專利名稱：一種壁流式柴油車尾氣微粒過濾－再生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柴油車尾氣碳煙過濾系統(tǒng)，具體地說是一種以碳化硅泡沫陶瓷為過濾裝置載體的壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，可有效降低柴油車的碳煙排放并在柴油車正常供電和正常行駛狀態(tài)下實現(xiàn)再生。
背景技術(shù)：
由于混合和燃燒方式的不同，柴油機的排污成分中CO及HC比汽油機少很多，而碳煙卻是汽油機的幾十倍甚至更多，并且碳煙排放更易被人們從視覺上直觀察覺，因此柴油車的排煙凈化一直是柴油車排污治理的重點和難點。
現(xiàn)有柴油車碳煙過濾技術(shù)從理論上講主要分為面過濾和體內(nèi)過濾兩種。面過濾又叫濾餅過濾方式，過濾發(fā)生在過濾器表面，其原理是使含碳煙顆粒的尾氣流過一塊帶有許多細小孔且密度較大的陶瓷壁。柴油機碳煙微粒不能穿過壁上的小孔而沉淀在過濾器的表面。這種過濾方式十分有效，但它的阻力較大，排氣背壓高。面過濾理論的代表技術(shù)是壁流式蜂窩陶瓷；體內(nèi)過濾又叫深濾床過濾，過濾發(fā)生在過濾器內(nèi)部，尾氣流過過濾器時，其中的碳煙微粒與過濾器內(nèi)部的筋多次碰撞，通過擴散及攔截的方式沉淀在過濾器的孔道中，這種結(jié)構(gòu)排氣阻力小，過濾器中沉淀下來的碳煙微粒分布較均勻。體內(nèi)過濾的代表技術(shù)是泡沫陶瓷過濾器和纖維過濾器。
碳煙微粒過濾器在工作一段時間后，隨著過濾微粒數(shù)量的增加，會逐漸發(fā)生發(fā)生過濾器孔洞堵塞現(xiàn)象，堵塞累積到一定程度，就會使尾氣流動不暢，從而使發(fā)動機排氣背壓急劇增加，影響發(fā)動機工作效率，此時就需要對過濾器進行再生。微粒過濾器的再生方式主要有下列幾種，第一種利用催化劑再生，即在微粒過濾器表面添加催化劑，利用催化劑的催化作用降低微粒的起燃溫度，使捕獲到的微粒在較低溫度下和尾氣中的氧氣或氧化氮反應(yīng)生成二氧化碳而除去微粒。不過這種再生方式要求尾氣的溫度必須達到一定的要求，在汽車低速或輕載重條件下行駛時，尾氣溫度經(jīng)常達不到這個要求；第二種再生方式是利用加熱器或燃燒的方式提高尾氣溫度，使微粒在高溫條件下燃燒除去。前兩種方法都是原位再生方式，即再生時催化劑仍位于原安裝位置。再有就是非原位再生方式，即當(dāng)微粒過濾器捕集到一定數(shù)量的微粒以后，將微粒過濾器從汽車上拆下來放到空氣爐等設(shè)備中加熱，使微粒燃燒得以除去。又或者用大氣流從反方向吹拆下的微粒過濾器，將碳煙微粒吹出并收集除去。
無論采用何種再生方式都面臨著兩個問題一是再生效率的問題，再有就是當(dāng)前所用的微粒過濾器材料很容易因微粒燃燒急劇放熱造成溫度極度不均而炸裂。這兩個問題是目前碳煙過濾-再生技術(shù)的主要難題。本發(fā)明采用高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高熔點的碳化硅泡沫陶瓷制作的壁流式碳煙微粒過濾器，兼有面過濾和體內(nèi)過濾的優(yōu)點，過濾效率高，抗熱震性好，能有效避免再生時的過濾器炸裂現(xiàn)象，保證過濾器的使用可靠性；再生采用尾氣加注燃油結(jié)合電加熱的方式，實現(xiàn)過濾器的低成本再生，延長了過濾器使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，使用該裝置能有效過濾發(fā)動機排放的碳煙，在過濾達到一定程度后可以用燃燒燃油結(jié)合電加熱的方式對微粒過濾器進行原位再生，并且安裝該裝置不會造成發(fā)動機功率的明顯損失。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，包括電源、可控噴油裝置、燃油分散單元、電加熱發(fā)熱體、火焰分散單元、壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器以及電控部分。其中電加熱發(fā)熱體由泡沫陶瓷電加熱單元構(gòu)成，泡沫陶瓷電加熱單元由導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷、焊接在位于導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷兩端的碳化硅陶瓷電極基座上的兩個金屬電極構(gòu)成，電源通過金屬電極與導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷構(gòu)成回路，為導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷供電?？煽貒娪脱b置由電泵、電磁閥、燃油噴嘴組成，該裝置通過輸油管線從汽車油箱取油。燃油分散單元、電加熱發(fā)熱體、火焰分散單元和壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器一起安裝于與柴油發(fā)動機排氣管相連的凈化器封裝外殼內(nèi)，可控噴油裝置的燃油噴嘴位于電加熱發(fā)熱體的上游。電控部分與泡沫陶瓷電加熱發(fā)熱體電極相連。
