專利名稱：用來減少柴油機排氣的污染物的排氣后處理系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來講涉及一種柴油機。更加具體地說，本發(fā)明涉及一種用來俘獲和除去或者破壞柴油機排氣污染物如顆粒物質(zhì)、不穩(wěn)定的有機化合物(VOCs)、毫微級顆粒數(shù)、NOx、HC、CO和SO2的后處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在世界范圍內(nèi)，政府管理機構(gòu)十分關(guān)注柴油機的顆粒排放。對它們健康影響的重要調(diào)查表明對人類健康的有害影響比原來認(rèn)識到的要嚴(yán)重得多。柴油機排氣的污染物的大部分毒性通過VOC化合物和毫微級顆粒形成和個數(shù)的現(xiàn)象來產(chǎn)生。盡管VOCs化合物和毫微級顆粒數(shù)不能被控制，但是可以采用一些方法來把它們排出到大氣的量限制到最小程度上，這將是未來政府的管理主題。氧化氮是形成煙霧和酸雨的原兇，二氧化硫是形成酸雨的主要因素。
發(fā)動機技術(shù)在過去十年來大大地提高了。與1988年的0.60gm/bhp.hr相比，現(xiàn)代柴油機可以實現(xiàn)0.1gm/bhp.hr的排放。盡管現(xiàn)代柴油機明顯比老式柴油機要干凈，但是仍然還有凈化廢氣的需求，直到接近0排放為止。目前，USEPA和CARB法規(guī)的目的是，從重型卡車車輛模式年2007開始，使顆粒排放下降到0.01gm/bhp.hr，及使NOx排放下降到0.2gm/bhp.hr。從今天來看，它是非常困難的，如果可能的話，那么只有使用發(fā)動機技術(shù)來實現(xiàn)這種目標(biāo)排放。那就使得排氣后處理被選擇為最有效的替換物以符合這些法規(guī)的規(guī)定。
用來俘獲柴油機顆粒物質(zhì)并且降低NOx的后處理技術(shù)在最近的25年來受到明顯的重視。大多數(shù)的技術(shù)聚中在把顆粒物質(zhì)俘獲在過濾介質(zhì)如堇青石陶瓷壁流過濾器、纏繞在穿孔管上的陶瓷纖維和金屬纖維過濾介質(zhì)上。這些裝置通常公知為顆粒捕捉器。
盡管顆粒捕捉器已證明是效率可達80-95％的有效過濾介質(zhì)，但是它需要從過濾介質(zhì)中去掉所聚集起來的煙，以使它返回到初始條件下，從而進行另一個過濾循環(huán)。所需要的這個導(dǎo)致產(chǎn)生了現(xiàn)在公知為“再生過程”的這些。盡管根據(jù)燃燒所聚集起來的煙的再生過程的原理簡單，但是它們在顆粒應(yīng)用中仍然不可靠。在這方面，再生過程和顆粒捕捉器在實際的社會應(yīng)用中具有許多限制。例如，當(dāng)過濾器負載到達閾值時一定得開始再生，其中，超過該閾值時，過濾介質(zhì)上的壓力降開始快速提高并且影響了發(fā)動機性能的工作。從統(tǒng)計的觀點來看，當(dāng)需要它時，柴油機卡車工作期間的排氣溫度不夠高以開始再生過程。采用一些方法來有利于進行再生如“強制再生”，在這種強制再生中，采用外部的熱源把過濾介質(zhì)的溫度提高到超過煙的點火溫度以開始燃燒。此外，貴金屬和或賤金屬催化劑以噴涂在過濾介質(zhì)上的形式提出或者作為添加劑加入到柴油中。催化劑可以使煙的點火溫度從620攝氏度下降到320攝氏度，這將提高這樣的可能性在發(fā)動機工作期間，借助依賴廢氣溫度分布、尤其是高發(fā)動機負荷時的廢氣溫度分布來實現(xiàn)再生。依賴催化劑以實現(xiàn)再生產(chǎn)生了其它問題催化劑受到柴油中的硫化合物的中毒。這導(dǎo)致加入極少的硫柴油以確保催化劑的耐久工作性能。盡管在實際生活應(yīng)用中成功再生的可能性近年來得到了提高，但是再生問題沒有完全消除。在最后的分析中，具有精心制作的邏輯的、復(fù)雜的、昂貴的硬件被配置到處于刺耳排氣環(huán)境中的工作中，這加劇了其它問題如工作的可靠性和使用壽命。
與顆粒捕捉器中的再生過程有關(guān)的、最關(guān)鍵的限制涉及工作的可靠性，這是一個關(guān)鍵的因素，尤其是移動應(yīng)用中更是如此。柴油機車輛不隨著路面行駛循環(huán)的一個模式。當(dāng)然，一些柴油機驅(qū)動的車輛延長了怠速情況，同時其它的工作在阻塞的交通區(qū)域中。所有這些因素使得廢氣溫度分布得太低，以致不能實現(xiàn)被動系統(tǒng)中的再生。即使在具有催化劑的情況下這也可以發(fā)生。其結(jié)果是，在工作期間，產(chǎn)生了不許可的問題。盡管這些問題典型地通過“強制再性”來得到調(diào)整，但是相關(guān)的活動元件如廢氣中的燃料噴射、閥、微型處理器、熱電偶和類似裝置已證明產(chǎn)生了大面積的維修并且在刺耳的廢氣環(huán)境中可靠性較差。在排氣系統(tǒng)中的或者附近的元件把高振動負荷減輕到30g′s，并且也減輕了熱振動負荷。柴油機廢氣環(huán)境中的活動元件的可靠性被證明是較差的。
使用壽命至今是另一個主要考驗根據(jù)EPA，顆粒捕捉器系統(tǒng)需要實現(xiàn)450,000英里的使用壽命，并且無維護間隔為150,000英里。大多數(shù)的活動元件和系統(tǒng)由于不許可的振動負荷、熱振動應(yīng)用和其它相關(guān)的因素而缺少能力來滿足這種使用壽命的要求。
NOx控制技術(shù)多種多樣。重要的控制技術(shù)包括稀燃催化劑；等離子體輔助的催化劑；吸附劑；選擇性催化還原劑；和廢氣再循環(huán)。
幾乎所有這些公知技術(shù)可以有效地減少NOx排放25％-90％。但是，每種技術(shù)具有一些類似于顆粒捕捉器的問題。至今，廢氣再循環(huán)是容易處理這些問題的、最有前途的技術(shù)。在柴油機中，EGR問題包括(1)煙污染了廢氣，這就在發(fā)動機的進氣系統(tǒng)中產(chǎn)生了一些問題；(2)較高的廢氣溫度影響了發(fā)動機性能；及(3)沒有足夠大的壓力差來驅(qū)動所需要的廢氣流到達發(fā)動機進氣中以保持合適的循環(huán)。這些問題阻礙了EGR技術(shù)在柴油機應(yīng)用中的使用。這些改進導(dǎo)致柴油機的新EGR理論的發(fā)展，如果高壓和低壓方法及它們的結(jié)合。公知的EGR系統(tǒng)比較復(fù)雜并且采用了大量硬件，該硬件也潛在地使得使用壽命較差、可靠性較差并且燃料消耗較大。
總之，盡管具有改進，但是再生和EGR適應(yīng)的這些問題仍然困惑著研究者。尤其地，使煙俘獲在過濾介質(zhì)中已證明是非常困難的、令人困惑的任務(wù)，而不會完全解決移動和固定柴油機應(yīng)用中的保證接受。完全需要提高有關(guān)的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及顆粒捕捉器的領(lǐng)域并且用不同的方案取代了目前公知的技術(shù)，以解決前面問題。本發(fā)明的方法是以使精細煙顆粒結(jié)塊成大尺寸大小的的顆粒為基礎(chǔ)的，而這些大顆粒容易與廢氣流分離。兩個方法可以用來實現(xiàn)結(jié)塊顆粒的分離。這些是離心式分離，并且通過反向脈沖噴射來除去結(jié)塊煙。分離的顆?？梢允占蛪壕o成固體小球并且在商業(yè)上進行出售。此外，分離出的顆粒在控制的環(huán)境中可以連續(xù)地進行焚化，這可以消除突然的溫度升高和熱點，因此提高了可靠性和使用壽命。本發(fā)明教導(dǎo)的使用將簡化和加強了EGR系統(tǒng)，這就解決了柴油機應(yīng)用中的主要EGR問題。該系統(tǒng)使它自己適宜于以相配的高水平來控制未調(diào)節(jié)的排放，如減少毫微級顆粒數(shù)，完全消除有害空氣污染(VOCs)，降低顆粒轉(zhuǎn)換器中的壓力降，及分離出柴油機廢氣中的NOx和硫的化合物。
