。
图9是示出在300。C-330。C焚化时的典型结果以及背压随时间相应降 低的示意图。
图10是用于柴油发动机的废气后处理系统的示意图，该系统示出柴油 微粒与柴油发动机工作地互联。
具体实施方式
以下描述的性质仅是示例性的，并非意在限制本实用新型、应用或用 途。应当了解，在所有附图中，相应的附图标记用以表示相同的或相应的 部件和特征。本文的说明和任意的具体示例虽然描述了本实用新型的实施 方式，但是它们仅是为了说明的目的而并非意在限制本实用新型的范围。 此外，对于具有所描述的特征的多个实施方式的描述并非意在排除具有其 它特征的其它实施方式或结合有所述特征的不同组合的其它实施方式。
总体地参见附图 一一其中所有视图中附图标记表示相同或相应的部 件，根据本实用新型构造的、所述系统的柴油微粒转换器(DPC)总体上
用附图标记io示出和标示。本实用新型的m^立转换器10可用于具有大量
的亚微米或纳米尺寸微粒的内燃发动机一一例如柴油发动机、压缩天燃气 发动机或液化天然气发动机。微粒转换器10可包括至少一个过滤芯12。 例如，图1示出了具有单个过滤芯12的微粒转换器10。图6示出了具有 多个过滤芯12的微粒转换器10。A. 过滤芯
具体参照图1和图2，示出,转换器10的过滤芯12安装在壳体14 中，并且通常可将进入的废气均匀地分配到由管状构件26限定的过滤芯的 内芯。就本实用新型来说，应当了解壳体14以及过滤芯12在壳体14内的 安装是常规的，因而在此不再另外描述。
图1示出过滤芯12与电源16工作地互联。该系统可包括排气通路中 的柴油氧化催化器(DOC)。如图所示，过滤芯12可结合有DOC。另夕卜， 过滤芯12通常可包括火花熄灭网20、复M属丝网附聚器22以及电焚化 器24。 DOC与发动机废气温度分布配合以产生充足的N02,用于焚化复 合金属丝网附聚器22、焚化器间隙45以及滞留屏42上游侧的煤烟结块上 的煤烟。
过滤芯12可包括限定入口 28和出口 30的大致管状构件26。例如来 自柴油发动机的未处理废气沿箭头A的方向通it^口 28引入过滤芯12。 过滤芯12可与流量分配器32互联。流量分配器32可安装在构件26中并 JJMt以引导未处理废气均匀地径向流动。流量分配器32可具有大致锥形 或柱形的形状。
管状构件26沿其长度方向的主要部分上可设置有孔以便于废气沿径 向流动。这种布置使得废气流速降低，可通过适当地选^^有效的过滤芯穿 孔长度来调节废气流速。
如能在过滤芯12的图2的截面图中最能具体地示出的，柴油氧化催化 器可以是过滤芯12的一体部件，并且可构造成一层或多层过滤网18。本 领域中所公知一种适当的过滤网18为密紋网。但是也可使用其它网。在本 说明书的其^MP分中，应当了解，在本实用新型的范围内，对密紋网的任 意引用均可替代以本领域所^^P的其它网材料。
径向多层的密紋网18可包括开口 ，设置开口的大小以将煤烟结块的积 聚限制到最小、并形成弯曲的流动路径以阻止和冷却高温的未燃烧燃料以 防止过滤芯12中的自燃。虽然可使用任意数量的径向设置的层，但是在特 定实施方式中，密紋网的层数可包括2到5个绕层。网18可涂敷有铂以加 强气体和网的催化部位之间的碰撞和交换。所述网还可具有例如铝的基面 涂层以增大催化表面积。替代地，贵金属催化剂能够通过电镀直接地施加 到金属网上。因此催化密紋网18用作柴油氧化催化器。但是，其一体地形成在同一过滤芯结构中。另外，网可通过烧结、铜焊或制造为限定出一个 刚性的金属丝网基体。
用刚性的金属丝网基体(编织的金属丝或切削的金属丝)制造的DOC 进一步增强了催化反应并且改善了性能。传统的DOC由金属或陶乾直流 通道构成，其能够达到每平方英寸200个通道或更多。这种小尺寸的流动 通道将废气流从湍流转换成层流状态。对于废气和催化部位之间的反应而 言，层流状态不是有效的。另一方面，刚性金属丝网基体加强了湍流并且 增加了局部湍流。这可增加催化作用、降低贵金属的施加量并且改善催化 性能。
