專利名稱：柴油機(jī)碳煙微粒過濾體紅外再生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柴油機(jī)排放碳煙微粒過濾器的再生裝置，尤其是利用紅外技術(shù)對(duì)壁流式陶瓷過濾器進(jìn)行再生的裝置。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)碳煙微粒過濾體再生技術(shù)有以下幾種A、大負(fù)荷再生柴油機(jī)在高速大負(fù)荷時(shí)，或通過某種節(jié)流方法控制柴油機(jī)的進(jìn)排氣量排氣溫度可以達(dá)到排氣溫度500℃以上，在此溫度下，沉積在過濾器內(nèi)的微?？勺孕腥紵?，從而達(dá)到過濾體再生的目的。這種方法比較簡(jiǎn)單，但是汽車柴油機(jī)在實(shí)際使用中很少在這樣的工況下工作，而節(jié)流使柴油機(jī)在再生過程中動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有很大程度的下降，并且由于節(jié)流，使得氣缸頭、活塞、閥門等部件的熱負(fù)荷增加，對(duì)柴油機(jī)的壽命造成了不利的影響。
B、催化再生催化再生技術(shù)是利用化學(xué)催化的方法降低微粒的反應(yīng)活化能，使其能在柴油機(jī)正常排氣溫度下進(jìn)行燃燒，實(shí)現(xiàn)微粒過濾器的再生。在再生過程中，過濾體所受到的熱負(fù)荷較小，因此提高了過濾體的壽命及工作可靠性。一些金屬、金屬鹽、金屬氧化物以及稀土復(fù)合金屬氧化物等催化劑對(duì)降低柴油機(jī)碳煙微粒的著火溫度和轉(zhuǎn)化有害氣體均有很大作用。催化再生技術(shù)主要有兩種一種是將催化劑提前浸漬在過濾體上，以降低過濾體上微粒的活化能，但由于固體微粒與催化劑的接觸反應(yīng)極不均勻，因此很難進(jìn)行完全再生。另外，由于柴油機(jī)排氣中的微粒含量很大，隨著時(shí)間的進(jìn)行，催化劑的作用會(huì)逐漸減弱或完全消失，即催化劑中毒，從而影響到過濾體的有效再生和對(duì)其它有害氣體的催化凈化效果；另一種再生技術(shù)是采用燃油添加劑，即在燃油中加入金屬有機(jī)物，燃燒后生成的金屬氧化物對(duì)微粒起催化作用，使微粒著火溫度降低，從而在較低的排氣溫度下，不需外部能源，過濾體能自行再生。但是，燃料添加劑的燃燒產(chǎn)物金屬氧化物隨排氣流經(jīng)過濾器時(shí)，有一部分會(huì)沉積下來，積累在過濾體上的添加劑金屬燃燒產(chǎn)物會(huì)堵塞過濾體孔隙，縮短過濾器使用壽命。若沉積物過多，背壓上升，就會(huì)影響柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，這個(gè)問題目前只能通過定期更換過濾體來解決。排入大氣中的金屬漂塵又會(huì)引起二次污染。催化劑的抗中毒性、熱穩(wěn)定性以及二次污染等問題目前還沒有真正得到很好地解決。由于我國(guó)柴油中的硫含量在2000ppm以上，遠(yuǎn)高于金屬催化劑所要求的硫含量(低于50ppm)標(biāo)準(zhǔn)，因此催化再生技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用還需要一段時(shí)間。
C、噴油助燃再生噴油助燃再生技術(shù)發(fā)展得較早，因此相對(duì)也比較成熟。該再生技術(shù)是通過一套專門的系統(tǒng)，適時(shí)地向過濾體上游空間噴入一定量的燃油和供給一定的空氣，由點(diǎn)火系統(tǒng)將噴入的燃油點(diǎn)燃，使過濾體的溫度上升，微粒著火燃燒，以實(shí)現(xiàn)過濾體的再生。再生系統(tǒng)很復(fù)雜，造價(jià)昂貴，而且容易出故障。為保證過濾體的成功再生，要求再生燃燒器具有點(diǎn)火可靠、燃燒完全、火焰分布均勻等特點(diǎn)。如點(diǎn)火失敗，將使燃料沉積在過濾體上，引起二次沉積和污染，并且容易引起爆燃。燃燒不完全會(huì)使再生時(shí)排氣冒煙，也會(huì)導(dǎo)致二次污染。