本發(fā)明是以下面這些為基礎(chǔ)的利用各種公知的物理現(xiàn)象和性能通過總系統(tǒng)方法來從柴油機廢氣中除去控制的和未控制的污染物。公知的廢氣顆粒捕捉器是以提供過濾作用為基礎(chǔ)的。本發(fā)明的主產(chǎn)品是顆粒轉(zhuǎn)換器。對于固定式發(fā)動機具有吸收力的本發(fā)明的第一方法是以下面為基礎(chǔ)的用結(jié)塊過程來取代過濾方法。使顆粒結(jié)塊器全部具有煙，將導(dǎo)致進入顆粒物質(zhì)完全結(jié)塊，即進入結(jié)塊器的所有顆粒收集和結(jié)合成更大尺寸大小的形式，從而隨后在下游端除去它們。一旦結(jié)塊器裝載有煙顆粒，那么進入顆粒的俘獲效率大大地提高了，對于更加精細的顆粒尺寸大小來講甚至更高。這導(dǎo)致公知毫微級顆粒俘獲效率達到最高。在結(jié)塊器的下游側(cè)吹去的顆粒是破裂的枝晶，因此它們的尺寸大小較大。根據(jù)工作情況和枝晶是否干燥或者是濕的，枝晶顆粒尺寸大小的范圍為1-100微米，而進入的顆粒范圍為從毫微尺寸大小到1微米，并且平均為0.1微米。使顆粒尺寸大小處于1-100微米的范圍內(nèi)，可以產(chǎn)生新的機會來分離它們，并且最后通過焚化或者簡單地收集來處理它們。在每種情況下，如今天所知道的一樣，再生過程完全可以用更加可靠的替換物來取代。與公知的過濾技術(shù)相比，分離的顆粒受到壓縮以形成煙小球是更加有效的、更加可靠的方法。焚化過程當(dāng)然也是被動的、連續(xù)的并且也是非常可靠的、壽命長的，并且它解決了再生過程中的公知問題。
用結(jié)塊和分離過程來取代再生過程，可以產(chǎn)生新的機會來減少污染物。例如，把廢氣溫度降低到盡可能地低，這與公知顆粒捕捉器的方法相反，從而在減少排放時提供了許多優(yōu)點，這是前面所不能實現(xiàn)的。例如，但不是限制性的，這些優(yōu)點包括(1)降低廢氣溫度可以減小廢氣流速并且粘度，從而導(dǎo)致壓力降減小一個3.1的系數(shù)；(2)較低的廢氣溫度迫使大量的VOC部分冷凝成毫微級尺寸大小的顆粒，這些顆?？梢砸苑浅８叩男蕘矸@并且從尾管中消除它們；(3)降低廢氣溫度迫使更多的毫微級尺寸大小的顆粒冷凝和俘獲在顆粒轉(zhuǎn)換器中，而不是發(fā)生在尾管之后；(4)加入鉑催化劑而不是柴油氧化催化劑，可以把SO2氧化成硫酸鹽毫微級顆粒，這些顆粒可以與煙顆粒收集在一起，從而消除了來自尾管中的硫化合物的排出物；(5)這些活性鉑催化劑也把50-70％的NO氧化成NO2。如果廢氣被冷卻到200°F或者更低，那么大量的NO2可以通過水來吸收，因此以有效而簡單的方式減少了NOx的排放；(6)顆粒轉(zhuǎn)換器的性能不依賴于廢氣溫度分布，這不是其它公知技術(shù)的情況。在閱讀下面提出的本發(fā)明的這些細節(jié)的情況下，這些優(yōu)點和額外優(yōu)點對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講變得更加清楚了。
把作為本發(fā)明基礎(chǔ)的該顆粒結(jié)塊和分離轉(zhuǎn)換器、其它輔助裝置和改進裝置發(fā)展成系統(tǒng)設(shè)計，這種設(shè)計的目的是減少從柴油機廢氣中所排出的、所有公知的污染物。在移動式應(yīng)用中，焚化的廢氣副產(chǎn)品被除去了顆粒物質(zhì)，因此可以重新直接到達發(fā)動機進氣中以作為廢氣再循環(huán)(EGR)的干凈排氣。EGR提供了減少NOx的功能?？梢酝ㄟ^尾管處的轉(zhuǎn)向閥來進一步調(diào)節(jié)廢氣再循環(huán)流。
在廢氣流到達沉降室而不是焚化爐的情況下，在發(fā)動機工作期間該室收集煙，直到它被裝滿了為止，典型地這發(fā)生在3-6個月的期間。當(dāng)該室被裝滿時，在日常維護過程如更換機油期間它被卸載。在維護修理站中，顆粒被到煙鼓中，并且處理成壓縮小球。這可以通過插上排氣尾管來實現(xiàn)，并且允許怠速時的廢氣流把聚集起來的煙(掃氣流)掃到煙鼓中。把室排空到煙鼓中的過程需要大約5分鐘。一個煙鼓可以為1 0個到數(shù)百個移動式發(fā)動機服務(wù)。在固定應(yīng)用、航船應(yīng)用或者多發(fā)動機應(yīng)用中，及在空間保證安裝煙鼓的地方，掃氣流直接處理到煙鼓中而不需要煙室。此外，沉降室可以用收集煙的袋子來取代。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以高效地減少PM、NOx、有毒物(VOCs)、毫微級顆粒數(shù)、SO2、HC和CO。此外，簡單的、被動的粒轉(zhuǎn)換器的屬性及系統(tǒng)的主要平衡是解決公知后處理技術(shù)的使用壽命、可靠性及其它安全性的、最有前途的方法。
本發(fā)明的另一個實施例對于小型柴油機應(yīng)用如卡車和SUVs是有吸引力的。在幾乎所有的這些應(yīng)用中，后處理硬件的尺寸大小是關(guān)鍵性的，尤其在移動式應(yīng)用改進中更是如此。此外，發(fā)動機工作在瞬間模式上，由于加入了紊流、渦流作用及改變了離心式分離器的離心加速而不允許離心式分離器在最佳條件下合適地起作用。這個實施例包括一個成一體的硬件而沒有離心式分離器。結(jié)塊過程用類似的結(jié)塊過濾過程來取代。硬件安裝了合成金屬絲網(wǎng)，該金屬絲網(wǎng)采用了金屬絲網(wǎng)介質(zhì)，該介質(zhì)通過過濾篩網(wǎng)來增加。類似的結(jié)塊-過濾介質(zhì)是深式過濾器(deep filter)，該過濾器按照結(jié)塊原理來進行工作，接著進行一級或者多級過濾。介質(zhì)不是用來起著全結(jié)塊器的作用。因此，當(dāng)顆粒收集效率開始變壞(借助介質(zhì)上的壓力降的提高來進行測量)，不得不采用一些方法來凈化介質(zhì)。這導(dǎo)致采用反向脈沖噴射來除去儲存在介質(zhì)中的大量煙。位于上游側(cè)上的、結(jié)塊的、吹去的煙落到殼體的底部中。為了防止結(jié)塊的煙攪動及防止它們又重新裝載到金屬絲網(wǎng)介質(zhì)上，因此可以采用穿孔的片來分離收集起來的煙，該煙由于重力和振動作用而降落到穿孔片下方，從而與主廢氣流分離開。位于穿孔片和合成金屬絲網(wǎng)之間的空間全部專用于主排氣流的流動。
類似的結(jié)塊-過濾介質(zhì)實施例可以是矩形，但不局限于此，其中該矩形的高度適合于地下安裝在移動源如卡車和公共汽車上。另一方面，這個實施例可以采用圓柱形裝置的形狀，該裝置也適合于垂直地安裝某些卡車和公共汽車上。在每個實施例中，安裝金屬絲網(wǎng)介質(zhì)的室的數(shù)目可以是一個、兩個或者更多個。提高安裝金屬絲網(wǎng)的室的數(shù)目，可以減少壓力降，可以提高煙的保持能力，并且可以提高煙俘獲效率。
通過下文所提供的詳細描述，本發(fā)明的其它應(yīng)用領(lǐng)域變得更加清楚。應(yīng)該知道，詳細描述和具體例子在示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的同時，僅是用來解釋的，而不是用來限制本發(fā)明的范圍。


通過詳細描述和附圖可以更加完全地理解本發(fā)明，其中圖1是用于固定應(yīng)用中的、完全被動的顆粒轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意圖，它示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的廢氣流。
圖2是顆粒轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意圖，它示出了廢氣流，其中重點在于根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)來控制廢氣再循環(huán)。
圖3是具有一個結(jié)塊管和出口的顆粒轉(zhuǎn)換器的縱向橫剖視圖，它示出了進氣、結(jié)塊和分離。
圖3A是沿著圖3的線A-A所截取的橫剖視圖。
圖3B是沿著圖3的線B-B所截取的橫剖視圖。
圖3C是沿著圖3的線C-C所截取的橫剖視圖。
圖4是具有兩級分離器和在缸體內(nèi)形成一體的焚化爐的顆粒轉(zhuǎn)換器的縱向橫剖視圖。
圖4A是沿著圖4的線A-A所截取的橫剖視圖。
圖4B是沿著圖4的線B-B所截取的橫剖視圖。
圖4C是沿著圖4的線C-C所截取的橫剖視圖。
圖5A和圖5B示出了成一體的焚化爐接合的篩網(wǎng)元件和進行中的焚化過程的詳細橫剖視圖。
圖6是具有多個結(jié)塊管的顆粒轉(zhuǎn)換器的縱向橫剖視圖。
圖6A是沿著圖6的線A-A所截取的橫剖視圖。
圖6B是沿著圖6的線B-B所截取的橫剖視圖。
圖6C是沿著圖6的線C-C所截取的橫剖視圖。
圖7是具有多結(jié)塊管和兩級顆粒分離器的顆粒轉(zhuǎn)換器的縱向橫剖視圖。
圖7A是沿著圖7的線A-A所截取的橫剖視圖。
圖7B是沿著圖7的線B-B所截取的橫剖視圖。
圖7C是沿著圖7的線C-C所截取的橫剖視圖。
圖8是具有用于消聲的多旁通孔的顆粒分離器中的螺旋鉆的側(cè)視圖。
圖9是橫剖視圖，它示出了窗口設(shè)計和暫時顆粒噴射和分離的原理。
圖10是合成金屬絲網(wǎng)結(jié)塊器的橫剖視圖。
