專利名稱：基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)，特別涉及一種基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器。
目前國(guó)內(nèi)外所研究的柴油機(jī)微粒排放后處理技術(shù)主要有微粒的過(guò)濾及過(guò)濾體再生技術(shù)、微粒的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)等等。從目前對(duì)微粒的凈化效果上看，過(guò)濾凈化技術(shù)最為有效。但實(shí)施微粒過(guò)濾凈化時(shí)，需定期對(duì)過(guò)濾體進(jìn)行再生。盡管國(guó)內(nèi)外研究了多種再生方法，如噴油助燃再生技術(shù)、電加熱再生技術(shù)、微波再生技術(shù)等，但由于過(guò)濾體再生系統(tǒng)及控制系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性差、成本價(jià)格過(guò)高等，以及過(guò)濾技術(shù)存在過(guò)濾體的排氣阻力大、過(guò)濾體強(qiáng)度弱、使用壽命短、易發(fā)生高溫?zé)酆捅训葐?wèn)題，因而妨礙了過(guò)濾技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。
工業(yè)上有利用旋風(fēng)除塵器進(jìn)行工業(yè)煙氣除塵的應(yīng)用，但旋風(fēng)除塵器最佳分離微粒的粒徑一般大于2μm，遠(yuǎn)大于一般柴油機(jī)排氣微粒粒徑，因此難以簡(jiǎn)單地將其直接地用于柴油機(jī)排氣微粒的分離。
本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案首先通過(guò)微粒增長(zhǎng)器利用排氣的降溫來(lái)改善柴油機(jī)微粒的粒徑分布，然后，通過(guò)諧振腔式微粒離心分離器利用排氣的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)微粒的分離，最后通過(guò)擴(kuò)張?bào)w結(jié)構(gòu)形式的慣性微粒收集器利用排氣微粒的慣性對(duì)微粒進(jìn)行收集。諧振腔式微粒離心分離器是充分考慮柴油機(jī)排氣脈動(dòng)的特點(diǎn)提出的一種對(duì)微粒分離器的分離原理性設(shè)計(jì)。
將微粒增長(zhǎng)器、諧振腔式微粒離心分離器、慣性微粒收集器集合為一體構(gòu)成凈化器芯體；在凈化器殼體中，微粒增長(zhǎng)器與諧振腔式微粒離心分離器及慣性微粒收集器從排氣流動(dòng)角度看相互串接；微粒增長(zhǎng)器環(huán)繞諧振腔式微粒離心分離器外部布置，慣性微粒收集器位于微粒增長(zhǎng)器及諧振腔式微粒離心分離器后部并環(huán)繞排氣尾管布置。
柴油機(jī)排氣進(jìn)入凈化器殼體后，首先通過(guò)多支排氣冷卻支管進(jìn)入微粒增長(zhǎng)器；進(jìn)入微粒增長(zhǎng)器內(nèi)的排氣在流動(dòng)過(guò)程中被管外的冷卻水所冷卻。在排氣的冷卻過(guò)程中，排氣中的大量氣態(tài)碳?xì)鋵l(fā)生凝結(jié)，氣態(tài)碳?xì)淠Y(jié)到微粒表面或以液態(tài)微粒形式出現(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(huì)增加微粒的質(zhì)量和粒徑，同時(shí)使微粒具有更大的粘性。同時(shí)，由于不同質(zhì)量、不同大小的柴油機(jī)微粒在脈動(dòng)的湍流排氣中的速度和相位不同，從而發(fā)生微粒間的相互碰撞；微粒表面的高粘性使碰撞的微粒凝并在一起，從而使微粒粒徑變大、質(zhì)量增加。由于排氣冷卻支管外的冷卻水的冷卻作用，靠近排氣冷卻支管壁面處存在熱邊界層；在靠近管壁處的溫度邊界層中，微粒在熱泳力作用下向管壁運(yùn)動(dòng)并沉積到管壁壁面；當(dāng)沉積在壁面上的微粒層達(dá)到一定厚度時(shí)，在氣流剪切力的作用下，微粒層會(huì)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沉積微粒所組成的集合體，其粒徑和質(zhì)量會(huì)比沉積前顯著增加。微粒的增長(zhǎng)是利用諧振腔式微粒離心分離器對(duì)其進(jìn)行分離的前提。
