專利名稱：基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)，特別涉及一種基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置的結(jié)構(gòu)。
柴油機(jī)排氣微粒的細(xì)小除了增加其對環(huán)境及人體健康的危害，同時(shí)給微粒的凈化捕集帶來極大的困難。在目前最主要的柴油機(jī)微粒捕集方法——過濾方法中，由于柴油機(jī)微粒的細(xì)小，為提高微粒過濾捕集效率，常需將過濾體的微孔徑做得很小，過濾體非常密實(shí)，這無疑顯著增加了柴油機(jī)的排氣阻力。
由于柴油機(jī)微粒對環(huán)境及人體健康的危害，國內(nèi)外近二十年來一直沒有放棄對柴油機(jī)微粒凈化技術(shù)的研究，研究的內(nèi)容包括機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外后處理技術(shù)。機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要是通過改善柴油的燃燒以降低微粒的排放；機(jī)外后處理技術(shù)研究的主要重點(diǎn)則是柴油機(jī)微粒的各種捕集技術(shù)，主要是微粒的過濾技術(shù)和催化氧化技術(shù)等。
在目前的柴油機(jī)排氣微粒凈化技術(shù)的研究中，還很少涉及到通過采用改善柴油機(jī)微粒粒徑分布的方法來降低柴油機(jī)微粒對環(huán)境及人體健康的危害以及提高微粒過濾捕集效率和降低過濾捕集過程中的排氣阻力。只有在柴油機(jī)微粒靜電捕集技術(shù)中，間接含有改善柴油機(jī)微粒粒徑分布的思想。它是利用使微粒在高壓放電過程中的荷電來促使微粒在電場作用下發(fā)生凝并，以此提高微粒的捕集效率。(“柴油機(jī)排氣微粒靜電金屬絲網(wǎng)捕集器的試驗(yàn)研究”，《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》，2000，18(2)；“Electrostatic Precipitation of Carbon Soot from DieselEngine Exhaust”，IEEE，1983，19(6))。柴油機(jī)微粒靜電捕集中采用的利用高壓放電荷電促使微粒凝并的技術(shù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要價(jià)格昂貴的高壓放電電源，安全性、可靠性難以保證，因此應(yīng)用受到極大的限制。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在裝置殼體中，排氣入口管、前排氣擴(kuò)張腔、芯體、后排氣擴(kuò)張腔以及排氣出口管順序連接；排氣入口管、前排氣擴(kuò)張腔、排氣分流管束、后排氣擴(kuò)張腔以及排氣出口管的外部是前冷卻水?dāng)U張腔、芯體內(nèi)的冷卻水通道以及后冷卻水?dāng)U張腔；芯體由排氣分流管束、排氣前分流板、前均流板、外均流板、內(nèi)均流板、后均流板以及排氣后分流板組成；排氣分流管束穿過前均流板、外均流板、內(nèi)均流板及后均流板；排氣分流管束的兩端分別固定在排氣前分流板和排氣后分流板上；芯體由前均流板、外均流板以及后均流板支撐在裝置殼體內(nèi)。
在柴油機(jī)排氣排入大氣之前，使其進(jìn)入基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置。在排氣擴(kuò)張腔內(nèi)，通過排氣前分流板的分流使排氣均勻進(jìn)入緊密橫向平行排列的薄壁小孔金屬排氣分流管束。進(jìn)入排氣分流管束內(nèi)的排氣在流動過程中被管外的冷卻水所冷卻；在排氣的冷卻過程中，依據(jù)下述的三個方面的科學(xué)原理，排氣分流管束內(nèi)的排氣微粒分布得到改善。流出排氣分流管束的排氣在排氣擴(kuò)張腔內(nèi)穩(wěn)流后經(jīng)排氣管排出。