圖11示出了作為離心式分離器內(nèi)的流程和窗口孔的位置的函數(shù)的、2微米顆粒移動量的分析結(jié)果，位于兩個連續(xù)的箭頭之間的間隔等于降落循環(huán)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(360度)所產(chǎn)生的移動量。該圖表由3維流體機械分析來產(chǎn)生，并且用尺寸大小和渦流作用的碰撞突出了顆粒移動量。
圖12示出了在離心式分離器內(nèi)的5微米顆粒移動量和窗口孔的位置的分析結(jié)果。位于兩個連續(xù)箭頭之間的間隔等于由完整循環(huán)旋轉(zhuǎn)圈(360°)所產(chǎn)生的移動量。
圖13是煙收集室的平面視圖。
圖14是煙收集室的橫剖視圖。
圖15是具有成一體的焚化爐的煙收集室的橫剖視圖。
圖16是具有成一體的焚化爐的煙收集室的平面視圖。
圖17是具有反向脈沖噴射的煙處理鼓的縱向橫剖視圖。
圖18是具有機械搖動器的煙處理鼓的改進橫剖視圖。
圖19是用于移動式應(yīng)用中的顆粒轉(zhuǎn)換器和EGR系統(tǒng)的示意圖。
圖20是平的類似結(jié)塊-過濾顆粒轉(zhuǎn)換器和用于移動式應(yīng)用中的EGR的示意圖，它示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的排氣流。
圖21是用于移動式應(yīng)用中的、平的結(jié)塊-過濾顆粒轉(zhuǎn)換器的示意圖，它示出了廢氣流，其中重點在于不同的反向脈沖噴射方案和使用煙收集袋。
圖22是用于移動式應(yīng)用中的圓柱形類似結(jié)塊/過濾顆粒轉(zhuǎn)換器的橫剖視圖。
圖23A和23B各自示出了位于打開和關(guān)閉位置上的滑動門機構(gòu)。
圖24A和24B是結(jié)塊/過濾合成金屬絲網(wǎng)介質(zhì)和類似纖維和篩網(wǎng)過濾介質(zhì)的橫剖視圖。
圖25示出了被動的焚化爐裝置與圖20和22中的顆粒轉(zhuǎn)換器結(jié)合在一起。
圖26是用來在類似結(jié)塊-過濾顆粒轉(zhuǎn)換器中控制反向脈沖噴射的控制邏輯示意圖。
圖27示出了具有和沒有過濾篩網(wǎng)的類似金屬絲網(wǎng)介質(zhì)的典型收集效率和背壓特性。
圖28是邏輯示意圖，它示出了用來俘獲、處理和破壞VOCs、SO2和NOx的原理。
具體實施例方式
優(yōu)選實施例的下面描述事實上僅是示例性的，而不是用來限制本發(fā)明、本發(fā)明的應(yīng)用或者使用。
A系統(tǒng)的簡短描述首先參照附圖中的圖1，其中這些標(biāo)號在所有的許多附圖中表示相同或者相應(yīng)的零件，附圖1示出了用來減少來自發(fā)動機廢氣中的污染物的后處理系統(tǒng)。圖1所示的系統(tǒng)可以用來對來自各種內(nèi)燃機如柴油機、壓縮和液態(tài)天然氣發(fā)動機的廢氣進行后處理，其中這些內(nèi)燃機工作在稀混合氣的情況下，并且具有大量的顆粒物質(zhì)。本發(fā)明系統(tǒng)可以設(shè)計成共同地損壞/分離/除去廢氣中的所有污染物。這包括顆粒物質(zhì)和毫微尺寸大小的顆粒、揮發(fā)性的有機化合物、氧化氮、碳氫化合物、一氧化碳及二氧化硫。通過結(jié)合處理，釋放到大氣中的廢氣可以高效地除去所有所述的污染物，這可以使得這些高污染的發(fā)動機不污染環(huán)境。
繼續(xù)參照圖1，并且還參照圖2-7，它們示出了用于固定柴油機應(yīng)用中的本發(fā)明轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的各種優(yōu)選實施例。氧化催化劑10連接到發(fā)動機排氣歧管中。催化劑10可以是柴油機氧化催化劑或者活性貴金屬催化劑(如在汽油機應(yīng)用中)。在催化轉(zhuǎn)化器10之后是排氣系統(tǒng)50，該排氣系統(tǒng)50設(shè)計成在廢氣進入到顆粒轉(zhuǎn)換器100之前最大可能地冷卻廢氣。這種可能的冷卻模式總體上可以分成表示傳熱的不同模式的三段輻射段60，之后是空氣對流段70、之后是液體對流段80。
用于固定應(yīng)用中的顆粒轉(zhuǎn)換器更加詳細地示出在圖3、4和6中。顆粒轉(zhuǎn)換器主要包括進氣部分110；結(jié)塊器120；離心分離器130；及出口部分140。出口部分140可以采用圖4和5A和5B所示的焚化裝置150。位于轉(zhuǎn)換器端部處的換氣氣流通道通過管道連通到煙收集室170中。離開煙收集室170的清潔廢氣形成了廢氣回流(EGR)200以到達發(fā)動機的空氣濾清器中。EGR系統(tǒng)可以采用軸流式增壓泵241，以合適地測量EGR流量。收集在煙收集室170中的煙通過管道向外通到煙處理鼓室200中，從而回收球形的煙。
B氧化催化劑本發(fā)明的氧化催化劑10被選擇成具有能夠充分地減少少量的VOC化合物但是允許大量的VOCs化合物通過、冷凝在排氣管中并且最后收集在顆粒轉(zhuǎn)換器中。冷凝過的VOCs化合物起著結(jié)合材料的作用，該結(jié)合材料形成了尺寸大小較大的成團顆粒，并且防止由于在氣旋分離器所碰到的紊流或者渦流現(xiàn)象而產(chǎn)生分離。因此，對于本發(fā)明的目的而言，使用更小尺寸大小的柴油機氧化催化劑就足夠了。柴油機氧化催化劑還在氧化碳氫化合物、一氧化碳時起作用，并且對于二氧化硫(SO2)的氧化具有較小的作用。另一方面，活性貴金屬催化劑對碳氫化合物、一氧化碳和少量VOCs化合物的氧化產(chǎn)生很大的作用，并且高效地把SO2氧化成硫酸鹽化合物并且把NO氧化成NO2。把SO2氧化成硫酸鹽在工業(yè)上廣泛地公知為在柴油機廢氣應(yīng)用中是非常不良的催化活性，因為它導(dǎo)致顆粒排放增加。另一方面，如果通過催化劑之后的廢氣溫度冷卻成小于硫酸鹽冷凝溫度，那么可以形成毫微級尺寸大小的硫酸鹽顆粒，這些硫酸鹽顆粒可以與煙顆粒一起收集在轉(zhuǎn)換器中。煙和硫酸鹽的混合物形成濕的褐色顆粒。在可以實現(xiàn)充分冷卻的地方，該方法可以高效地除去SO2污染物的廢氣。還應(yīng)該注意到，NO以大約50-70％的效率氧化成NO2。由于NO2是活性的，因此在經(jīng)過轉(zhuǎn)換器之后，通過用水來凈化廢氣，使它與硫酸鹽化合物一起被吸收。
C.廢氣冷卻系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機應(yīng)用和所得到的液態(tài)冷卻介質(zhì)如水，改變設(shè)計來冷卻廢氣的裝置。本發(fā)明的方法是以利用傳熱模式的性能為基礎(chǔ)。當(dāng)廢氣以高溫離開氧化催化劑10時，使用輻射排氣部分60。輻射部分60的特征在于，它具有較大的表面積或者較大的管子，表面加工具有最高的輻射特性如無光澤的黑色(matte black)。這個之后是空氣/廢氣熱交換部分70。該部分70依賴于由于車輛運動而通過排氣管的外部空氣的相對速度。排氣管沿著軸向成波狀從而使表面擴大了。也可以使用多個管子。所有管子需要受到風(fēng)因素的影響。
最后部分是液態(tài)/廢氣熱交換器80。該部分80依賴于使用流體如發(fā)動機冷卻劑(它通常用在汽車中)或者水以提供所需要的冷卻。應(yīng)該注意的是，絕大多數(shù)的柴油機的廢氣溫度在全負荷時大約達到900-1000°F。在至轉(zhuǎn)換器的進口處的目標(biāo)廢氣溫度約為250°F至300°F在可以實現(xiàn)充分冷卻的地方，如水并且NO2需要凈化，在通過轉(zhuǎn)換器之后，廢氣溫度需要進一步降低到大約150°F到200°F的范圍。從一種發(fā)動機應(yīng)用到另一種發(fā)動機應(yīng)用，三種不同冷卻機構(gòu)的選擇在較大的范圍內(nèi)進行改變。通常地，輻射部分60尤其提供了最大的冷卻效果并且費用最小。根據(jù)應(yīng)用，第二或者第三冷卻機構(gòu)可以一起使用或者獨立地使用。
D.顆粒轉(zhuǎn)換器，全結(jié)塊圖3、4、6和7進一步示出了顆粒轉(zhuǎn)換器100的優(yōu)選實施例。借助使流動通道逐漸膨脹到空間(它供給結(jié)塊器以使壓力降最小化)中，轉(zhuǎn)換器100的進氣段101使進入流從圓形或者矩形管轉(zhuǎn)向到位于殼體113和結(jié)塊器102之間的空間中。