從微粒增長(zhǎng)器中流出的排氣首先進(jìn)入排氣穩(wěn)流腔，經(jīng)穩(wěn)流腔穩(wěn)流后的排氣進(jìn)入諧振腔式微粒離心分離器。諧振腔式微粒離心分離器利用柴油機(jī)排氣氣流的動(dòng)能，通過(guò)螺旋形導(dǎo)流葉片使氣流在分離器內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，靠離心力將氣流中的微粒甩向分離器筒壁。甩向筒壁的微粒在氣流的帶動(dòng)下，靠慣性力的作用進(jìn)入慣性微粒收集器。根據(jù)柴油機(jī)排氣脈動(dòng)的特點(diǎn)，微粒離心分離器設(shè)計(jì)成諧振腔的形式，以穩(wěn)定氣流流場(chǎng)并充分利用排氣的動(dòng)能使微粒分離。通過(guò)采用在慣性微粒收集器內(nèi)的廢氣再循環(huán)出口管處引氣的方法可以有效改變分離器內(nèi)的流場(chǎng)，削弱渦匯流場(chǎng)區(qū)域，增強(qiáng)旋源流場(chǎng)區(qū)域，從而獲得適合于微粒分離的流場(chǎng)分布，微粒分離空間可以處于包括強(qiáng)制渦區(qū)在內(nèi)的整個(gè)空間，因此顯著提高了分離器的微粒分離效果。
在慣性微粒收集器內(nèi)，環(huán)繞排氣尾管布置有電加熱器。靠慣性并由氣流帶動(dòng)經(jīng)擴(kuò)張?bào)w結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)向板進(jìn)入慣性微粒收集器內(nèi)的柴油機(jī)微粒可以通過(guò)電加熱器的定期加熱使其燒掉。
經(jīng)諧振腔式微粒離心分離器分離后的柴油機(jī)排氣經(jīng)排氣尾管排入大氣。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的有益效果是，柴油機(jī)排氣經(jīng)基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器凈化后，排氣中的微粒濃度顯著降低，排氣質(zhì)量得到有效改善。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器的微粒凈化效率達(dá)到70％以上。該凈化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)緊湊、可靠性高，有效解決了目前所普遍研究的柴油機(jī)微粒捕集凈化技術(shù)中存在的問(wèn)題。
圖2為

圖1的I-I側(cè)視圖。
圖3為圖1的II-II側(cè)視圖。
圖4為排氣冷卻支管局部結(jié)構(gòu)圖。
圖5為諧振腔式微粒離心分離器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.排氣管，2.穩(wěn)流腔，3.前擋板，4.排氣冷卻支管，5.諧振腔式微粒離心分離器，6.排水管，7.后擋板，8.導(dǎo)向板，9.電加熱器，10.排氣尾管，11.慣性微粒收集器，12.廢氣再循環(huán)出口管，13.微粒增長(zhǎng)器，14.葉片輪轂，15.分離器筒體，16.導(dǎo)流葉片，17.冷卻水腔，18.進(jìn)水管，19.凈化器殼體，20.排氣冷卻支管出口，21.諧振腔，22.諧振孔。
五具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器(圖1)，包括排氣管1、凈化器殼體19、穩(wěn)流腔2、諧振腔式微粒離心分離器5、微粒增長(zhǎng)器13、慣性微粒收集器11、排氣尾管10、進(jìn)水管18、排水管6以及廢氣再循環(huán)出口管12。為節(jié)省空間，在凈化器殼體19中，構(gòu)成芯體的微粒增長(zhǎng)器13、諧振腔式微粒離心分離器5、慣性微粒收集器11從排氣流動(dòng)角度看相互串接；微粒增長(zhǎng)器13環(huán)繞諧振腔式微粒離心分離器5外部布置，慣性微粒收集器11位于微粒增長(zhǎng)器13及諧振腔式微粒離心分離器5后部并環(huán)繞排氣尾管10布置。穩(wěn)流腔2位于微粒增長(zhǎng)器13和諧振腔式微粒離心分離器5的前端。
微粒增長(zhǎng)器13由排氣冷卻支管4及外部冷卻水腔17構(gòu)成。