所述泡沫陶瓷電加熱發(fā)熱體為至少一個泡沫陶瓷電加熱單元組成，當(dāng)過濾器由二個或二個以上單元構(gòu)成時，各單元之間為并聯(lián)關(guān)系，通過電極之間焊接的方式連成一個整體，電加熱尾氣凈化器的體積控制在50～400ml之間，厚度控制在10～50mm范圍內(nèi)。
所述燃油分散單元和火焰分散單元均為碳化硅泡沫陶瓷材料，利用泡沫陶瓷特有的三維連通結(jié)構(gòu)，促進燃油和火焰的橫向擴散。
所述碳化硅泡沫陶瓷按重量分數(shù)計，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅組成。
所述碳化硅泡沫陶瓷以多邊型封閉環(huán)為基本單元，各基本單元相互連接形成三維連通網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)成多邊形封閉環(huán)單元的陶瓷筋的相對致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm。
所述燃油分散單元、電加熱發(fā)熱體、火焰分散單元上可制備活性氧化鋁涂層，并擔(dān)載催化劑，以碳化硅泡沫陶瓷為載體，每升載體的涂層含量在80～130g，涂層中各物質(zhì)的重量比為Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝50～75∶30～40∶2～8∶1～10；催化劑所用活性物質(zhì)可以是Pt或Pd，每升載體中Pt或Pd總含量為1～5g。
所述壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器由多片碳化硅泡沫陶瓷板平行組合而成，每兩片復(fù)合碳化硅泡沫陶瓷板之間的距離為1.5～3mm。過濾器內(nèi)部相錯排列眾多互不直接相通的短通道，氣體只有穿過碳化硅泡沫陶瓷板才能由一個通道進入另外的通道，碳煙微粒在穿越過程中被過濾。
所述構(gòu)成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷板可具有單一泡沫孔徑或變化孔徑。變化孔徑的碳化硅泡沫陶瓷板有三種制備方式a、由兩種或兩種以上不同孔徑的碳化硅泡沫陶瓷板復(fù)合而成；b、在單一孔徑的碳化硅泡沫陶瓷板上制備微孔涂層；c、前兩種方法的結(jié)合，即在a中提到的復(fù)合后的碳化硅泡沫陶瓷板上再制備微孔涂層。當(dāng)采用變化孔徑泡沫陶瓷時，大孔徑泡沫陶瓷面為尾氣進入面，小孔徑或微孔面為尾氣流出面。
本發(fā)明主要包含三個部分a.安裝可控噴油裝置，過濾器需要再生時，該裝置在電加熱發(fā)熱體前部噴入燃油；b.采用導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷做發(fā)熱體，以車載蓄電池作電源，在設(shè)定條件下給發(fā)熱體通電，點燃可控噴油裝置送入的燃油，加熱尾氣使壁流式微粒過濾器中的微粒燃燒；c.采用具有三維網(wǎng)狀連通結(jié)構(gòu)的碳化硅泡沫陶瓷組合壁流式微粒過濾器，所得到的過濾器兼有面過濾和體過濾的優(yōu)點。通過調(diào)整泡沫陶瓷的平均孔徑大小、陶瓷的體積分數(shù)、陶瓷板厚度等參數(shù)，可以在合理的背壓條件下得到很高的過濾效率。并且，由于碳化硅泡沫陶瓷具有低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱率和高熔點等特性，所以抗熱震能力強，不會在再生時發(fā)生炸裂現(xiàn)象。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明更具有如下有益效果①碳煙過濾體由碳化硅泡沫陶瓷構(gòu)成，該過濾體具有如下特點a、熱傳導(dǎo)性良好，保證過濾體溫度分布均勻，避免過大熱應(yīng)力的產(chǎn)生并減少再生死角的存在；b、抗熱沖擊性好，可承受再生時微粒氧化燃燒造成的溫度劇變；c、熔點高，在2000℃以上，確保在高溫下有較長的使用壽命。
②電加熱發(fā)熱體采用碳化硅泡沫陶瓷，實現(xiàn)了加熱、過濾功能一體化，結(jié)構(gòu)簡單，且電阻率可根據(jù)實際需要在大范圍內(nèi)調(diào)整。另外碳化硅陶瓷具有良好的抗氧化、抗高溫、抗酸堿性能，與金屬電阻絲發(fā)熱體相比，更適合在汽車尾氣環(huán)境中使用。
③采用燃油注入與電加熱相結(jié)合的再生方式，提高了再生效率。
④過濾體采用的泡沫陶瓷壁流式結(jié)構(gòu)，擁有極大的過濾面積，既增加了微粒物與過濾體的碰撞幾率，提高過濾效率，促進微粒物在過濾體中均勻分散，又有助于降低背壓，減少發(fā)動機功率損耗。
⑤該裝置采用車載蓄電池作為電加熱電源，無須外加電源，汽車改造范圍小，成本低。
⑥控制系統(tǒng)智能化，可根據(jù)水溫、發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及背壓等條件控制再生狀態(tài)。
⑦采用釬焊的方式制備金屬電極，使接觸電阻降至最低，提高了能量利用效率。