轉(zhuǎn)換器100中的結(jié)塊器部分102可以是圖3和4所示的一個殼體，或者是圖6和7所示的多管設(shè)計。在兩個實施例中，需要較大表面積來提高結(jié)塊效果。在圖6和7的多管設(shè)計中，所有流動朝向離心分離器。在圖3和4的單殼體結(jié)塊器中，該流量在連續(xù)的基礎(chǔ)上被供給和處理到離心式分離器中。在每個通道中被處理過的流量是總流量的一部分。
根據(jù)廢氣流從結(jié)塊器到內(nèi)部管104的運動通道和結(jié)塊器的長度，可以選擇通道中的流量。處理每個通道中的總流量的一部分是理想的，因為可以減少紊流和渦流作用。此外，通過離心作用來進行處理顆粒的過程被限制成使這些顆粒在結(jié)塊器的內(nèi)徑上保持分離，同時清潔的排氣流向內(nèi)地移動到內(nèi)芯管107中。
結(jié)塊器由集成的金屬絲網(wǎng)介質(zhì)來形成，該介質(zhì)具有可變的金屬絲尺寸大小并且具有特別如圖24A所示的填充密度。結(jié)塊器102的上游側(cè)由粗金屬絲來形成，該金屬絲具有較小的填充密度并且改進成更加精細的金屬絲，這種精細的金屬絲在圖10所示的下游側(cè)處具有較高的填充密度。這種選擇標(biāo)準(zhǔn)能夠在外層上俘獲較大的顆粒，同時把較小的顆粒俘獲在更加精細的組裝金屬絲上。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)最大顆粒俘獲效率，甚至使煙分布在介質(zhì)上，同時使壓力降盡可能的小。此外，在結(jié)塊器的上游側(cè)具有敞開的孔，從而允許顆粒被俘獲在結(jié)塊器中并且防止煙層(塊狀物)形成在結(jié)塊器的前邊，這導(dǎo)致壓力降增大。結(jié)塊顆粒物質(zhì)的處理示出在圖10中。
結(jié)塊器的厚度的大小為大約10mm到大約30mm，并且在大多數(shù)應(yīng)用中平均大小為大約10mm到20mm。這種厚度隨著在金屬絲之間的空隙空間形成煙枝晶體以較小的流動速度進行結(jié)合，可以導(dǎo)致高效地俘獲來自柴油機廢氣中的亞微型或者毫微大小的顆粒，這具有從104到105的顆粒的減少范圍。這大大地減少了排氣有毒污染物的主要成分。
本發(fā)明的結(jié)塊器與其它的公知煙過濾器技術(shù)如陶瓷壁流整體形成了鮮明的對比，這些公知裝置的壁厚平均為0.1mm到0.3mm，從而使它們俘獲亞微型和毫微級顆粒的效率較低。通過使廢氣冷卻，使毫微顆粒俘獲效率進一步得到提高。公知的是，在廢氣冷卻過程期間，形成毫微顆粒的主要量，并且在廢氣冷卻到環(huán)境溫度時達到最大形成量。使廢氣從900°F-1000°F冷卻到大約250°F-300°F，可以導(dǎo)致迫使大量的毫微顆粒在轉(zhuǎn)換器之前進行冷凝。相信少量的VOC化合物主要通過氧化催化劑來損壞，其中該少量的VOC化合物依賴于剩余毫微顆粒的進一步形成。在廢氣離開排氣尾管之前，本發(fā)明的氧化催化劑、廢氣冷卻和結(jié)塊器的結(jié)合效果在工業(yè)上廣泛地、大大地減少了毫微大小的顆粒個數(shù)。
E離心式分離器本發(fā)明優(yōu)選實施例的離心式分離器示出在圖3、4和7中。圖3的離心式分離器由一個螺旋鉆105安裝在共心的芯(管)111上來形成。來自結(jié)塊器的廢氣以連續(xù)和均勻的方式供給通過離心式分離器的整個長度。共心的芯管設(shè)置有窗口109，這些窗口沿著流動通道等距離地隔開。這些窗口沿著螺旋鉆的旋轉(zhuǎn)方向以大約120度的角度隔開。為了開始旋轉(zhuǎn)流動圖形，在通到螺旋鉆的入口處不采用窗口。加入結(jié)合擋板103，該擋板使流動逐漸形成螺旋運動。當(dāng)通道內(nèi)的流動形成時，粘合板沿著徑向逐漸運動到內(nèi)部芯管中。同樣地，粘合板在外徑上開始，并且向著內(nèi)部芯螺旋地運動。需要螺旋鉆旋轉(zhuǎn)大約1.5轉(zhuǎn)來形成整個旋轉(zhuǎn)流動通道。在形成旋轉(zhuǎn)流動通道的截面中沒有采用窗口。第一窗口越過粘合板的端部120度，從而在鄰近芯管的廢氣層中進行顆粒分離。之后，窗口設(shè)計以與來自結(jié)塊器的進入流相同的速度來俘獲廢氣流的干凈層。這允許流動通道中的流動速度保持基本不變。選擇離心式分離器的開始截面和第一窗口的位置，從而形成廢氣在進入窗口之前的旋轉(zhuǎn)循環(huán)的數(shù)目。通常地，大約兩個旋轉(zhuǎn)循環(huán)就足以分離尺寸大小大約超過2微米的結(jié)塊顆粒。更多的旋轉(zhuǎn)循環(huán)導(dǎo)致廢氣更加干凈。
圖11和12示出了作為顆粒尺寸大小對旋轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)的、離心式分離器的典型顆粒分離(移動)。一個完整的循環(huán)圈(旋轉(zhuǎn)360度)的顆粒移動用兩個連續(xù)箭頭之間的間隙來表示。顯然，尺寸大小較大的顆粒沿著徑向比較小的顆粒運動得更塊。但是，兩個現(xiàn)象在離心式分離器中對顆粒的徑向移動產(chǎn)生了相反的作用紊流和渦流作用。通過3維流體-機械分析來研究這兩者，其中這種流體-機械分析采用了尺寸大小不同的顆粒的氣溶膠模型。對于較小的顆粒而言，渦流作用是主要的，并且可以導(dǎo)致顆粒沿著與離心方向相反的方向進行移動，因此不能達到分離。但是，渦流只局限于這樣的局部區(qū)域，該局部區(qū)域接近螺旋鉆的兩側(cè)的這些，如圖11和12所示。因此，選擇窗口開度，從而使渦流區(qū)域保持干凈，以避免污染的廢氣重新進入到窗口內(nèi)。
在實驗期間，通過實驗可以觀察到，尺寸大小較小的顆粒收集在芯管的外側(cè)表面上，其中該顆粒沒有完全結(jié)塊成大約1.0微米或者更大，或者這些由于紊流或者渦流作用而可以折斷成更小的顆粒。這種觀察資料與離心作用的效果相反。假定這種較小的顆粒由于渦流作用而被輸送到芯管中，并且通過顆粒收集的傳播模式來收集。這些顆粒被認(rèn)為是流動的，在芯管的表面上進行結(jié)塊，然后，一旦它們的尺寸大小達到一定的閾值以保證沿著流動方向具有足夠的拖拉，就開始沿著流動方向進行移動。盡管這些顆粒只構(gòu)成總顆粒的一小部分，但是它們幾乎完全可以被夾帶到窗口流中，除非采用了一定的方法。
簡單的顆粒噴射器117或者分離器安裝在窗口107的前部，如圖9所示。借助在窗口打開之前釋放結(jié)塊的顆粒，離心作用將使這些顆粒沿著徑向移動一個足夠的徑向距離，以避免進入到為干凈流所設(shè)計的窗口的空間中。由于顆粒具有慣性，因此這些顆粒形成了與進入窗口的流束分離開的流動通道。這種現(xiàn)象在氣溶膠科學(xué)中稱為非等動力現(xiàn)象。
在前進的基礎(chǔ)上，干凈的廢氣流進入窗口開口中。所收集起來的、芯管中的干凈廢氣被釋放到大氣中。所有結(jié)塊的顆粒保持分離并且連續(xù)地聚積在離心式分離器的外側(cè)直徑上或者附近。在離心式分離器的下游端處，一部分廢氣攜帶著所有分離的顆粒，并且到達出口或者電焚化爐中。這部分廢氣稱為掃氣流。出口機構(gòu)示出在圖3 C、6C和7C的剖視圖中。粘合螺旋板112用來幫助掃氣流通過出口116而出來。
在電焚化爐117用作顆粒轉(zhuǎn)換器的一體元件的地方，如圖4所示，兩個錐形篩網(wǎng)組件在它們的端部連接到內(nèi)芯111和外殼體115上，同時兩個配合端固定在一起。這種布置具有較大的表面積，而這種較大的表面積是使通過合成篩網(wǎng)組件的廢氣流速度較小所需要的。掃氣流在兩個錐形篩網(wǎng)組件之間分開。通過使錐形篩網(wǎng)組件(未示出)的數(shù)目加倍而使表面積加倍。
F焚化爐，優(yōu)選實施例A合成的篩網(wǎng)組件示出在圖24A和24B中。這些篩網(wǎng)具有不同的功能。第一篩網(wǎng)120被選擇成具有較大尺寸大小的金屬絲和較寬的開口。篩網(wǎng)120的下游側(cè)涂有電絕緣材料如陶瓷物質(zhì)。篩網(wǎng)120連接到12或者24V的電源上。除了在與第一篩網(wǎng)120相配合的表面上施加電絕緣之外，第二篩網(wǎng)121與第一篩網(wǎng)120相同。第三篩網(wǎng)122是隔板篩網(wǎng)，并且選擇成開口小于50微米。第四篩網(wǎng)123是金屬絲較大的篩網(wǎng)，并且選擇成提供三個第一篩網(wǎng)120、121和123的結(jié)構(gòu)支撐。噴涂在第一和第二篩網(wǎng)120和121的配合側(cè)部上的陶瓷提供了防止篩網(wǎng)金屬短路的雙保護。