為降低排氣流速、延長(zhǎng)排氣在排氣冷卻支管4內(nèi)的駐留時(shí)間，以及增加排氣與排氣冷卻支管4壁面的接觸面積并減小排氣阻力，排氣在進(jìn)入凈化器殼體19之前首先分流進(jìn)入四個(gè)排氣冷卻支管4。
排氣管1分成四個(gè)排氣冷卻支管4，如圖2所示。排氣冷卻支管4穿過(guò)凈化器殼體19前端及前擋板3，插入微粒增長(zhǎng)器13的冷卻水腔17內(nèi)，折返后(圖4)，穿過(guò)前擋板3進(jìn)入穩(wěn)流腔2，排氣冷卻支管出口20朝向穩(wěn)流腔2(圖3)；排氣冷卻支管4焊接在凈化器殼體19前端及前擋板3上。在微粒增長(zhǎng)器13內(nèi)通過(guò)冷卻水對(duì)排氣冷卻支管4內(nèi)的排氣進(jìn)行冷卻。冷卻后的排氣折返進(jìn)入穩(wěn)流腔2。穩(wěn)流腔2是排氣冷卻支管4與諧振腔式微粒離心分離器5之間的過(guò)渡連接，它主要對(duì)進(jìn)入諧振腔式微粒離心分離器5前的排氣進(jìn)行穩(wěn)流，穩(wěn)流后的排氣經(jīng)導(dǎo)流葉片16導(dǎo)向后切向高速進(jìn)入諧振腔式微粒離心分離器5。冷卻水由進(jìn)水管18流入微粒增長(zhǎng)器13的冷卻水腔17，并由排水管6流出微粒增長(zhǎng)器13。冷卻水量可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
諧振腔式微粒離心分離器5的結(jié)構(gòu)如圖5所示。諧振腔式微粒離心分離器5固定在前擋板3與后擋板7之間，其外表面與凈化器殼體19之間的空間構(gòu)成了微粒增長(zhǎng)器13的冷卻水腔17。
諧振腔式微粒離心分離器5由分離器筒體15、導(dǎo)流葉片16、葉片輪轂14、諧振腔21以及排氣尾管10組成。導(dǎo)流葉片16固定在諧振腔式微粒離心分離器5的分離器筒體15及葉片輪轂14上。排氣尾管10一端固定在凈化器殼體19上，另一端插入諧振腔式微粒離心分離器5的尾部。
諧振腔式微粒離心分離器5(圖5)的分離器筒體15由雙層壁面構(gòu)成，在內(nèi)層壁面上間隔一定距離鉆有多排諧振孔22，兩層壁面之間構(gòu)成諧振腔21。分離器筒體15的兩層壁面的間距及諧振孔22的個(gè)數(shù)和孔徑需根據(jù)柴油機(jī)缸數(shù)確定。柴油機(jī)缸數(shù)越少，柴油機(jī)排氣脈動(dòng)越劇烈，壁面的間距應(yīng)越大，諧振孔數(shù)應(yīng)越多，而孔徑應(yīng)越小。諧振腔式微粒離心分離器5內(nèi)的葉片輪轂14起固定葉片及導(dǎo)流進(jìn)氣的作用；葉片輪轂14的直徑及長(zhǎng)度應(yīng)適中，其參數(shù)需根據(jù)排氣阻力大小確定。排氣尾管10的外徑小于分離器筒體15的內(nèi)層壁面直徑，兩者之間的環(huán)隙構(gòu)成了微粒進(jìn)入慣性微粒收集器11的通道。
慣性微粒收集器11由擴(kuò)張?bào)w結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)向板8、電加熱器9以及廢氣再循環(huán)出口管12組成。慣性微粒收集器11內(nèi)裝有擴(kuò)張?bào)w結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)向板8，導(dǎo)向板8連接在諧振腔式微粒離心分離器5的后部。通過(guò)導(dǎo)向板8引導(dǎo)微粒均勻進(jìn)入慣性微粒收集器11。在慣性微粒收集器11內(nèi)，環(huán)繞排氣尾管10布置有電加熱器9。收集在慣性微粒收集器11內(nèi)的微?？梢远ㄆ谟秒娂訜崞?加熱燒掉。
在慣性微粒收集器11內(nèi)的導(dǎo)向板8后方的凈化器殼體19上，裝有廢氣再循環(huán)出口管12。廢氣再循環(huán)出口管12裝置在導(dǎo)向板8后方且其出氣口可裝有濾網(wǎng)，這樣可以避免將收集的微粒吸入。通過(guò)廢氣再循環(huán)出口管12可以根據(jù)需要引出一部分排氣再送回到柴油機(jī)進(jìn)氣管，形成廢氣再循環(huán)。從廢氣再循環(huán)出口管12引氣，一方面可以改善諧振腔式微粒離心分離器5內(nèi)的流場(chǎng)分布；另一方面，廢氣再循環(huán)還可以降低柴油機(jī)的NOx的排放。