⑧本發(fā)明裝置具有良好、可控的過濾-再生性能，在車載電源正常供電并且車輛正常行駛和車輛正常運行的情況下，可實現(xiàn)對柴油車微粒的有效過濾，并智能化原位再生，使柴油車排放在較長的時間內(nèi)都能滿足嚴(yán)格的凈化標(biāo)準(zhǔn)，具有效果好、原位再生、壽命長的特點。


圖1為壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置工作示意圖。
圖2為一個泡沫陶瓷電加熱再生發(fā)熱體單元(電加熱單元)的示意圖。
圖3為壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為復(fù)合式碳化硅泡沫陶瓷板的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1柴油發(fā)動機；2水溫傳感器；3轉(zhuǎn)速傳感器；4控制單元；5功率組件；6車載蓄電池；7電纜；8凈化器封裝外殼；9壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器(主過濾器)；10金屬電極；11金屬電極；12電加熱發(fā)熱體；13排氣管；14壓力傳感器；15火焰分散單元；16燃油分散單元；17燃油噴嘴；18電磁閥；19電泵；20輸油管線；21汽車油箱；22碳化硅陶瓷電極基座；23碳化硅陶瓷電極基座；24導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷發(fā)熱體；25(復(fù)合碳化硅泡沫陶瓷板中的)大孔徑碳化硅泡沫陶瓷板；26(復(fù)合碳化硅泡沫陶瓷板中的)小孔徑碳化硅泡沫陶瓷板或具有微孔的涂層。
具體實施例方式
本發(fā)明壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置的制備過程具體如下①采用按照《一種高強度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制備方法》(中國科學(xué)院金屬研究所申請，申請?zhí)?3134039.3，申請日2003年9月22日)所做的導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷，作為本發(fā)明中所用全部碳化硅泡沫陶瓷的來源。
②將碳化硅泡沫陶瓷材料組合成為如圖3所示的壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器，作為壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置的主過濾器。氣流由開口通道進入主過濾器，穿過碳化硅泡沫陶瓷壁，進入相鄰的通道，如圖3的箭頭所示，在此過程中碳煙微粒被過濾凈化。采用具有過渡孔徑的復(fù)合泡沫陶瓷時，大孔徑陶瓷面為尾氣流入面，小孔徑陶瓷面為尾氣流出面。主過濾器體積和通道的數(shù)目、以及碳化硅泡沫陶瓷的平均孔徑等參數(shù)可根據(jù)尾氣流量和背壓的要求進行調(diào)整。
③根據(jù)不同汽車的狀況，可控噴油裝置的噴油頻率、噴油量等參數(shù)可調(diào)整。
④根據(jù)電阻的需求，選擇一個或多個合適的碳化硅泡沫陶瓷電加熱單元，如采用多個單元，則各單元之間為并聯(lián)關(guān)系，并通過在金屬電極上焊接金屬板的方式連接成一個整體。
⑤在泡沫陶瓷燃油分散單元、電加熱發(fā)熱體和火焰分散單元上可制備活性氧化鋁涂層，并擔(dān)載催化劑，以促進碳煙顆粒加速燃燒并降低冷啟動階段的氣態(tài)污染物排放。
催化劑制備的具體過程如下a、將碳化硅泡沫陶瓷在濃度為2～5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5～10分鐘，去除其表面的油污等雜質(zhì)，之后用水清洗、再于100～150℃空氣氣氛中1～4小時烘干；b、取γ-Al2O3110～160份、CeO250～70份、La2O32～10份、BaO 4～20份，混合后加水500份，球磨2～4小時得到涂層漿料；c、將泡沫陶瓷在漿料中浸漬2～5分鐘，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于100～150℃空氣氣氛中干燥20～30分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復(fù)多次，直至使涂層含量達到80～130g/(L載體)，最后于450～500℃焙燒4～5小時，涂層制備完畢；d、如以Pt為催化活性組分，則取H2PtCl610～15份，加水500份配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬10～15分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度100～150℃，時間20～30分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中450～500℃還原2～4小時，可得到以碳化硅泡沫陶瓷為載體、以Pt為催化活性組分的具有催化功能的碳化硅泡沫陶瓷電加熱發(fā)熱體和壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器。