當(dāng)掃氣流按照本發(fā)明的順序穿過篩網(wǎng)組件時，結(jié)塊煙收集在篩網(wǎng)122的外側(cè)表面上，該篩網(wǎng)122起著隔板的作用。煙顆粒連續(xù)地沿著上游方向形成煙層，直到它到達第一篩網(wǎng)120為止。收集在第一和第二篩網(wǎng)120和121上的煙顆粒與兩個篩網(wǎng)120和121的赤裸金屬形成接觸。由于煙的導(dǎo)電性較高，因此形成了電路并且電流流過煙層。煙在3到6秒內(nèi)被加熱到高溫，并且由于在掃氣流中具有氧，因此煙很快被焚化了。
為了改善焚化過程，因此第二和第三篩網(wǎng)121和122的赤裸金屬可以涂有鉑。借助降低煙的點火溫度，貴金屬涂層大大地改善了焚化過程。此外，盡管廢氣中的氧含量較低，但是鉑涂層使焚化過程保持高效。焚化過程的副產(chǎn)品是CO、CO2和蒸汽，它們?nèi)慷际菬o害氣體并且可以通過第三篩網(wǎng)122。
灰的形成潛在地影響了焚化爐的功能，因為它逐漸形成在位于第一和第二篩網(wǎng)120和121之間的空間中。大多數(shù)的灰由于振動而被抖落了，并且落到焚化爐底部的腔中。通過使用背壓脈動的常規(guī)維護過程可以除去阻塞篩網(wǎng)組件的剩余灰。
焚化過程只產(chǎn)生在局部區(qū)域中，在這些局部區(qū)域中，煙的形成到達了能夠形成電路的點。這使得焚化過程是間歇的，并且有些連續(xù)。由于在合成篩網(wǎng)上具有非常小的流動速度、在篩網(wǎng)的較大面積上分布著煙、小量的煙被焚化、第一和第二篩網(wǎng)120和121具有熱惰性，因此焚化過程被認(rèn)為產(chǎn)生在控制的環(huán)境中。在焚化爐的上游側(cè)和下游側(cè)之間可以觀察到，廢氣溫度沒有明顯提高。此外，篩網(wǎng)121和122所選擇的材料是不銹鋼，該不銹鋼在高溫下具有較高的耐腐蝕性，并且具有較高的、防止碳和硫侵襲的耐化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)。具有較高的鎳、鉻和鋁的、所選擇的特級合金如商業(yè)等級公知為A級合金對于篩網(wǎng)材料而言就足夠了。
離開采用焚化爐的轉(zhuǎn)換器的掃氣流弄干凈了顆粒物質(zhì)，并且可以用作廢氣再循環(huán)(EGR)，并且因此在經(jīng)過空氣濾清器元件之后通到發(fā)動機進氣中?？諝鉃V清器之后的真空壓力是足夠大的驅(qū)動力來形成掃氣(EGR)流。這種系統(tǒng)布置完全是被動的。但是，EGR流較小并且不能控制，NOx的減少量較小，15-20％的范圍。此外，當(dāng)發(fā)動機處于怠速情況下，沒有EGR流形成，因為空氣濾清器元件之后的負壓非常小。
G.煙收集室作為焚化爐的取代物的另一個優(yōu)選實施例是采用煙收集室170，如圖13和14所示。煙室170是一個簡單的室，該室在底部171具有出口以供掃氣流進入，并且在上側(cè)具有第二出口173以供干凈的廢氣出來。離開室的干凈廢氣如前面所述那樣變成了廢氣再循環(huán)氣。
煙室具有由篩網(wǎng)174來分開的兩個室。篩網(wǎng)174起著煙隔板。除了掃氣流較小之外，把篩網(wǎng)174選擇成具有較大的表面積并且具有小于大約50微米的間隙空間，這導(dǎo)致篩網(wǎng)上的流動速度非常小。這使得篩網(wǎng)174起著結(jié)塊煙的隔板的作用。煙以層(塊)的形狀形成在篩網(wǎng)174的表面上。當(dāng)多層煙連續(xù)地形成篩網(wǎng)的下側(cè)上時，這些煙層由于車輛振動和沖擊載荷而最后落到室的底部中。
采用具有彈簧和以它自己固有頻率進行振動的鋼球的系統(tǒng)，可以提高釋放煙層的過程。振動系統(tǒng)通過負荷和發(fā)動機振動來進行激勵。煙室可以設(shè)計來收集煙，根據(jù)發(fā)動機煙排放水平，該煙由卡車工作3到6個月所產(chǎn)生的煙。煙收集在該室的底半部中，最多到達篩網(wǎng)。室可以采用焚化爐。煙室焚化爐包括兩排錯開的不銹鋼管，這些管子噴涂有鉑，該爐設(shè)置在底部中。下排接地，較高的那排連接到12或者24V的電源上。橋接在接地管和電力管之間的間隙上的煙連續(xù)地被焚化。煙室中所采用的焚化爐是穩(wěn)定的并且設(shè)計簡單。焚化爐的副產(chǎn)品是無害氣體，該無害氣體循環(huán)到發(fā)動機進氣中以作為EGR系統(tǒng)的一部分。
柴油機應(yīng)用(在這里采用活性鉑氧化催化劑)把SO2氧化成硫酸鹽化合物，并且煙收集應(yīng)該取代焚化過程。由于硫酸鹽化合物不能被焚化，因此這是方便的。硫酸鹽化合物再循環(huán)到發(fā)動機中以作為EGR的一部分，這可以導(dǎo)致發(fā)動機的進氣系統(tǒng)受到不良的損害。這就產(chǎn)生了一個這樣的優(yōu)選實施例煙收集在煙室中，然后在煙處理鼓220中最后處理成煙球，從而作為商業(yè)上公知的碳黑來最后出售。借助把位于室170的底部處的第二出口178連接到煙處理鼓220中，使煙室170排空，暫時堵塞住卡車的尾管，并且在接近怠速情況下使發(fā)動機工作大約5分鐘。發(fā)動機廢氣流把位于煙室170的底部處的、收集起來的煙清掃到煙鼓中。
H煙處理鼓一些應(yīng)用中(在這些應(yīng)用中，有利于收集煙而不是焚化它)需要使用圖17和18所示的煙處理鼓。鼓200的功能是在腔的底部處分離和收集煙，并且周期地壓縮它，直到形成壓縮過的固體球為止。把該球放到容器(塑料包)中進行運輸，并且作為商品出賣到化學(xué)工業(yè)中以進行應(yīng)用如進行打印。使硫酸鹽和硫磺酸煙收集在一起，并且這些球可以呈褐色。
煙鼓200具有進氣流分配螺旋鉆。兩個或者四個共心錐形隔板篩網(wǎng)202安裝到包圍空間中。篩網(wǎng)202的后側(cè)連接到出口歧管203上。出口歧管203連接到真空增壓鼓風(fēng)機204，該鼓風(fēng)機用來產(chǎn)生足夠大的真空度，以驅(qū)動通過鼓200的最小流動量。
當(dāng)結(jié)塊的煙收集在篩網(wǎng)202上時，形成了煙層，并且篩網(wǎng)202上的背壓增大了。因此，需要機構(gòu)來吹去煙層?？梢圆捎脙蓚€優(yōu)選實施例圖17所示的背壓脈沖，或者圖18所示的篩網(wǎng)抖動振動器。
背壓脈沖由小型壓縮機205來形成，該壓縮機205把壓縮后的空氣輸送到空氣箱206中?？諝庀?06通到篩網(wǎng)202的后部，壓縮空氣通過控制閥207來釋放。周期地驅(qū)動閥207，從而允許高壓空氣的脈沖流到篩網(wǎng)202的背側(cè)，從而釋放煙層。釋放后的煙落到腔的底部中。采用彈簧加載式單向閥208來防止脈沖空氣旁通。
在鼓200的芯部中，馬達操縱的軸209驅(qū)動壓緊器210向下從而把落下的煙壓縮到圓柱形腔中，直到達到一定的校準(zhǔn)負荷時為止。馬達停止并且使壓緊器返回到上部位置以準(zhǔn)備第二個循環(huán)。在重復(fù)一些壓緊循環(huán)之后，小球變大，直到它到達一定高度時為止。形成表示整個小球的電信號，另一個馬達操縱的軸211使底部保持板213遠離腔。在馬達軸209工作的隨后循環(huán)中，壓緊器把小球驅(qū)動到底部平臺214中。小球釋放到袋212中以進行移動和運輸。
兩個馬達軸的工作借助微型計算機(未示出)來進行控制，該計算機具有以表示步驟順序的邏輯性。當(dāng)它連接到煙收集室中時，驅(qū)動煙處理鼓控制。對于卡車應(yīng)用而言，排空該室的過程平均需要5分鐘。由于裝載煙室需要卡車工作3到6個月，因此煙處理鼓可以為許多卡車服務(wù)，可以為10到數(shù)百個進行服務(wù)。
用來釋放煙層的另一個優(yōu)選實施例是機械脈沖器或者搖動器，如圖18所示。機械搖動器218充分地從篩網(wǎng)202中去掉煙塊。對于VOC含量較高且煙是濕的應(yīng)用而言，反向脈沖噴射方法是理想的。另一方面，在VOC部分較小并且煙相對較干燥的地方，機械脈沖器/搖動器方法是優(yōu)選的，因為它比較簡單并且不貴。
I顆粒轉(zhuǎn)換器-類似的結(jié)塊/過濾類似的結(jié)塊(quasi agglomenation)/過濾顆粒轉(zhuǎn)換器用于機動源的應(yīng)用中。顆粒轉(zhuǎn)換器具有一個或者多個室。圖20示出了具有兩個室的轉(zhuǎn)換器，它示出了主要地下移動應(yīng)用的優(yōu)選實施例。在兩室的結(jié)構(gòu)中，進氣流被分成兩個室。每個流動段朝向合成金屬絲網(wǎng)或者類似的合成絨和過濾篩網(wǎng)介質(zhì)，如圖24A和24B所示。合成鋼絲絨(wool)介質(zhì)的特征在于，它可以是結(jié)塊器介質(zhì)，該介質(zhì)具有低壓降并且具有較小的煙保持能力。另一方面，采用了具有合適尺寸大小開口的保持篩網(wǎng)，這增加了過濾功能。根據(jù)廢氣溫度和VOC部分在煙中的比率，篩網(wǎng)使煙聚集在廢氣流的上游側(cè)上。所聚集起來的煙可以形成塊。這些現(xiàn)象提高了合成金屬絲網(wǎng)介質(zhì)的煙保持能力/煙收集效率；并且伴隨著提高了壓力降。