D、電加熱再生電加熱再生技術(shù)與噴油助燃再生技術(shù)相類似，只不過以電能代替噴油燃燒熱能加熱空氣或廢氣，以實(shí)現(xiàn)對(duì)過濾體的再生。這種再生技術(shù)對(duì)電功率要求比較高，一般需要1、5-3KW。為了有效地利用電能，一般都采用廢氣旁通裝置。電自加熱再生是利用具有高導(dǎo)電性能的結(jié)晶SiC作為過濾材料，當(dāng)需要再生時(shí)，將過濾體作為電加熱元件直接對(duì)其通電加熱，使沉積其上的碳煙微粒升溫燃燒，實(shí)現(xiàn)過濾體自身的再生。因此這種再生技術(shù)系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，可控性好，并且在柴油機(jī)任何工況下都能對(duì)過濾體進(jìn)行可靠的再生。電加熱再生對(duì)車用電源的要求很高，在車用過程中需要解決耗電量高的問題，結(jié)晶SiC的制造工藝復(fù)雜，成本高。
E、反吹再生為了提高柴油機(jī)微粒過濾及再生系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，將微粒的燃燒與過濾體分離是一個(gè)有效的途徑。近年來提出了一種新的有別于一般再生過程的再生技術(shù)，即反吹再生技術(shù)。該再生過程的最大特點(diǎn)是能將過濾體與微粒燃燒分開，因此該系統(tǒng)不存在過濾體由于微粒燃燒發(fā)熱而產(chǎn)生爆裂和燒熔等問題，另外也解決了不燃物質(zhì)在過濾體內(nèi)累積的問題。當(dāng)過濾體需要再生時(shí)，壓縮空氣從過濾體出口高速噴入，將微粒從過濾體表面清除，并落入微粒漏斗。收集在漏斗內(nèi)的微粒由漏斗內(nèi)的電加熱器連續(xù)燒掉。反吹壓力過高對(duì)過濾體有機(jī)械損害，反吹壓力低則清理不掉過濾體上膠質(zhì)排放物。
F、微波加熱再生微波加熱再生則是利用微波所獨(dú)具的選擇加熱及體積加熱特性，對(duì)沉積在過濾體上的對(duì)微波具有極強(qiáng)吸收能力的微粒以及過濾體本身進(jìn)行加熱，使微粒迅速燃燒。微波再生時(shí)在過濾體內(nèi)部形成空間分布的熱源，對(duì)過濾體進(jìn)行體積加熱。這種體積加熱方式可以使沉積在過濾體內(nèi)部的微粒就地吸熱、著火、燃燒，過濾體內(nèi)的溫度梯度小，因而減少了熱應(yīng)力引起過濾體破壞的可能。但是由于有體積加熱特性，微粒迅速燃燒，造成瞬間放熱量大，再生溫度難以控制，容易使過濾體燒熔。另外，微波再生需要高壓逆變電源、微波發(fā)生器及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜成本比較高，微波泄漏也是必須考慮的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的再生技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種紅外再生技術(shù)，該再生技術(shù)可以使再生過程的溫度容易控制，達(dá)到再生過程安全，可靠，迅速，節(jié)能，再生效率高。同時(shí)由于紅外裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性好。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種柴油機(jī)排氣微粒過濾體紅外再生裝置，包括在過濾再生腔內(nèi)的過濾體，其特征在于由低電壓加熱元件、紅外輻射器、消音裝置組成，低電壓加熱元件安裝在紅外輻射器上。紅外輻射器安裝在過濾體前端、消音裝置安裝在過濾后端，柴油機(jī)排氣管后接再生腔。
所述低電壓加熱元件可利用車載蓄電池或車載發(fā)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)1000～2000W的電熱轉(zhuǎn)換。
所述紅外輻射器其特征在于紅外輻射器可以將低電壓元件發(fā)出的熱能轉(zhuǎn)換成紅外輻射，紅外輻射的溫度將達(dá)到600～1000℃。
所述紅外輻射器其特征在于燒結(jié)的輻射分體基料為NMn2O4，其中N為Co，Cu，F(xiàn)e，Mn，或?yàn)镸Fe2O4，其中M為Mn，Co，Cu，Cr，F(xiàn)e。
所述紅外輻射器其特征在于所述紅外輻射器在600～1000℃使用溫度范圍內(nèi)有高的發(fā)射率，即在1～5μm的波段具有高的發(fā)射率。
所述紅外輻射器其特征在于所述紅外輻射器上分布有許多通道，用于廢氣流通。