e、如以Pd為催化活性組分，則取PdCl25～20份，加水500份配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬10～15分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度100～150℃，時間20～30分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中450～500℃還原2～4小時，可得到以碳化硅泡沫陶瓷為載體、以Pd為催化活性組分的具有催化功能的碳化硅泡沫陶瓷電加熱發(fā)熱體和壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器。
⑥將燃油分散單元16、電加熱發(fā)熱體12、火焰分散單元15和壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器9一起封裝于過濾器外殼8內(nèi)，過濾器外殼由2毫米厚的不銹鋼板焊接而成，過濾器外殼8與泡沫陶瓷電加熱發(fā)熱體12及壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器9之間有防震隔層。封裝后的過濾器在進氣端與柴油發(fā)動機排氣管13相連。將可控噴油裝置的進油端通過輸油管線20與汽車油箱21相連，燃油噴嘴17位于電加熱發(fā)熱體12的上游。
如圖1～2所示，壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置包括壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器9、火焰分散單元15、電加熱發(fā)熱體12、燃油分散單元16、可控噴油裝置及電控部分，其中電加熱發(fā)熱體12、火焰分散單元15、燃油分散單元16與壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器9一起安裝于與柴油發(fā)動機排氣管13相連的凈化器封裝外殼8內(nèi)，電加熱發(fā)熱體12由泡沫陶瓷電加熱單元構(gòu)成，泡沫陶瓷電加熱單元為以導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷24為主體、兩個金屬電極焊接在位于導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷24兩端的碳化硅陶瓷電極基座22、23上，電源6通過金屬電極10、11與導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷24構(gòu)成回路，為導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷24供電；電控部分與電加熱發(fā)熱體12電極相連。可控噴油裝置由輸油管線20、電泵19、單向電磁閥18和燃油噴嘴17組成，輸油管線20與汽車油箱21相連，燃油噴嘴17位于電加熱發(fā)熱體12的上游，燃油噴嘴17與汽車油箱21之間的輸油管線上設(shè)有電泵19、電磁閥18。所述電控部分由控制單元4和功率組件5組成。本發(fā)明電控部分采用中國發(fā)明專利申請，申請?zhí)?00510046472.1，申請日2005年5月20日，詳見其中的圖5和相關(guān)的文字說明。不同之處僅在于功率組件的輸出端并聯(lián)電加熱發(fā)熱體、可控噴油裝置的電磁閥和電泵，可控噴油裝置可進行可控的連續(xù)或脈沖式燃油噴射，脈沖頻率和噴射時間由控制單元4采用常規(guī)方式即可實現(xiàn)控制。該控制單元4可接收來自壓力傳感器14、水溫傳感器2、轉(zhuǎn)速傳感器3的相應(yīng)信號，并根據(jù)信號控制可控噴油裝置和電加熱發(fā)熱體的啟動或關(guān)閉。
柴油汽車啟動后，含碳煙微粒的汽車尾氣由柴油發(fā)動機1排出，經(jīng)由排氣管13到達燃油分散單元16、電加熱發(fā)熱體12、火焰分散單元15和壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器9，在此過程中碳煙微粒被泡沫陶瓷過濾截流。由柴油發(fā)動機冷卻水水溫傳感器2和轉(zhuǎn)速傳感器3以及壓力傳感器14監(jiān)測到的冷卻水水溫、轉(zhuǎn)速和背壓信號被控制單元4接收，然后再將信號傳送至功率組件5。當(dāng)背壓高于設(shè)定值時，在冷卻水水溫和發(fā)動機轉(zhuǎn)速均達到指定數(shù)值的情況下，功率組件5接通電路，車載蓄電池6即開始通過電纜7給電加熱發(fā)熱體12供電，通電時間可由控制單元設(shè)定；通電一段時間后，控制單元4打開電泵19和單向電磁閥18，通過輸油管線20從汽車油箱21中抽取燃油輸送至燃油噴嘴17，由燃油噴嘴噴出燃油。燃油首先到達燃油分散單元16，被均勻分散，然后到達電加熱發(fā)熱體12。處于通電加熱狀態(tài)的電加熱發(fā)熱體12將燃油點燃，燃油燃燒釋放的熱量被尾氣帶往下游的火焰分散單元15，泡沫陶瓷火焰分散單元15可將火焰均勻分散然后傳至壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器9，使過濾器中過濾的碳煙在各處均勻燃燒，避免過濾器再生時的溫度不均勻現(xiàn)象。經(jīng)過這些過程，整個過濾系統(tǒng)達到再生的目的。