圖19所示出的、弄平的類似結(jié)塊/過濾轉(zhuǎn)換器具有進氣255，以使進入流轉(zhuǎn)換和膨脹到室中。這些室借助分離板257來分開。每個室具有類似的結(jié)塊/過濾介質(zhì)258。從動的滑動門機械265示出在圖23中。出口271收集干凈的廢氣并且通過管子把它導(dǎo)出。無源的焚化爐280實施例B示出在圖25中。
圖19的類似結(jié)塊/過濾介質(zhì)可以形成在一層或者具有不同設(shè)計目的的多層中。為了得到最高的煙保持能力和效率，因此上游層設(shè)計成俘獲較大的顆粒。下游層設(shè)計成俘獲較小的顆粒。這將使得整個介質(zhì)中的煙負載幾乎是均勻的，并且降低了與煙負載相對的、背壓的形成。圖24A和24B各自示出了三層鋼絲絨及三層鋼絲絨和篩網(wǎng)。
上游層的鋼絲絨具有16-25微米的平均纖維直徑(也稱為平均液壓纖維直徑)并且具有3％-6％的填充密度(該填充密度定義為鋼絲絨重量對相同體積的固態(tài)鋼重量的百分比)。篩網(wǎng)具有50×50或者20×50的網(wǎng)眼數(shù)(網(wǎng)眼數(shù)定義為每英寸的開口數(shù)目)。后面的層具有更小的纖維直徑、更高的填充密度和更高的、每英寸的網(wǎng)眼數(shù)如25-32um纖維直徑、4％-8％的填充密度和75×75、100×100網(wǎng)眼或者40×100網(wǎng)眼。具有較高的VOC化合物百分比的煙需要較大的纖維尺寸大小、較小的填充密度和較小的篩網(wǎng)網(wǎng)眼數(shù)，以應(yīng)付“膠粘效果”，該膠粘效果提高了壓力降。
類似的結(jié)塊/過濾顆粒轉(zhuǎn)換器的另一優(yōu)選實施例是圖22所示的圓形結(jié)構(gòu)。金屬絲網(wǎng)介質(zhì)的實施例是以圓柱形設(shè)計為基礎(chǔ)的，在該圓柱形設(shè)計中，金屬絲網(wǎng)是圓柱形的，分離器片是圓柱形，并且殼體也是圓柱形。轉(zhuǎn)換器可以具有一個或者多個室。這個實施例在某些卡車應(yīng)用如具有垂直消聲器的這些中是理想的。圖22示出了具有兩個室的典型圓形結(jié)構(gòu)。圓形實施例的所有元件和邏輯性基本上與平的實施例的這些相同。
J反向脈沖噴射系統(tǒng)當(dāng)合成金屬絲網(wǎng)/鋼絲絨介質(zhì)在上游側(cè)載有煙時，煙枝晶沿著流動流的方向進行移動。介質(zhì)的下游層最后載有煙，并且超出了一定的閾值，煙開始吹散(作為結(jié)塊顆粒)。其結(jié)果是，介質(zhì)的煙收集效率形成降低，最后它具有非常小的值。
一旦煙開始吹散，那么反向脈沖噴射被驅(qū)動。一旦到達在轉(zhuǎn)換器上的壓力降閾值，那么就觸發(fā)這種情況。借助使高壓壓縮空氣在金屬絲網(wǎng)的下游側(cè)進行脈動，那么所收集起來的煙沿著進入的未處理的廢氣流的相反方向被吹掉。反向脈沖噴射設(shè)計成吹去足夠量的煙，從而允許網(wǎng)介質(zhì)卸去所聚集起來的煙量。所吹去的煙通過重力作用而放置到室的底部中。為了防止煙由于進入的廢氣而被攪動起來，因此穿孔的篩網(wǎng)可以插入到每個室的下部室中。煙通過篩網(wǎng)中的穿孔落下。廢氣通過篩網(wǎng)的頂部，同時裝在篩網(wǎng)下部處的煙被收集起來，因為沒有流動產(chǎn)生。理想的是，例如在怠速情況下或者在發(fā)動機關(guān)閉的情況下，壓縮空氣的脈動產(chǎn)生在下部廢氣流中。使除去煙的效果最大化是理想的。廢氣流沿著與脈動空氣的方向相反的方向，因此廢氣流對脈沖噴射具有相反的效果。此外，為了使脈沖噴射的效果最大化，因此滑動門可以用在每個室的干凈廢氣出口上。在脈沖期間，該門暫時關(guān)閉一秒到兩秒，從而確保所有的脈沖空氣通過金屬絲網(wǎng)介質(zhì)。
K脈沖噴射系統(tǒng)的控制邏輯本發(fā)明的控制邏輯的主要方法是，當(dāng)?shù)竭_閾值時，去掉聚集在金屬絲網(wǎng)介質(zhì)上的煙，使介質(zhì)產(chǎn)生脈動，并且使它返回到初始條件下，以開始另一個裝載循環(huán)。在實際生活中，在車輛工作期間，介質(zhì)上的煙負載通過介質(zhì)上的壓力降測量來得到測量。但是，也可通過廢氣流來影響壓力降。由于在車輛工作期間限制壓力降是理想的，因此借助采用壓力開關(guān)來采用以壓力降測量為基礎(chǔ)的簡單邏輯。在到達閾值時，壓力開關(guān)驅(qū)動電路。瞬間的高壓力降不表示介質(zhì)上的煙負載。但是，在循環(huán)的車輛工作期間，重復(fù)的高壓力降可以用來測量介質(zhì)中的閾值煙負載。當(dāng)?shù)竭_高壓力降的閾值時，控制邏輯是以加入持續(xù)時間為基礎(chǔ)的，并且當(dāng)總時間積累到達預(yù)定值時，控制邏輯開始脈沖過程。高壓力降的典型閾值為水的大約40-60英寸的范圍。在該壓力閾值或者大于該壓力閾值的情況下，典型的積累時間的閾值為3到5分鐘的范圍。反向脈沖噴射的典型控制邏輯示出在圖26中。
當(dāng)滿足與脈沖噴射循環(huán)開始有關(guān)的這些條件時，并且開始過程被驅(qū)動時，其它條件不得不滿足。第一條件涉及發(fā)動機RPM。發(fā)動機RPM不得不接近怠速或者關(guān)閉發(fā)動機。由于脈沖過程小于一秒，因此瞬時滿足小的RPM條件，一旦車輛停止，那么這就可以方便地實現(xiàn)。第二條件涉及重新填充壓縮空氣箱以使下一個室進行脈動所需要的時間。根據(jù)車輛上的壓縮空氣源，時間間隔是兩到10分鐘?？刂七壿媹D示出在圖26中。
L焚化爐-優(yōu)選實施例B特別適合于平的或者圓的實施例的焚化爐示出在圖4中。焚化爐包括一系列的板，這些板相互電絕緣并且交替充電。這些板可以是實心板或者穿孔的板子。此外，理想的是，這些板由耐高溫的不銹鋼形成并且涂有高度活性的催化劑如鉑。在使用焚化爐的地方，理想的是，平的轉(zhuǎn)換器稍稍傾斜以利于煙在重力、廢氣脈沖和在路上所產(chǎn)生的搖動和振動負載的作用下移動到焚化爐中。一旦煙橋接在位于具有相反負荷的鄰近板之間的間隙上，那么焚化爐被驅(qū)動。這就提高了電流的放電，這導(dǎo)致焚化煙更加快速。
焚化爐容積足夠大以儲存灰、焚化副產(chǎn)品。可以估計到，焚化爐需要周期性拆卸，并且除去灰。根據(jù)基本顆粒排放和驅(qū)動循環(huán)，這種清理間隔在任何地方可以是車輛行駛25,000到150,000里的范圍內(nèi)。
M廢氣再循環(huán)本發(fā)明中的廢氣再循環(huán)(EGR)解決了主要問題，這些問題是柴油機應(yīng)用中的EGR所通常遇到的。第一問題涉及這樣的情況在怠速和小負荷發(fā)動機工作條件下，EGR終端上的壓力不夠大，這減少了目標(biāo)NOx減少量所需要的流量。這種條件在怠速和小發(fā)動機負載的條件下是流行的。安裝高效軸流升壓鼓風(fēng)機241可以解決這個問題。鼓風(fēng)機241輸送所需要的流量，以得到理想的NOx減少量及在所有發(fā)動機工作條件下確保連續(xù)的掃氣流。在調(diào)節(jié)到高發(fā)動機負荷條件時，鼓風(fēng)機241由于EGR終端上的高壓差而將使EGR流進行節(jié)流，從而幾乎起著EGR控制閥的作用，并且因此實際上不消耗功率。在怠速和小發(fā)動機負荷條件下，它調(diào)節(jié)電力消耗。
通過簡單的控制裝置242來控制EGR流，該裝置242具有以發(fā)動機RMP信號243和節(jié)流位置信號244為基礎(chǔ)的邏輯。這種布置對于柴油機改進型應(yīng)用是特別優(yōu)選的。與OEM邏輯相比，EGR控制邏輯得以大大簡化。本發(fā)明的EGR邏輯以最大NOx減少量和最小的燃料消耗為基礎(chǔ)的，但是可以提高可視排放如顆粒、HC和CO?？梢暬九欧藕皖w粒的提高量通過轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)來減少。