催化网18可有利地通过减去零件以及在一些应用中解决空间限制来 降低成本。取决于废气温度，网18进一步提供了 HC和CO还原，以及将 NO緩速地转化为N02。 一体形成该网的最不利的影响涉及降低废气的温 度以防止过滤芯中的煤烟自燃，这降低了催化活性的效率。但是，降低峰 值温度可延长催化剂的寿命。
过滤芯12可另外包括呈中间网20形式的第二径向层。中间网可插在 密紋网18之后用作火花熄灭器。火花熄灭网20可与热稳定器互换地使用。 网20可选择成具有宽的开口以使煤烟积聚最小化并具有弯曲的流动通路 以冷却由催化^^应产生的任意过热区。在某种程度上，火花熄灭器20可用 作贵金属网18和复合金属丝网或金属丝网附聚器22之间的緩冲器，以明 显降低煤烟自燃的可能性。复合金属丝网介质22可位于火花熄灭器20之 后。在这方面，过滤芯12包括呈金属丝网附聚器22形式的第三径向层。
过滤芯12可另外包括径向地位于金属丝网介质22外侧的接地网36。 接地网36可限定较大的开口。例如接地网36可包括以复合金属丝网22 为中心巻绕的40x40平紋网。 一个或多个绕层是可接受的。网36可允许 附聚的微粒通过但又为捕集在焚化器24中的煤烟提供足够的接地电接触。
过滤芯12可另外包括陶资基隔离器40，其后是密紋网42。焚化器24 可由接地网36、隔离器40和密紋网42限定。贱金属催化剂44可也嵌入 在焚化器24内。陶瓷隔离器40的功能是通过建立固定间隙45来提供最外 面的密紋网42和接地网40之间的电绝缘。陶瓷隔离器40可采用陶瓷线或 陶瓷网的形式，并且应当提供宽的开口区域以允许在焚化器间隙45中形成 煤烟结块。焚化器间隙45可定义为网36和网42之间的径向歪巨离。
10间隙45的尺寸可选择成尽量小。在这个方面，最小的尺寸受到可能导 致电流短路的制ilX寸公差的限制。最小间隙尺寸可大约为0.01英寸(0.25 亳米)，尽管如果达到了更严格的制造公差则可采用更小的间隙。虽然增 大的间隙可能是不期望的，但是高达大约0.02英寸(0.5亳米)或更大的 尺寸间隙在一些应用中可能是可接受的。
密紋网42可选择成具有小的开口。在这个方面，这些开口可为大约 70微米的开口，以有效地捕获附聚的微粒并形成结块。来自复合金属丝网 介质22的附聚煤烟,的尺寸可达到100微米或更大。能够在密紋网的上 游侧容易地捕获这些大微粒。反复的试验证明煤烟积块的积聚厚度达到超 过0.5毫米。焚化器中低的废气速度有助于积块的形成。可选择导致不同
煤烟结块的正确捕获。始终保持小的结块厚度有利于增加煤烟过滤效率。
随着煤烟结块的继续积聚，其厚度增大，直到煤烟积块填满焚化器间 隙。虽然煤烟沉积并不完全均一，但是煤烟积块的密度随煤烟积聚而增加。 一旦煤烟积块接触接地网36，则会在两个配合网之间形成电阻。取决于煤 烟的填塞密度，电阻随着煤烟填塞的增加而降低。例如，在十/\英寸长和 三英寸的焚化器直径的过滤芯12上的电阻达到一或二欧姆。另外发现所测 得的相同煤烟积块的电阻随着废气温度增加而明显地减小，导致更快的焚 化。金属丝网附聚器22、焚化器间隙和滞留网42配合以限定一个用于收 集长时停留的煤烟的厚料层。
帮助煤烟积块焚化主要得益于施加到密紋网的电源和接电网导致煤烟 緩慢焚化。4吏用直流和交流电源两者进行试验，发现交流电源对开始和继 续焚化过程更为有效。发现对于小的焚化器间隙和高于200'C的温度而言 低电压是有效的。主要目标是使电源以普遍用于大多数汽车情形的12伏直 流电为基础。这导致脉冲电源的ib艮。但是更高的电源电压也是可接受的， 尽管超过60伏的电压可能是不期望的。
图6和7示出才艮据本实用新型的另一种微粒转换器10。图6和7的实 施方式与前述实施方式的不同之处在于其结合有多个过滤芯12。类似的附 图标记用以表示实施方式之间的类似元件。如图所示，#^立转换器10可包 括三个过滤芯12。但是应当了解，在本实用新型的范围内可^^用更多或更 少数量的过滤芯12。对于大的柴油发动机_一例如柴油发电机、机车和海 上设备等，过滤芯的数量根据需要可以是大的。B. 电源