微粒增長(zhǎng)器13、穩(wěn)流腔2、諧振腔式微粒離心分離器5、以及慣性微粒收集器11等部分皆緊湊地安裝在凈化器殼體19內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器，由排氣管(1)、排氣尾管(10)、凈化器殼體(19)、芯體、進(jìn)水管(18)以及排水管(6)組成，其特征是，將微粒增長(zhǎng)器(13)、諧振腔式微粒離心分離器(5)、慣性微粒收集器(11)集合為一體構(gòu)成芯體；在凈化器殼體(19)中，微粒增長(zhǎng)器(13)與諧振腔式微粒離心分離器(5)及慣性微粒收集器(11)從排氣流動(dòng)角度看相互串接；微粒增長(zhǎng)器(13)環(huán)繞諧振腔式微粒離心分離器(5)外部布置，慣性微粒收集器(11)位于微粒增長(zhǎng)器(13)及諧振腔式微粒離心分離器(5)后部并環(huán)繞排氣尾管(10)布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器，其特征是，排氣管(1)的排氣冷卻支管(4)穿過(guò)凈化器殼體(19)前端及前擋板(3)，插入微粒增長(zhǎng)器(13)的冷卻水腔(17)，折返后，穿過(guò)前擋板(3)進(jìn)入穩(wěn)流腔(2)，排氣冷卻支管出口(20)朝向穩(wěn)流腔(2)，排氣冷卻支管(4)焊接在凈化器殼體(19)前端及前擋板(3)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器，其特征是，諧振腔式微粒離心分離器(5)采用諧振腔式結(jié)構(gòu)，由雙層壁面構(gòu)成，在內(nèi)層壁面上間隔一定距離鉆有多排諧振孔(22)，兩層壁面之間構(gòu)成諧振腔(21)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器，其特征是，慣性微粒收集器(11)由擴(kuò)張?bào)w結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)向板(8)、電加熱器(9)以及廢氣再循環(huán)出口管(12)組成；慣性微粒收集器(11)內(nèi)裝有擴(kuò)張?bào)w結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)向板(8)，導(dǎo)向板(8)連接在諧振腔式微粒離心分離器(5)的后部，通過(guò)導(dǎo)向板(8)引導(dǎo)微粒均勻進(jìn)入慣性微粒收集器(11)；在慣性微粒收集器(11)內(nèi)，環(huán)繞排氣尾管(10)布置有電加熱器(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器，其特征是，在慣性微粒收集器(11)內(nèi)的導(dǎo)向板(8)后方的凈化器殼體(19)上，裝有廢氣再循環(huán)出口管(12)。
全文摘要
一種基于排氣能量的復(fù)合式柴油機(jī)排氣微粒凈化器，屬于柴油機(jī)排氣微粒后處理設(shè)備。在凈化器殼體(19)內(nèi)，微粒增長(zhǎng)器(13)環(huán)繞諧振腔式微粒離心分離器(5)外部布置，慣性微粒收集器(11)位于微粒增長(zhǎng)器(13)及諧振腔式微粒離心分離器(5)后部并環(huán)繞排氣尾管(10)布置。諧振腔式微粒離心分離器(5)的分離器筒體(15)由雙層壁面構(gòu)成，在內(nèi)層壁面上鉆有多排諧振孔(22)，兩層壁面之間構(gòu)成諧振腔(21)。慣性微粒收集器(11)內(nèi)的導(dǎo)向板(8)連接在諧振腔式微粒離心分離器(5)的后部；環(huán)繞排氣尾管(10)布置有電加熱器(9)。導(dǎo)向板(8)后方的凈化器殼體(19)上，裝有廢氣再循環(huán)出口管(12)。本項(xiàng)發(fā)明在微粒增長(zhǎng)、離心分離以及慣性收集中充分利用了柴油機(jī)排氣的能量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，對(duì)柴油機(jī)微粒具有明顯的凈化效果。
文檔編號(hào)F01N3/023GK1417457SQ0214921
公開(kāi)日2003年5月14日 申請(qǐng)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, 劉雙喜, 資新運(yùn) 申請(qǐng)人:北方交通大學(xué)