如圖2所示，泡沫陶瓷電加熱單元由導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷24、焊接在位于導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷24兩端的碳化硅陶瓷電極基座22、23上的兩個金屬電極10、11構(gòu)成，兩個金屬電極10、11一端通過釬焊方式與碳化硅陶瓷電極基座連接，另一端與電纜相連。一個完整的電加熱發(fā)熱體可由一個或多個泡沫陶瓷電加熱單元組合而成。在組合情況下，各單元之間為并聯(lián)關(guān)系，通過電極之間焊接的方式連成將一個整體。電加熱發(fā)熱體的體積控制在100～400ml之間，厚度控制在10～50mm范圍內(nèi)。
圖3所示為壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器結(jié)構(gòu)示意圖，壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器9由多片碳化硅泡沫陶瓷板平行組合而成，每兩片復(fù)合碳化硅泡沫陶瓷板之間的距離為1.5～3mm。過濾器內(nèi)部相錯排列眾多互不直接相通的短通道，氣流由進氣端的開口處進入，穿越泡沫陶瓷壁進入相鄰?fù)ǖ?，在此過程中，碳煙顆粒被碳化硅泡沫陶瓷板過濾。
本發(fā)明構(gòu)成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷板可以具有單一泡沫孔徑或變化孔徑，變化孔徑的泡沫陶瓷板有三種制備方式a、由兩種或兩種以上不同孔徑的泡沫陶瓷板復(fù)合而成；b、在單一孔徑的碳化硅泡沫陶瓷板上制備微孔涂層；c、前兩種方法的結(jié)合，即在a中提到的復(fù)合后的陶瓷板上再制備微孔涂層。將碳化硅泡沫陶瓷的原始制備料漿在碳化硅泡沫陶瓷上合成不超過0.5mm厚的涂層，經(jīng)燒結(jié)后即可得到微孔涂層。采用上述方法，可實現(xiàn)復(fù)合碳化硅泡沫陶瓷孔徑從1mm到0.01mm之間大范圍的孔徑過渡。當(dāng)采用變化孔徑泡沫陶瓷時，大孔徑泡沫陶瓷面為尾氣進入面，小孔徑或微孔面為尾氣流出面。如圖4所示具有變化孔徑的復(fù)合碳化硅泡沫陶瓷板，小孔碳化硅泡沫陶瓷板或具有微孔的涂層26孔徑為0.01mm～0.5mm；大孔碳化硅泡沫陶瓷板25孔徑為0.1mm～1mm。
本發(fā)明尾氣凈化裝置主要由上述泡沫陶瓷碳煙過濾-電加熱再生凈化器(含燃油分散單元16、電加熱發(fā)熱體12、火焰分散單元15與壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器9)和智能控制單元4、可控噴油裝置構(gòu)成，凈化器中的電加熱發(fā)熱體以導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷為功能主體，具有良好、可控的導(dǎo)電性能；壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器由泡沫陶瓷為組成材料，具有多孔、可變化孔徑、表面粗糙、耐高溫及熱沖擊的特點，可實現(xiàn)對柴油車排放微粒的有效過濾；在燃油分散單元16、電加熱發(fā)熱體12和火焰分散單元15上可負載催化劑；智能控制單元能夠接收來自控制單元平臺的冷卻水水溫、背壓和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，并根據(jù)信號自動控制壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置的再生狀態(tài)。在車載電源供電且不影響車輛正常行駛的情況下，即可實現(xiàn)泡沫陶瓷碳煙壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置的原位再生。
實施例和相關(guān)比較例在各實施例和相關(guān)比較例的測試中采用的發(fā)動機型號為SOFIM8140.43，測試方式采用柴油機13工況。
實施例1①取導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷130×40×20mm，在濃度為3M的NaOH溶液中浸泡8分鐘，去除其表面的油污等雜質(zhì)，之后用水清洗、再于120℃空氣氣氛中2小時烘干；②將兩個直徑6mm的不銹鋼柱釬焊在位于①所述導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷兩端的碳化硅陶瓷電極基座上作為與導(dǎo)線相連的電極。一個電加熱發(fā)熱體單元制備完畢；③按照上述①～②的步驟，制作兩個電加熱發(fā)熱體單元，然后將兩個電加熱發(fā)熱體單元通過在金屬電極上焊接金屬板的方式連并聯(lián)焊接在一起，得到一個完整的電加熱發(fā)熱體；電加熱發(fā)熱體的電阻為50mΩ。