转到图3和4，用于耀^立转换器10的电源可是直流电源16。直流电源 16可是12或24伏的直流电源。直流电源16可供给到断路器50。断路器 50可以是可变频率和占空比的断路器50，其输出供给到大电流输出装置 52。大电流输出装置52可电连接到焚化器密紋网42。
微粒转换器10可另外包括用于控制施加焚化电源的被动控制系统或 装置60。控制装置16可包括用于连续地监测焚化器24电阻的控制逻辑。 当焚化器电源切断时，另一包括大小为400至500欧姆的电阻的电路可与 焚化器电路串联掩^。此电路可用12伏直流电源供电，并且电量消耗可非 常小(例如接近0.1瓦特)。焚化器24电压的测量表示焚化器的电阻。高 的焚化器电压表示高的焚化器电阻，及^之亦然。当焚化器24电阻降到低于 预定值或设定阈值时，大电流输出装置52可触发以#^焚化器24。供应 脉冲直流电，并且高达大约30至40安培的电流可涌到焚化器24,焚化煤 烟积块。供电循环可持续预选的时间长度。预选的时间长度可以是小的， 例如约5分钟。在循环结束时，重新测量焚化器24的电阻，并且当其低于 设定的阈值时，立即开始另一供电循环，直到煤烟被焚化_一其通过焚化 器24的电阻增大到高于阈值来表示。尽管阈值取决于焚化器表面积，但典 型的电阻是0.5至1.0欧姆。大的表面积具有低的阈值，反之亦然。
电源可升级以用于多个过滤芯的情形 一 一其在大的柴油发动机中是典 型的。图5示出用于多滤芯微粒转换器10 (如图6和7中所示)的供电循 环。电源可以预定的时间(例如10分钟)顺序掩^过滤芯12，然后测量 一个过滤芯12处的电阻并且继续以启动新的供电循环或否。
C. 焚化过程和操作
在此所限定的焚化过程是一个緩慢的过程，其中所收集和存储在复合 金属丝网22、焚化器间隙45内和滞留网42上游侧上的煤烟都可氧化成无 毒物质，主要地是C02和H20。由于煤烟氧化放出的热量M气稀释。存 在四个可有助于焚化过程顺利完成的因素。这些因素可包括l)适中的废
气温度；2 )微量N02的产生；3 )在焚化器中釆用贱金属催化剂；以及4) 脉冲直流辅助电源。所述四个因素的组合可有助于在柴油发动机的几乎所 有驱动/操作循环中都实现高统计概率的有效焚化。总体效应是实现所收集 和所焚化的煤烟之间的平衡。过量煤烟收集或过量煤烟焚化这两种情况都是不期望的。应当了解，本实用新型可用于多种不包括所有这四种因素的
系统。在低达200r:的温度时，发生焚化但是焚化速度低得多。在接近350'c 的温度时，完全的焚化通过存在贱金属催化剂和N02实现。当废气温度达 到350'C时，不需要电焚化，并且因此电源断路器自动切断。在一些于转 换器入口处常常具有350。C的废气温度读数的应用中，这可有效地将燃料 消耗降低到一个低的程度一一估计为0.1%。
虽然电源可提供充分的热量以维持焚化，但是低的废气温度(例如大 约IOO"C )使得焚化非常慢并且不充分。这种长时间的一_例如30至50 小时_一发动枳^Mt情况的发生概率4艮低。在实际生活中，由于长时间的 ^^气温度引起的有效焚化不足可导致过滤芯背压的增加。如果这种情况 进一步延长，则焚化器上大的煤烟微粒通过焚化器密紋网被释放到大气中 以释放一部分高的背压。这些释放的,的尺寸大，并且落在PM 10和 1^2.5的限定范围之外，这样，它们不构成限定的微粒污染。另外，在这 种低概率事件下微粒转换器不会干扰发动机操作，在大多数过滤介质中也 不会导致堵塞。
复M属丝网<^质22和焚化器24的賴Uf立存储量是大的。这使得与陶 瓷捕集器相比，过分不正常的发动g作情况一一例如长时间空转或低发 动机栽荷一一对发动机性能的影响较不严重。 一旦发动机载荷增加且废气 温JL^过300'C，则"到正常的背压。