基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置改善柴油機(jī)微粒分布的技術(shù)方案所依據(jù)的科學(xué)原理有三點(diǎn)(a)排氣分流管束內(nèi)的排氣在流動過程中被管外的冷卻水所冷卻；由于排氣中含有大量的氣態(tài)碳?xì)?，?dāng)排氣中氣態(tài)碳?xì)涞姆謮撼^其飽和壓力時(shí)，必然有大量的氣態(tài)碳?xì)淠Y(jié)到微粒表面或以液態(tài)微粒的形式出現(xiàn)，柴油機(jī)微粒起到了凝結(jié)核的作用；氣態(tài)碳?xì)湓诓裼蜋C(jī)微粒表面的凝結(jié)必然會增加微粒的質(zhì)量和粒徑，同時(shí)使微粒具有更大的粘性；(b)不同質(zhì)量、不同大小的柴油機(jī)微粒在脈動的湍流排氣中的速度和相位不同，從而促使微粒間發(fā)生相互碰撞；由于微粒表面的高粘性，相互碰撞的微粒將凝并在一起，使微粒粒徑變大、質(zhì)量增加、個數(shù)減少。(c)由于排氣分流管束外的冷卻水的冷卻作用，排氣在薄壁小孔金屬排氣分流管束內(nèi)與管壁之間存在著強(qiáng)烈的對流換熱，管壁壁面處存在著具有很大溫度梯度的熱邊界層；在靠近管壁處的溫度邊界層中，微粒在熱泳力作用下將向管壁運(yùn)動并沉積到管壁壁面；當(dāng)沉積在薄壁小孔金屬排氣分流管管壁的微粒層達(dá)到一定厚度時(shí)，在氣流剪切力的作用下，微粒層會從壁面脫離并再次進(jìn)入排氣；從微粒層脫落的微粒是由大量的沉積微粒所組成的集合體，微粒的粒徑和質(zhì)量會比沉積前顯著增加，整個排氣中的微粒個數(shù)會顯著減少。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的有益效果是，經(jīng)過基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置的處理，柴油機(jī)排入大氣中的微粒粒徑分布得到有效的改善。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置后，排氣中小于1μm的微粒的數(shù)量減少了50％～70％同時(shí)由于氣態(tài)碳?xì)涞哪Y(jié)，排氣中氣態(tài)碳?xì)涞臐舛认陆?0％～50％。經(jīng)過處理后的柴油機(jī)微粒在大氣中更容易實(shí)現(xiàn)自主沉降；同時(shí)，微粒分布的改善為提高柴油機(jī)微粒的凈化捕集效率以及降低微粒捕集過程中的排氣阻力提供了前提保障。


圖1為基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的I-I剖視圖。
圖3為圖1的II-II剖視圖。
圖4為圖1的III-III剖視圖。
圖中1.排氣入口管，2.排氣前分流板，3.前均流板，4.排氣分流管，5.外均流板，6.內(nèi)均流板，7.排氣后分流板，8.出水管，9.排氣出口管，10.后冷卻水?dāng)U張腔，11.后排氣擴(kuò)張腔，12.后均流板，13.裝置殼體，14.芯體，15.前排氣擴(kuò)張腔，16.前冷卻水?dāng)U張腔，17.進(jìn)水管，18.冷卻水通道。
附圖1表示出基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本項(xiàng)發(fā)明所依據(jù)的科學(xué)原理，基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置的設(shè)計(jì)原則為(a)盡量大的總氣流流通截面積，以降低氣流在排氣分流管4內(nèi)的流速，增加排氣在排氣分流管4內(nèi)的駐留時(shí)間；(b)盡量大的排氣與排氣分流管4壁面的接觸面積，以使排氣充分冷卻，并使排氣微粒在熱泳力的作用下有充分的沉降和脫落表面積；(c)盡量小的排氣阻力。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，芯體14中的排氣分流管4采用薄壁小孔金屬方形管組成排氣分流管束，排氣分流管4束在裝置殼體13內(nèi)緊密橫向平行排列；每個排氣分流管4流通截面邊長適當(dāng)，使其既滿足具有較大的排氣分流管束總壁面面積的要求，又不至于排氣微粒將排氣分流管4的小孔堵塞。
排氣分流管4由排氣前分流板2、排氣后分流板7、前均流板3、后均流板12、外均流板5、以及內(nèi)均流板6固定在一起組成芯體14。芯體14由前均流板3、外均流板5以及后均流板12支撐在裝置殼體13內(nèi)。
排氣前分流板2的前端接有前排氣擴(kuò)張腔15，排氣后分流板7的后端接有后排氣擴(kuò)張腔11，以保證排氣能夠均勻地進(jìn)出各個排氣分流管4。排氣前分流板2的結(jié)構(gòu)如圖2所示。前排氣擴(kuò)張腔15與排氣入口管1相接，后排氣擴(kuò)張腔11與排氣出口管9相接。