④如圖3，將體積分數(shù)30％、平均孔徑0.5mm的碳化硅泡沫陶瓷板組合成為壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器，每片碳化硅泡沫陶瓷板厚5mm，每兩片陶瓷板之間間距為2mm，最終的過濾器外形為220×130×150mm3；⑤以平均孔徑1.5mm、體積分數(shù)30％的碳化硅泡沫陶瓷為原料，用機械加工方式制備燃油分散單元16和火焰分散單元15，其中，燃油分散單元16中心厚度為30mm，邊緣厚度5mm，長與寬分別是220mm和130mm；火焰分散單元15的外形為220×130×20mm3；⑥將燃油分散單元16、電加熱發(fā)熱體12、火焰分散單元15和壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器9封裝在一個外殼內(nèi)，電加熱發(fā)熱體12所在層的空余空間由與電加熱發(fā)熱體12同樣厚度的碳化硅泡沫陶瓷填充；⑦將壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置與發(fā)動機相連接。測試使用的發(fā)動機型號為SOFIM8140.43，測試方式采用柴油機13工況；測試過程中不通電。
實施例2與實施例1不同之處在于在測試前將壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置安裝于柴油發(fā)動機排氣通路的指定位置，保持發(fā)動機在轉(zhuǎn)速2160rpm、扭矩188Nm、功率42.5kW的高濃度碳煙排放狀態(tài)下持續(xù)運行，由控制單元監(jiān)測背壓傳感器信號，當(dāng)背壓信號大于20kPa時，認為過濾器需要再生。此時，控制單元接通電加熱電路，由12V車載直流蓄電池供電，5秒后打開可控噴油裝置，以200ml/min的流量在電加熱發(fā)熱體上游以12次/min的頻率噴燃油5次，每次5ml，然后斷電停油，并關(guān)閉發(fā)動機。
待發(fā)動機冷卻后重啟發(fā)動機，在與實施例1相同的條件下進行13工況測試，檢驗再生的效果。
實施例3與實施例2不同之處在于以200ml/min的流量在電加熱發(fā)熱體上游以12次/min的頻率噴燃油5次，每次10ml。
實施例4與實施例2不同之處在于以200ml/min的流量在電加熱發(fā)熱體上游以12次/min的頻率噴燃油5次，每次20ml。
實施例5與實施例2不同之處在于以200ml/min的流量在電加熱發(fā)熱體上游以12次/min的頻率噴燃油5次，每次30ml。
實施例6與實施例2不同之處在于以200ml/min的流量在電加熱發(fā)熱體上游持續(xù)噴燃油200ml。
實施例7
與實施例2不同處在于電加熱發(fā)熱體的電阻為70mΩ；以200ml/min的流量在電加熱發(fā)熱體上游以12次/min的頻率噴燃油5次，每次30ml。
實施例8與實施例2不同處在于電加熱發(fā)熱體的電阻為90mΩ；以200ml/min的流量在電加熱發(fā)熱體上游以12次/min的頻率噴燃油5次，每次30ml。
實施例9與實施例1不同處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％、平均孔徑為0.5mm。
實施例10與實施例5不同處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％、平均孔徑為0.5mm。
實施例11與實施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為50％、平均孔徑為0.5mm。
實施例12與實施例5不同處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為50％、平均孔徑為0.5mm。
實施例13與實施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％、平均孔徑為0.2mm。
實施例14與實施例5不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％、平均孔徑為0.2mm。
實施例15與實施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％，碳化硅泡沫陶瓷板為復(fù)合結(jié)構(gòu)，具體為由3mm厚、平均孔徑為0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板和2mm厚、平均孔徑為0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板組合在一起。
實施例16與實施例5不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％，碳化硅泡沫陶瓷板為復(fù)合結(jié)構(gòu)，具體為由3mm厚、平均孔徑為0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板和2mm厚、平均孔徑為0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板組合在一起。