应当注意，呈脉冲直流形式的电量消耗专门地用于加热煤烟，并且在 存在02和N02的情况下，其使得焚化机制有效。但是，可能会遭遇电热 损失，因为1)废气流冷却效应以及2)焚化器局部的电阻相对较高，所导 致的电流是低的、并且进而焚化变慢。通过持续地监测焚化器电阻，当焚 化概率高时脉冲电源自动地接通。这将电量消耗限制到非常低的程度，在 大多数汽车情形下，估计的燃料消耗为约0.1%。当在转换器入口处废气温 度达到300'C、最大高达375'C时一一这在大多数汽车情形中是4艮常见的， 用N02来氧化煤烟就足以连续地清洁所积聚的煤烟而无需电力辅助。通常 假设在10-20%的时间中会出现这种300-375。C的温度。在低于300。C的驱 动循环中，随着需求升高，电源将自动地辅助焚化。
贱金属催化剂以金属丝或网的形式实施，并可应用例如铁、铜、钒、 钙、镁等单种元素或其化合物。催化剂可呈绕线的形式，或者呈绕在陶瓷 线或网(未图示)上游的网的形式。贱金属催化剂的选择是其能够在这种
13此，催化剂网的厚度应当非常小以使焚化器间
隙的总厚度最小化。此标准使得金属催化剂的厚度最优选为约0.005英寸 (O.l毫米)。贱金属催化剂对于降低煤烟点燃温;^bl有效的，从而非常有 助于焚化过程。
转到图10的示意图，示出的是用于根据本实用新型构造的柴油发动机 的后处理系统IOO。示出系统100与柴油发动机102工作地互联。柴油发 动机102可是任意类型的，但特别地可包括具有高废气温度分布的柴油发 动机。
柴油发动机废气可通过冷却管103引入到系统100。辐射冷却管103 可设计成将最大温度限制到一个中等的程度。在这个方面，约700。C-75(TC 的废气温度可降低到例如大约400'C。
经历瞬态操作模式的发动机一一例如汽车的情形一 一可结合具有高热 惯性的热稳定器。在这个方面，热稳定器104可设置用于调平废气温度波 动。这种稳定器可由具有足够重量的烧结编织金属线构成以提供高的热惯 性、高的透过性以减小压降，以及提供良好的导热性以减小温度波动。编 织的金属丝能够以加热和冷却两种方式快速地与废气交换热量。结果，波
动和瞬态的废气温度J^值和^i变平并平均化。这导致对焚化更有利的废
气温度分布，因为峰值温度可导致焚化失控而低温则不能提供焚化。在本 文没有另外说明的情况下，热稳定器104将被理解为传统的热稳定器。
系统100可包括至少一个冷却设备，该冷却设备选自用于将环境空 气注入废气中的鼓风机、用于将水注入废气中的泵、以及通过调制空气风 扇操作的废勺外界空气热交换器。在这个方面，可设置鼓风机105以将外 部冷空气注入到柴油氧化催化器107的前方。鼓风机105可用下述方式控 制以有效地焚化和有效地操作发动机。简言之，根据需要，在需要煤烟积 聚循环时，鼓风机105可由电控模块106致动。如下面将描述的，鼓风机 105可才艮据柴油 转换器110的压力以及转换器110的进气温度由电控 模块106控制。
一些柴油发动机的特征在于具有高温废气分布，其在与高度活性的柴 油氧化催化剂(DOC)耦联时能够提供高效、持续但间歇的焚化。例如， 某些氧化催化剂能够在150。C至175"的废气温度时4C供25%的NO至 N02的转化效率。这种转化效率能够提供足够的焚化。在更高的废气温度
14。过度的焚化可导致聚积效率的降低。因 此，期望提供控制焚化过程的装置以确保对于操作于瞬态及稳态条件下的 发动机而言煤烟聚积效率和相关的背压维持在最优的状态下。
如所述的，系统100可包括用于控制废气温度的^Jt控制系统。>^馈
控制系统可包括基于在给定的发动机RPM以及转换器入口温度下将背压 维持在最优水平的闭环控制逻辑。在这个方面，反馈控制系统可基于包括 DPC的压降、DPC前方的温度和发动机RPM等的因素来控制废气温度。
给定发动机操;条件一二例如转换器前方"温度和发动"RPlvi^~—下测
量到的压降需要转换成参考压降数据。这种参考压降数据可提供于特定温 度和发动机RPM下的查阅表中。为了评估的目的，将所计算的压降与参 考M下的等效压降相比较。