用于類似結(jié)塊/過濾轉(zhuǎn)換器的EGR系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)換器閥276。轉(zhuǎn)換器閥的位置借助來自ECU的信號來控制，如圖20所示。轉(zhuǎn)換器閥的獨特設(shè)計能夠借助限制流動區(qū)域來把EGR流精確地輸送到尾管中，因此提高壓力，并且在EGR管內(nèi)輸送到發(fā)動機進氣中。在進氣過濾器之前，噴射EGR流。在漏出的結(jié)塊顆粒進入到發(fā)動機進氣系統(tǒng)之前，這種裝置甚至進一步除去了該漏出的結(jié)塊顆粒。
本發(fā)明的EGR方法解決了與EGR有關(guān)的主要公知問題，并且總結(jié)如下(1)EGR流增大并且借助升壓鼓風(fēng)機來控制；(2)EGR流沒有可以弄臟或者污染發(fā)動機進氣系統(tǒng)的污染物；及(3)廢氣在進入顆粒轉(zhuǎn)換器之前被冷卻到低溫。EGR返回線提供了額外的冷卻。再循環(huán)回到發(fā)動機中的廢氣可以被認(rèn)為亞冷卻過(sub-cooled)的EGR解決了與容積效率和發(fā)動機性能有關(guān)的問題。
N水洗滌器在可以得到水的地方，把水噴射到位于轉(zhuǎn)換器后面的排氣管中以俘獲來自廢氣流中的活性NO2氣體。水洗滌器還可以俘獲硫酸鹽化合物。把堿加入到水中以提高NO2的俘獲效果。
O系統(tǒng)工作在大多數(shù)的固定應(yīng)用中，可以采用圖1和2的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括小型柴油機氧化催化劑、冷卻排氣管和顆粒轉(zhuǎn)換器。在發(fā)動機起動階段期間，產(chǎn)生了暫時的濃煙并且氧化催化劑不是活性的，但是大量的VOC化合物相對較冷。換句話說，這些VOC化合物和顆粒冷凝成液態(tài)或者固態(tài)毫微顆粒的形狀。這些顆粒高效地收集和結(jié)塊在結(jié)塊器中。在發(fā)動機預(yù)熱期間冷卻管子，可以提供較小的或者不明顯的冷卻效果。在小發(fā)動機負荷時，和在怠速情況期間，排氣溫度和流量較小。其結(jié)果是，循環(huán)分離器中的離心分離效果大大地減少了，這損害了顆粒的離心分離。但是，這種現(xiàn)象借助兩個其它的下面現(xiàn)象來進行平衡把煙保持在結(jié)塊器中，和明顯減小紊流和渦流作用。當(dāng)廢氣流較小時，例如處于發(fā)動機怠速情況下，交織在金屬絲網(wǎng)上的煙枝晶上的、空氣動力的曳力大大地減少了。這將導(dǎo)致，在合成金屬絲網(wǎng)介質(zhì)中的煙移動減少，并且降低了結(jié)塊工作模式改變到保持模式。在這種情況下，結(jié)塊器起著過濾器的作用。紊流和渦流也減少了。實際效果仍然是使廢氣除去了顆粒和VOC化合物的物質(zhì)。
當(dāng)發(fā)動機預(yù)熱并且發(fā)動機負荷提高時，廢氣溫度和流量提高了。這種情況驅(qū)動了氧化催化劑，從而導(dǎo)致燒光了碳氫化合物、一氧化碳和少量的VOC化合物。冷卻管提供了這樣的功能在隨后的發(fā)動機工作條件下，把廢氣溫度減少到250°F-300°F的目標(biāo)低溫。
使廢氣冷卻到250°F-300°F可以使全負荷的廢氣流量減少40％。此外，借助把900-1000°F的廢氣冷卻到300-250°F的范圍，使廢氣粘性的減少量達到40％。實際效果是，與沒有冷卻管的轉(zhuǎn)換器的相比，使顆粒轉(zhuǎn)換器上的壓力降減少一個高達3.1的系數(shù)。這個系數(shù)對于符合發(fā)動機最大允許背壓技術(shù)規(guī)格而言極其重要，并且它導(dǎo)致燃料消耗降低。由于轉(zhuǎn)換器可以提供消聲功能，因此可以用轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)來取代消聲器，在這兩種情況下的背壓是洗流。實際效果是，在用轉(zhuǎn)換器來取代消聲器的情況下，沒有提高燃料消耗。
與其它公知過濾介質(zhì)相比，金屬絲網(wǎng)結(jié)塊器在俘獲亞微米顆粒時至今是最有效的介質(zhì)。金屬絲網(wǎng)介質(zhì)中的顆粒俘獲機構(gòu)被分成三種模式惰性撞擊、攔截和擴散。第一兩種收集模式對于小顆粒尺寸大小無效，但是一旦顆粒尺寸大小提高了，那么具有可觀的單纖維率。柴油機廢氣的特征在于，具有非常小的顆粒，這些顆粒的平均大小為0.1微米，并且明顯地具有大量的毫微尺寸大小的顆粒。顆粒的擴散收集模式形成為俘獲柴油機煙顆粒的主要模式。小顆粒顯示出相當(dāng)大的隨機擴散運動，這種運動稱為布朗運動，這些顆粒與氣體分子相碰撞，因此趨于偏離氣體流線。最后，這些顆粒沉積在剛性表面如纖維表面，或者在與該剛性表面相碰撞時該煙沉積在纖維之間。表示小顆粒單纖維收集效率(擴散模式)和總收集效率的等式在下面以公式給出由于擴散(ξd)所產(chǎn)生的單纖維收集效率是ξd＝2.7Pe-2/3[1+0.39K-1/3.Pe1/3.Kn]+0.624Pe-1在這里，Pe是佩克萊特數(shù)，它由下面公式給出Pe＝Vdf/D在這里，V是氣體線速度，df是有效纖維直徑，及D是擴散系數(shù)或者顆粒擴散率，該擴散率通過下面公式來計算D＝C KbT/3πμgdp在這里，C是Cunningham校正系數(shù)，Kb是Boltzman常數(shù)，T是絕對氣體溫度，μg是氣體粘度，dp是顆粒直徑，及Kn是Knudsen數(shù)，該數(shù)由下面公式來計算出Kn＝2λ/df在這里，λ＝氣體分子的平均自由行程，df＝有效纖維直徑。
纖維介質(zhì)中的總收集效率由下面公式來給出ξ1=1-EXP-4ξdaH/πdf]]>在這里，α是纖維填充密度，H是過濾器厚度。
上面公式只用于顆粒收集的擴散模式，該擴散模式是主要的模式。其它兩個模式或者顆粒收集可以簡單地不考慮，因為它們的影響較小，但是在考慮時，總的收集效率稍稍高一些。用顆粒尺寸大小的不同值來解出上面公式表明當(dāng)顆粒尺寸大小減小時，單個纖維效率呈指數(shù)倍增加。例如，尺寸大小為1.0微米的顆粒具有0.001的單個壓緊纖維效率。尺寸大小為0.1微米的顆粒具有0.0007的單個纖維截留率和0.05的單個擴散纖維率。處于毫微范圍的顆粒尺寸大小如0.02微米(20納米)具有0.0001的單個纖維截留率，而單個顆粒擴散率為0.300。這些附圖用于金屬絲網(wǎng)介質(zhì)的典型情況，其中α＝0.005，df＝10微米，V＝8cm/秒、T＝200度。
還應(yīng)該注意的是，前面的公式用于綠色纖維介質(zhì)(即沒有煙枝晶形成)。一旦煙開始形成在纖維介質(zhì)上，那么它起著具有非常小的纖維尺寸大小的另一纖維介質(zhì)的作用，從而進一步提高了顆粒俘獲效率。毫微級顆粒的俘獲效率可以高達105的大小級(即，只有一個顆粒通過纖維介質(zhì)從105的進入顆粒中漏出來，其中這些進入顆粒借助俘獲的顆粒的數(shù)目來表示)。此外，在結(jié)塊器設(shè)計中，金屬絲尺寸大小較大，并且金屬絲之間的掃氣空間超過50微米。這個特征允許收集/俘獲起來的枝晶進行移動，直到它們離開纖維介質(zhì)為止。與金屬纖維相比，通過實驗數(shù)據(jù)，使位于纖維介質(zhì)上的、俘獲的煙枝晶的作用顯示顆粒收集的主要模式。這就產(chǎn)生了綠色結(jié)塊器的術(shù)語，它涉及到新纖維介質(zhì)。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以知道，過濾器和結(jié)塊器之間的主要差別是保持效率，該保持效率在過濾器應(yīng)該較高，而在結(jié)塊器中是0。在柴油機應(yīng)用中，流動速度在怠速和全負荷之間明顯發(fā)生變化。在怠速情況下，結(jié)塊器由于流動速度較小而起著過濾介質(zhì)的作用，并且聚集了大量的煙。在全負荷時，與進入的煙相比，結(jié)塊器吹去了更多的結(jié)塊煙枝晶。但是，在包括怠速、中等負荷和全負荷情況的廣泛工作范圍內(nèi)，平均結(jié)塊器保持(收集)率是零。在某位置上吹去煙的地方，在結(jié)塊器中，這種情況是自我校正。在吹去煙的地方，更多的流量沖進到那個區(qū)域中，因此形成了更多的煙，直到通過介質(zhì)的平衡來實現(xiàn)平衡條件為止。顆粒轉(zhuǎn)換器中的背壓在延長5小時的怠速情況下可以提高大約50％。當(dāng)發(fā)動機速度在5到10秒內(nèi)從800RPM提高到1100RPM時，背壓降低了40％。這是過度形成煙的自校正模式。