實施例17與實施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％，碳化硅泡沫陶瓷板為復(fù)合結(jié)構(gòu)，具體為在5mm厚、平均孔徑0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板上復(fù)合微孔涂層，微孔涂層的平均孔徑為0.01mm左右。
實施例18與實施例5不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％，碳化硅泡沫陶瓷板為復(fù)合結(jié)構(gòu)，具體為在5mm厚、平均孔徑0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板上復(fù)合微孔涂層，微孔涂層的平均孔徑為0.01mm左右。
實施例19與實施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％，碳化硅泡沫陶瓷板為復(fù)合結(jié)構(gòu)，具體為由3mm厚、平均孔徑為0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板和2mm厚、平均孔徑為0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板組合在一起，然后在孔徑為0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板上再復(fù)合微孔涂層，微孔涂層的平均孔徑為0.01mm左右。
實施例20與實施例5不同之處在于
組成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分數(shù)為40％，碳化硅泡沫陶瓷板為復(fù)合結(jié)構(gòu)，具體為由3mm厚、平均孔徑為0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板和2mm厚、平均孔徑為0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板組合在一起，然后在孔徑為0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板上再復(fù)合微孔涂層，微孔涂層的平均孔徑為0.01mm左右。
實施例21與實施例19不同之處在于燃油分散單元、電加熱發(fā)熱體和火焰分散單元表面有催化涂層，涂層含量為80～130g/(L載體)，涂層中各物質(zhì)的重量比為Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝55∶35∶3∶7。Pt含量為1.5g/(L載體)。
實施例22與實施例20不同之處在于燃油分散單元、電加熱發(fā)熱體和火焰分散單元表面有催化涂層，涂層含量為80～130g/(L載體)，涂層中各物質(zhì)的重量比為Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝55∶35∶3∶7。Pt含量為1.5g/(L載體)。
相關(guān)比較例在與實施例相同的發(fā)動機上進行不安裝過濾器條件下的柴油機13工況測試。
實施例及相關(guān)比較例的結(jié)果見表1。表1中實驗1～22為實施例，實驗23為相關(guān)比較例。將各實施例與比較例的結(jié)果相比較，可發(fā)現(xiàn)在采用壁流式碳化硅泡沫陶瓷的情況下，過濾效率最高達到90％以上，過濾效率隨著體積分數(shù)的增加和平均孔徑的減小而增加，然而體積分數(shù)的增加和平均孔徑的減小也會引起背壓的增加。貴金屬催化劑的加入能顯著降低CO和THC的排放，但對于微粒排放的降低效果不是很顯著；再生時噴入的燃油量不能小于150ml，否則再生不完全；另外，電加熱發(fā)熱體的電阻不能太大，大電阻會導(dǎo)致功率降低，不能點燃噴入的燃油，也會導(dǎo)致再生不完全，在本專利條件下，電加熱發(fā)熱體的電阻最好控制在50毫歐左右；合適條件下再生后的過濾器仍能保持良好的過濾效率，表明壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置不但具有良好的凈化過濾性能，并且能夠有效再生，具有較長的使用壽命。
表1

權(quán)利要求
1.一種壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，其特征在于包括電源(6)、可控噴油裝置、燃油分散單元(16)、電加熱發(fā)熱體(12)、火焰分散單元(15)、壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器(9)；其中電加熱發(fā)熱體(12)以及電加熱發(fā)熱體(12)前后的燃油分散單元(16)、火焰分散單元(15)與壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器(9)一起安裝于與柴油發(fā)動機排氣管相連的凈化器封裝外殼(8)內(nèi)；電加熱發(fā)熱體(12)由泡沫陶瓷電加熱單元組成，泡沫陶瓷電加熱單元由導