最优转换器条件是以最佳的煤烟减少效率和合理的压降为基础的，其 可通过映射来建立。废气冷却控制的几种替代方案也是可接受的。例如， 注入例如外界空气或水等冷的流体可以是有效的。替代地，通过提供废气 对流冷却的调制空气风扇来操作的废勺外界空气热交换器也是有效的。
ECU (电子控制单元)106可响应于第一信号操作，以控制用于引入 冷却空气的鼓风机105。第一信号可响应于预定压力而产生。通过压力传 感器109在柴油微粒转换器110的两侧测量这个压力。柴油^bf立转换器可 与上述的类似。如果背压低于目标压力，则柴油微粒转换器允许煤烟积聚。 这通过启动冷却模式来限制焚化而实现。另一方面，如果背压高于目标压 力，则通过停止冷却模式来允许焚化，直到背压达到目标背压。实际背压 与目标背压的高达10%的波动是允许的。这样，这种控制过程类似于恒温 控制功能。
目标控制功能通过允许焚化发生或将焚化抑制/限制到最小来实现。这 通过将废气冷却到最低水平以使得煤烟积聚来实现。替代地，可增加废气 温度以提供最大的焚化。 一种有效、简单的方法是用鼓风机105将外界空 气在DOC 107前方注入到废气中。可调制所注入的空气以获得最大的效 率。当使用热稳定器时，鼓风机的响应时间变得较不重要，因为废气温度 的波动是小的。注入空气的量占废气的一小部分，例如通常小于10%。
系统100可包括用于测量DPC 110前方的废气温度的安全特征，以确保在任意发动机操作条件下的最高废气温度都不超过特定的阈值一一该 阈值会导致不受控的焚化。在这个方面，监测转换器前方的温度，并将之
与预设的温度相比较。信号可通过位于DPC 110进口处的温度传感器108 响应于预定的入口温度来产生。当废气温度高、并且所导致的因煤烟焚化 而^ii的热量为高时，综合效果有可能导致加速的或失控的焚化(相当于 失控的再生)。当这种温度^Ht出现时，不论转换器110的背压如何，总是 通过鼓风机注入最大的空气以降低温度，直到转换器110前方的废气温度 达到安全阈值。
在操作中，可通过监测DPC的压降、监测DPC前方的温度信号和发 动机RPM来操作反馈控制系统以提供有效的焚化。及Jt控制系统可计算 在给定发动机操作条件下的具体压降并且将其与阈值数据比较。例如，阈 值数据可从查阅表中获得。在这个方面，当监测的具体压降低于预定的具 体压降时、以及当监测的温度高于预定的温度阈值时，反馈控制系统可以 操作以控制废气冷却功能。
在多个示例中，本实用新型提供了一种DPC，其为一种被动设备，在 发动机废气系统附近没有主动部件、传感器和电子部件。整个系统的操作 可完全独立于发动机操作。该系统对亚微米和纳米^可具有达到95至 99%的非常高的附聚效率。大部分这些附聚微粒被焚化成无毒的副产物。 如同本领域类似设备的情形， 一些微粒逸出到尾管。在它们的尺寸对于PM 10标准而言超过10微米、对于PM 2.5标准而言超过2.5微米的情况下， 这种微粒的尺寸是大的，并且不构成微粒污染。结果，转换器具有两组微 粒减少效率，即测量效率(基于总逸出微粒)和认可效率(基于PM10/PM2.5 标准)。
在此描述的系统可进一步包括将离开DPC的废气流体连接到柴油发 动机的废气再循环(EGR)系统、以及一个阀，以选择性地将废气从DPC 转向EGR系统，其中注入到发动机进气口中的废气已被低温冷却并且基 本上清除了任意易逸出的微粒。增加这种系统称作低压EGR系统。与高 压EGR系统相比，这种系统提供非常好的性能，因为低压EGR系统提供 对气体的清洁和低温冷却，而高压系统则不能实现这些功能。EGR系统可 基本上类似于美国专利No. 7,266,943中所述的ERG系统。在此通过参引 的方式将美国专利No. 7,266,943在的全文结合入本文中。