前均流板3、后均流板12、外均流板5、以及內(nèi)均流板6起冷卻水的均流作用，使冷卻水均勻流過各個排氣分流管4；同時(shí)前均流板3、外均流板5以及后均流板12還起支撐排氣分流管4的作用。裝置殼體13內(nèi)共裝有兩組前均流板3、后均流板12、外均流板5、以及內(nèi)均流板6。外均流板5和內(nèi)均流板6的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。前均流板3與后均流板12的形狀相同；后均流板12的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。
前冷卻水?dāng)U張腔16位于裝置殼體13的前端，后冷卻水?dāng)U張腔10位于裝置殼體13的后端。前冷卻水?dāng)U張腔16環(huán)繞排氣入口管1和前排氣擴(kuò)張腔15布置，后冷卻水?dāng)U張腔10環(huán)繞后排氣擴(kuò)張腔11和排氣出口管9布置。前冷卻水?dāng)U張腔16及后冷卻水?dāng)U張腔10主要起均流冷卻水的作用，同時(shí)起支撐排氣入口管1及排氣出口管9的作用。排氣分流管4束與裝置殼體13之間的空間構(gòu)成冷卻水通道18。
進(jìn)水管17連接在前冷卻水?dāng)U張腔16上，出水管8連接在后冷卻水?dāng)U張腔10上。冷卻水量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置，在裝置殼體(13)中，排氣入口管(1)、前排氣擴(kuò)張腔(15)、芯體(14)、后排氣擴(kuò)張腔(11)以及排氣出口管(9)順序連接，其特征是，排氣入口管(1)、前排氣擴(kuò)張腔(15)、芯體(14)、后排氣擴(kuò)張腔(11)以及排氣出口管(9)的外部是前冷卻水?dāng)U張腔(16)、芯體(14)內(nèi)的冷卻水通道(18)以及后冷卻水?dāng)U張腔(10)；芯體(14)由排氣分流管(4)束、排氣前分流板(2)、前均流板(3)、外均流板(5)、內(nèi)均流板(6)、后均流板(12)、以及排氣后分流板(7)組成，排氣分流管(4)束穿過前均流板(3)、外均流板(5)、內(nèi)均流板(6)及后均流板(12)；排氣分流管(4)束的兩端分別固定在排氣前分流板(2)和排氣后分流板(7)上；芯體(14)由前均流板(3)、外均流板(5)以及后均流板(12)支撐在裝置殼體(13)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置，其特征是，芯體(14)中的排氣分流管(4)采用薄壁小孔金屬方形管；排氣分流管(4)束在裝置殼體(13)內(nèi)緊密橫向平行排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置，其特征是，芯體(14)的排氣前分流板(2)通過前排氣擴(kuò)張腔(15)與排氣入口管(1)相連，芯體(14)的排氣后分流板(7)通過后排氣擴(kuò)張腔(11)與排氣出口管(9)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置，其特征是，前冷卻水?dāng)U張腔(16)環(huán)繞排氣入口管(1)和前排氣擴(kuò)張腔(15)布置，后冷卻水?dāng)U張腔(10)環(huán)繞后排氣擴(kuò)張腔(11)和排氣出口管(9)布置。
全文摘要
一種基于溫度效應(yīng)的柴油機(jī)排氣微粒分布改善裝置，屬于柴油機(jī)排氣微粒后處理設(shè)備。在裝置殼體(13)中，排氣入口管(1)、前排氣擴(kuò)張腔(15)、芯體(14)、后排氣擴(kuò)張腔(11)以及排氣出口管(9)順序連接；排氣入口管(1)、前排氣擴(kuò)張腔(15)、芯體(14)、后排氣擴(kuò)張腔(11)以及排氣出口管(9)的外部是前冷卻水?dāng)U張腔(16)、芯體(14)內(nèi)的冷卻水通道(18)以及后冷卻水?dāng)U張腔(10)；芯體(14)由排氣分流管(4)束、排氣前分流板(2)、前均流板(3)、外均流板(5)、內(nèi)均流板(6)、后均流板(12)、以及排氣后分流板(7)組成，排氣分流管(4)束穿過前均流板(3)、外均流板(5)、內(nèi)均流板(6)及后均流板(12)，排氣分流管(4)束的兩端分別固定在排氣前分流板(2)和排氣后分流板(7)上；芯體(14)由前均流板(3)、外均流板(5)以及后均流板(12)支撐在裝置殼體(13)內(nèi)。該裝置工藝簡單，易于制造且結(jié)構(gòu)緊湊，可以有效改善柴油機(jī)排氣微粒分布。
文檔編號F01N3/023GK1417456SQ0214921
公開日2003年5月14日 申請日期2002年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月6日
發(fā)明者寧智, 徐宇工, 劉雙喜, 資新運(yùn) 申請人:北方交通大學(xué)