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷(24)、焊接在位于導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷(24)兩端的碳化硅陶瓷電極基座(22、23)上的兩個金屬電極(10、11)構(gòu)成，電源通過金屬電極(10、11)與導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷(24)構(gòu)成回路，為導(dǎo)電碳化硅泡沫陶瓷(24)供電；可控噴油裝置由電泵(19)、電磁閥(18)、燃油噴嘴(17)組成，燃油噴嘴(17)位于加熱發(fā)熱體(12)的上游，燃油噴嘴(17)與汽車油箱(21)之間的輸油管線上設(shè)有電泵(19)、電磁閥(18)。
2.按照權(quán)利要求1所述的壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，其特征在于所述壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器(9)由多片碳化硅泡沫陶瓷板平行組合而成，每兩片碳化硅泡沫陶瓷板之間的距離為1.5～3mm，過濾器內(nèi)部相錯排列眾多互不直接相通的短通道，氣體穿過泡沫陶瓷板由一個通道進入另外的通道，碳煙微粒在穿越過程中被過濾。
3.按照權(quán)利要求2所述的壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，其特征在于構(gòu)成壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器的碳化硅泡沫陶瓷板具有單一泡沫孔徑或變化孔徑，變化孔徑的碳化硅泡沫陶瓷板有三種結(jié)構(gòu)a、由兩種或兩種以上不同孔徑的碳化硅泡沫陶瓷板復(fù)合而成；b、在單一孔徑的碳化硅泡沫陶瓷板上制備微孔涂層；c、前兩種方法的結(jié)合，即在a中提到的復(fù)合后的碳化硅泡沫陶瓷板上再制備微孔涂層。
4.按照權(quán)利要求1所述的壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，其特征在于所述電加熱發(fā)熱體(12)為至少一個泡沫陶瓷電加熱單元組成，當(dāng)發(fā)熱體由二個或二個以上單元構(gòu)成時，各單元之間為并聯(lián)關(guān)系，通過電極之間焊接的方式連成一個整體。
5.按照權(quán)利要求1所述的壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，其特征在于燃油分散單元(16)為一中間厚、四周薄的碳化硅泡沫陶瓷；火焰分散單元(15)為一碳化硅泡沫陶瓷。
6.按照權(quán)利要求1所述的壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，其特征在于在燃油分散單元(16)、電加熱發(fā)熱體(12)、火焰分散單元(15)上制備活性氧化鋁涂層，并負載催化劑，每升載體的涂層含量在80～130g，涂層中各物質(zhì)的重量比為Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝50～75∶30～40∶2～8∶1～10；催化劑所用活性物質(zhì)是Pt或Pd，每升載體中Pt或Pd總含量為1～5g。
7.按照權(quán)利要求1所述的壁流式柴油車尾氣微粒過濾-再生裝置，其特征在于所述碳化硅泡沫陶瓷以多邊型封閉環(huán)為基本單元，各基本單元相互連接形成三維連通網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)成多邊形封閉環(huán)單元的陶瓷筋的相對致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm；所述碳化硅泡沫陶瓷按重量分數(shù)計，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及柴油車尾氣碳煙過濾系統(tǒng)，具體地說是一種壁流式柴油車尾氣微粒過濾－再生裝置，包括電源、可控噴油裝置、燃油分散單元、電加熱發(fā)熱體、火焰分散單元、壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器；其中電加熱發(fā)熱體以及電加熱發(fā)熱體前后的燃油分散單元、火焰分散單元與壁流式泡沫陶瓷微粒過濾器一起安裝于與柴油發(fā)動機排氣管相連的凈化器封裝外殼內(nèi)；本發(fā)明裝置具有高的凈化效率和良好的原位再生能力，在對柴油車微粒進行有效過濾后，可在車載電源正常供電和車輛正常運行情況下，實現(xiàn)車載狀態(tài)的智能化再生，從而具有很好的耐久性能。
文檔編號F01N3/023GK1971005SQ20051004778
公開日2007年5月30日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者張勁松, 曹小明, 田沖, 楊振明, 劉強, 郝傳勇, 李明天 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所