所述紅外再生裝置電源可采用車上蓄電池或發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明的原理為紅外輻射加熱方式與其它加熱方式(熱風(fēng)導(dǎo)熱和微波輻射加熱等)相比較，能直接加熱受熱體，縮短受熱體加熱到所需溫度的時(shí)間，減少能量消耗，可以較為方便的控制輻射通量的空間分布使加熱均勻，優(yōu)化加熱效果。從實(shí)用的角度，紅外輻射加熱裝置簡(jiǎn)單可靠使用壽命長(zhǎng)是尤為重要的。紅外輻射加熱的這些優(yōu)點(diǎn)跟其加熱機(jī)理有密切的關(guān)系。從紅外輻射加熱的機(jī)理上來講當(dāng)輻射源的輻射波長(zhǎng)與被輻射物的吸收波長(zhǎng)相一致時(shí)，后者就吸收了大量紅外能從而改變和加劇其分子的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到發(fā)熱升溫加熱的作用。這種升溫的由來由光譜學(xué)的分析可知，物質(zhì)的分子在吸收光子后可使光子的能量完全轉(zhuǎn)變成為分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量，而當(dāng)物質(zhì)分子吸收了紅外輻射能后也可使分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量發(fā)生改變，吸收的能量使得分子運(yùn)動(dòng)加劇導(dǎo)致晶格鍵團(tuán)的振動(dòng)和相互間的碰撞也加劇這種運(yùn)動(dòng)狀況的變化，猶如兩個(gè)快速運(yùn)轉(zhuǎn)的物體加快了摩擦生熱而達(dá)到發(fā)熱升溫，所以其升溫的速度很快而且能量效率高。
從紅外加熱的角度，一般將0.75～2.5μm的波長(zhǎng)范圍劃為近紅外區(qū)；2.5～1000μm波長(zhǎng)范圍為遠(yuǎn)紅外區(qū)；對(duì)絕大多數(shù)物質(zhì)，80％遠(yuǎn)紅外輻射能集中在2.5～15μm波長(zhǎng)區(qū)間，因此這個(gè)區(qū)間是遠(yuǎn)紅外的實(shí)效區(qū)。15μm以上的區(qū)間為微效區(qū)，也稱為極遠(yuǎn)紅外區(qū)。對(duì)黑體的計(jì)算可知，1027℃時(shí)遠(yuǎn)紅外區(qū)的能量占總輻射能的64％，近紅外占34％。由此對(duì)于600～1000℃的中高溫區(qū)，希望紅外輻射波長(zhǎng)在1～5μm的發(fā)射率高。
柴油機(jī)排放的碳煙是一種物理化學(xué)性質(zhì)與碳黑相似的物質(zhì)，因此碳煙微粒是接近于理想黑體的物質(zhì)，其對(duì)紅外全波段有很高的吸收率。而過濾陶瓷對(duì)紅外的吸收率，尤其對(duì)0.7～4μm波長(zhǎng)的吸收率只有0.3～0.4(溫度從100至800℃)，因此，紅外輻射可以直接對(duì)碳煙加熱，減少能量的損失，縮短加熱時(shí)間。碳煙在溫度達(dá)到580℃以上時(shí)，發(fā)生氧化燃燒，達(dá)到再生的目的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、紅外輻射加熱碳煙的電能利用率高，再生時(shí)間短；2、由于紅外輻射加熱沿過濾體徑向分布均勻，使過濾體沿徑向的溫度梯度小，降低過濾體的熱應(yīng)力延長(zhǎng)過濾體的使用壽命；3、由于紅外輻射的能量延徑向分布均勻，再生效率比較高；4、再生過程容易優(yōu)化控制，達(dá)到再生效率、再生溫度分布、再生時(shí)間、再生能耗幾項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化；5、再生裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，成本低。
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明


附圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式
柴油機(jī)紅外再生裝置由進(jìn)氣管1、過濾再生腔3、低電壓加熱元器件4、紅外輻射器5、過濾體6、消音裝置7組成。紅外再生裝置的進(jìn)氣管1接到柴油機(jī)排氣管。按照廢氣流動(dòng)方向，低電壓加熱元件4、紅外輻射器5安裝在過濾體前端，消音裝置7安裝在過濾后端。低電壓加熱元件4安裝在紅外輻射器5上。紅外再生裝置的功率為1000W～2000W，電源由車上的蓄電池或發(fā)電機(jī)供電，由接線柱2和接線柱8接入。低電壓加熱元件4由鎳合金電阻片制成，安裝在紅外輻射器5的槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)利用車載蓄電池或發(fā)電機(jī)的電能對(duì)紅外輻射材料進(jìn)行1000～2000W功率的均勻加熱。紅外輻射器上燒結(jié)輻射分體基料為NMn2O4，其中N為Co、Cu、Fe、Mn，或?yàn)镸Fe2O4，其中M為Mn、Co、Cu、Cr、Fe。紅外輻射材料在低壓加熱元件的加熱下，產(chǎn)生1～5μm波長(zhǎng)的強(qiáng)輻射，對(duì)過濾體上靠近紅外輻射器一端的碳煙加熱，加熱溫度達(dá)到600～1000℃。低電壓加熱元器件4及紅外輻射器5緊靠過濾體6。紅外輻射器5上分布有許多通氣道，用于廢氣流通。