虽然已经在说明书中描述了具体的示例并示于附图中，但是本领域的技术人员应当了解可作出多种改变，并且可使用等同元件来代替其元件而 不背离由权利要求限定的本实用新型的范围。另外，在此可清楚地想到各 示例之间的特征、元件和/或功能的混合和配合，使得本领域的技术人员将 通过本实用新型了解到 一个示例的特征、元件和/或功能可适当地结合到另 一个示例中，除非上文另外地说明。此外，可作出许多改型以使具体的情 况或材料适于本实用新型而不背离本实用新型的实质性范围的情况下。因 此，本实用新型不被附图中所示、说明书所述、作为目前想到的执行本实 用新型的最佳实施方式的具体示例所限制，相反地，本实用新型的范围将 包括任意落在上文的描述或任意所附的权利要求的范畴内的实施方式。
权利要求1. 一种用于收集和焚化微粒物质以清洁柴油发动机的废气的系统，所述系统包括柴油微粒转换器(DPC)，其具有壳体以及至少一个位于所述壳体中的过滤芯；柴油氧化催化器(DOC)，其位于废气通路中；至少一个废气冷却设备，其用于控制废气温度；其特征在于反馈控制系统，其用于根据所述DPC的压降、所述DPC前方的温度和发动机RPM来调节和控制废气温度。
2. 如权利要求l所述的系统，其中所述过滤芯包括至少一个第一径向金属丝网层，其厚度为15mm到25mm、限定复合 金属丝网附聚器；以及至少一个滞留网，其绕所述金属丝网附聚器的外部径向地构造以捕集 和保持附聚的煤烟。
3. 如权利要求l所述的系统，其中所述过滤芯包括金属丝网附聚器和 多个滞留网，且其中所述DOC与发动机废气温度分布配合而产生足够的 N02，用于焚化复合金属丝网附聚器和滞留网上的煤烟。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述DOC由烧结的金属丝网基体 构造，以提供废气的低压降、高混合和紫流条件，从而能够施加少量的贵 金属。
5. 如权利要求2所述的系统，其中所述复^T属丝网附聚器和所述滞 留网配合以提供厚料层，用于使所收集的煤烟具有长的停留时间。
6. 如权利要求l所述的系统，其中所述反馈控制系统操作以监测废气温度并响应于预定M提供冷却，所述系统还包括至少一个冷却设备，所述冷却设备选自用于将环境空气注入废气通路中的鼓风机、用于将水注 入废气通路中的泵、以及通过调制空气风扇操作的废气/外界空气热交换 器。
7. 如权利要求1所述的系统，进一步包括位于废气通路中处于所述 DOC前方的热稳定器，以将温度降到低于400X:并增加N02的焚化频率。
8. 如权利要求7所述的系统，其中所述热稳定器包括具有高导热性、 高热惯性和高透过性的金属丝网。
9. 如权利要求8所述的系统，其中所述金属丝网是刚性金属丝网基体。
10. 如权利要求l所述的系统，其中所述过滤芯包括至少一个包括所述DOC的第一径向层；至少一个限定火花熄灭网的第二径向层；至少一个限定复^r属丝网附聚器的第三径向层；以及至少一个滞留网，其绕所述金属丝网附聚器的外部径向地构造以捕集 附聚的煤烟。
11. 如权利要求6所述的系统，其中所述反馈控制系统操作以通过监 测所述DPC的压降信号、监测所述DPC前方的温;^信号和发动机RPM、 计算在给定发动机操作状态下的具体压降以及将所述具体压降与阈值作 比较来提供有效的焚化。
12. 如权利要求l所述的系统，进一步包括将离开所述,转换器的 废气流体连接到柴油发动机的废气再循环(EGR)系统以及阀，以选择性 地将废气从所述#^转换器转向EGR系统，其中注入到发动机进气口中的废气已被低温冷却并且基本上清除了任意易逸出的杂质。
专利摘要一种系统，其用于收集和焚化微粒物质以清洁柴油发动机的废气。所述系统包括柴油微粒转换器(DPC)，其具有壳体以及至少一个位于所述壳体中的过滤芯。废气通路从柴油发动机延伸穿过DPC。柴油氧化催化器(DOC)位于废气通路中。设置至少一个用于控制废气温度的废气冷却设备。反馈控制系统根据DPC的压降、DPC前方的温度和发动机RPM来控制废气温度。上述系统可应用于作为柴油和天然气发动机的后处理装置。
文档编号F01N3/023GK201265441SQ20082011532
公开日2009年7月1日 申请日期2008年5月26日 优先权日2007年5月25日
发明者里法特·卡梅尔 申请人:里法特·卡梅尔