本發(fā)明的工作過程柴油機(jī)排氣通過紅外再生裝置的進(jìn)氣管進(jìn)入過濾再生腔3，在過濾體過濾階段，低電壓加熱元件不通電，廢氣通過紅外輻射器、過濾體及消音裝置排入大氣。當(dāng)過濾體需要再生時(shí)，低電壓加熱元件通電，在電壓加熱元件的加熱下，紅外輻射器產(chǎn)生波長(zhǎng)主要為1～5μm的強(qiáng)紅外輻射，其輻射能對(duì)過濾體靠近紅外輻射器端面的碳煙進(jìn)行加熱，使過濾體一端沿徑向分布的碳煙溫度達(dá)到580℃以上，將過濾體上靠近紅外輻射器端徑向截面的碳煙同時(shí)點(diǎn)燃，點(diǎn)燃的碳煙的燃燒界面在廢氣、碳煙燃燒放出的熱量及紅外輻射能量的作用下向另一端迅速移動(dòng)，當(dāng)燃燒截面達(dá)到過濾體的另一端面時(shí)，過濾體內(nèi)的碳煙全部燃燒，再生結(jié)束。過濾體紅外再生的優(yōu)化控制用紅外功率、燃燒截面的氧氣濃度、廢氣流量等參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種柴油機(jī)排氣微粒過濾體紅外再生裝置，包括在過濾再生腔內(nèi)的過濾體，其特征在于由低壓加熱元件、紅外輻射器、消音裝置組成，低電壓加熱元件、紅外輻射器安裝在過濾體前端，消音裝置安裝在過濾后端。低電壓加熱元件安裝在紅外輻射器上。再生過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)排氣微粒過濾體紅外再生裝置，其特征在于低電壓加熱元件可利用車載蓄電池或車載發(fā)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)1000～2000W的電熱轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)排氣微粒過濾體紅外再生裝置，其特征在于所述紅外輻射器上燒結(jié)輻射分體基料為NMn2O4，其中N為Co、Cu、Fe、Mn，或?yàn)镸Fe2O4，其中M為Mn、Co、Cu、Cr、Fe。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)排氣微粒過濾體紅外再生裝置，其特征在于所述紅外輻射器上分布有許多通氣道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)排氣微粒過濾體紅外再生裝置，其特征在于低壓加熱元件安裝在紅外輻射器上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)排氣微粒過濾體紅外再生裝置，其特征在于所述紅外再生過程由紅外輻射功率、再生廢氣流量等參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制來實(shí)現(xiàn)再生過程優(yōu)化。
全文摘要
一種柴油機(jī)排氣微粒過濾體再生裝置，特別涉及一種利用紅外對(duì)陶瓷過濾體進(jìn)行再生的過濾體紅外再生裝置。包括在過濾再生腔內(nèi)的過濾體，其特征在于由低壓加熱元件、紅外輻射器、消音裝置組成，低電壓加熱元件、紅外輻射器安裝在過濾體前端，消音裝置安裝在過濾后端。低電壓加熱元件安裝在紅外輻射器上。紅外再生過程由紅外輻射功率、再生廢氣流量的動(dòng)態(tài)控制來實(shí)現(xiàn)再生過程優(yōu)化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，再生過程易控制，再生時(shí)間短再生效果好且實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)F01N3/027GK1414223SQ02131430
公開日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2002年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月14日
發(fā)明者高希彥, 王憲成 申請(qǐng)人:高希彥, 王憲成