結(jié)塊的顆?？梢赃M入到電焚化爐中，在那里，在煙形成到達閾值即通到電路中的位置時，產(chǎn)生焚化。由于煙的導(dǎo)電性較高，因此沖流立即加熱煙。在廢氣中具有氧并且鉑涂在焚化爐柵格(screen)上時，在低溫下很快地焚化煙，典型地在3-5秒內(nèi)焚化煙。由于焚化在焚化爐柵格上是局部的和間歇的，因此焚化爐下游處的溫度升高不明顯。此外，由于有限量的煙在給定位置上進行焚化、在廢氣中具有有限的含氧量及柵格上的排氣速度非常小，因此調(diào)節(jié)局部溫度的升高，并且不會導(dǎo)致?lián)p害柵格。焚化的副產(chǎn)品是CO2、H2O和灰?；矣捎谡駝雍椭亓ψ饔枚涞椒倩癄t腔的底部中。由于該腔具有較大的尺寸大小，因此在腔需要進地清理之前可以儲存行駛200,000到400,000英里的灰聚集量。但是，推薦的清理間隔為150,000到200,000英里。
離開焚化爐的廢氣沒有顆粒物質(zhì)并且是冷的。它們可以用作EGR來適度地減少NOx的排放。如果NOx的減少量越大就較好，那么使用增壓泵來提高和控制EGR流。增壓泵的控制邏輯考慮把掃氣流保持在較小的發(fā)動機負荷中并且確保合適量的廢氣流進行再循環(huán)，從而最大量地減少NOx。為了使對燃料經(jīng)濟性影響最小化，因此在所有的發(fā)動機工作條件下控制EGR流。顆粒發(fā)動機排放的最小化沒有EGR控制邏輯，因為后處理系統(tǒng)非常有效地處理了這些過量的排放。
在足夠多的冷卻水是可實現(xiàn)的靜止、航船用和灌溉的柴油機的應(yīng)用中有可能把NOx減少量提高到超過EGR所產(chǎn)生的減少量。在這種情況下，推薦使用活性鉑氧化催化劑。該催化劑把SO2氧化成硫酸鹽，并且根據(jù)廢氣溫度把50-70％的NO氧化成NO2。只要廢氣冷卻到低于硫酸鹽冷凝溫度以下的溫度并且與轉(zhuǎn)換器的顆粒收集在一起，那么硫酸鹽與顆粒物質(zhì)收集在一起。離開轉(zhuǎn)換器的廢氣可以用水不沖洗，從而把廢氣溫度減小到200-150°F。這允許通過水來俘獲反應(yīng)的NO2氣體。理想的是，把堿物質(zhì)加入到水中。把NO2溶解到水中，可以導(dǎo)致形成硝酸。硝酸的高度稀釋部分對較大的水體沒有明顯影響，并且可以有利于灌溉應(yīng)用。總之，硫酸和顆粒收集在煙室中，同時硝酸部分被排出并且溶解在水中而不是排出到空氣中。
小型柴油機應(yīng)用(它們進行瞬時的工作模式)需要適應(yīng)減少的后處理硬件。重要因素是硬件的尺寸大小和復(fù)雜度。這就產(chǎn)生了采用類似結(jié)塊/過濾介質(zhì)的另一個實施例。該介質(zhì)的特征在于，過濾效率較小，但是在聚集煙的第一層時，收集效率提高。過濾篩網(wǎng)的存在提高了收集效率，因為煙層收集在篩網(wǎng)的上游側(cè)上。煙的收集效率在較長的時間內(nèi)保持基本穩(wěn)定，根據(jù)發(fā)動機排放，這個時間從8個工作小時改變到40個工作小時。之后，當(dāng)合成介質(zhì)浸透有煙時，煙開始被吹去，并且壓力降連續(xù)提高。在一定的壓力降閾值下，該介質(zhì)需要復(fù)原或者重新產(chǎn)生到初始情況下，該情況等同于煙負載循環(huán)的開始，并且一些煙仍然留在合成介質(zhì)中，以保持較高的煙收集效率。這導(dǎo)致可以采用反向脈沖噴射的技術(shù)。類似介質(zhì)的典型收集效率和背壓特性示出在圖27中，這些特性示出了反向脈沖噴射的效果和新負載循環(huán)的開始。
反向脈沖噴射技術(shù)的最特別之處在于，它持續(xù)了一秒鐘的若干分之幾；當(dāng)發(fā)動機關(guān)閉或者處于怠速情況下，它可以被驅(qū)動。這可以使反向脈沖噴射的效果最大化，因為它沿著廢氣流的相反方向進行流動。這樣，廢氣流使得反向脈沖噴射的作用減弱了。一旦脈沖噴射被驅(qū)動，那么煙從介質(zhì)中被吹到上游側(cè)，并且介質(zhì)被復(fù)原并且準(zhǔn)備好煙過濾和收集的另一個循環(huán)。
在老的1985年的柴油機卡車上的類似結(jié)塊/過濾轉(zhuǎn)換器上所進行的實驗表明，在“綠”轉(zhuǎn)換器上，煙過濾效率為40％。在積累了大約400里之后，效率升高到90％。連續(xù)地工作額外500英里，在55mph下可以把背壓提高到60英寸H2O。然后通過壓縮空氣使該系統(tǒng)進行脈動。之后，收集效率沒有明顯改變。還可以觀察到，由于路況而在轉(zhuǎn)換器上通過懸浮來產(chǎn)生振動，這種振動與作為英里數(shù)函數(shù)的、使壓力降形成的速度降低有關(guān)。在檢查該裝置時，在合成介質(zhì)和過濾篩網(wǎng)上可以觀察到較大的塊形成。前述煙塊由于道路所產(chǎn)生的振動而從介質(zhì)中脫落下來，這種振動可以降低背壓。在行駛1000英里之后，可以從兩個室的底部除去大約三磅的煙。
在焚化爐采用了轉(zhuǎn)換器時，該轉(zhuǎn)換器傾斜安裝從而使焚化爐處于最低位置上以有助于煙移動到焚化爐腔中。具有焚化爐的這種轉(zhuǎn)換器被希望是沒有維護的裝置，這種裝置每過150,000-200,000英里才需要清理聚集起來的灰。
具有圖21所示的煙收集袋272的轉(zhuǎn)換器不必需要焚化爐。這些轉(zhuǎn)換器也不必具有這樣的反向脈沖噴射系統(tǒng)該系統(tǒng)安裝成轉(zhuǎn)換器的一個組成部分。當(dāng)然，該脈沖系統(tǒng)可以是固定的并且用來給多種車輛進行服務(wù)。反向脈沖空氣系統(tǒng)通過排氣尾管來驅(qū)動并且脈動噴射在所有的轉(zhuǎn)換器室中同時進行工作。袋的尺寸大小應(yīng)該足以膨脹來容納環(huán)境溫度下的脈沖空氣的體積。脈沖空氣把收集在轉(zhuǎn)換器底部中的煙掃到袋中。對于這種工作而言，在每個反向脈沖過程期間，煙被掃到袋中。當(dāng)袋裝有煙時，它可以用空袋來更換?？梢怨烙嫷?，根據(jù)基本排放，每隔6-30個月就更換袋。當(dāng)這些車輛每周至少一次地安裝在維護修理站時，這種系統(tǒng)布置對于機動卡車和公共汽車應(yīng)用的改進是有吸收力的。
當(dāng)然，本發(fā)明的描述僅僅是示例性的，因此沒有脫離本發(fā)明要點的變形也落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些變形不能被認(rèn)為脫離了本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用來從柴油機的廢氣中除去控制和未控制的污染物的柴油機廢氣后處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氧化催化劑；廢氣冷卻系統(tǒng)，它用來冷卻廢氣；柴油機顆粒轉(zhuǎn)換器，它使顆粒物質(zhì)進行結(jié)塊并且分離它們；及煙收集室，它收集和保持住俘獲的煙；廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，它使離開顆粒收集室中的干凈廢氣循環(huán)到位于發(fā)動機空氣濾清器下游處的口中。
2.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，廢氣冷卻系統(tǒng)把廢氣冷卻到小于硫酸鹽冷凝溫度的溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，廢氣冷卻到大約300-250°F的溫度，從而俘獲VOCs重部分，并且降低到200-150°F以俘獲硫酸鹽和NO2化合物。
4.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，顆粒收集室具有被隔板篩網(wǎng)分開的第一室和第二室，下部室用來收集和保持所俘獲的煙。
5.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，還包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使離開顆粒收集室的干凈廢氣循環(huán)到位于發(fā)動機空氣濾清器下游處的口。
6.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，柴油機氧化催化劑進行工作以損壞至少一部分的污染物的揮發(fā)性有機部分，該污染物通常公知為輕質(zhì)部分。
7.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，氧化催化劑是活性氧化催化劑，它與廢氣冷卻系統(tǒng)和柴油機顆粒轉(zhuǎn)換器一起進行工作，以把柴油機廢氣的SO2氧化成硫酸鹽化合物，這些化合物被冷凝、結(jié)塊，并且最后與離開柴油機的尾管的廢氣流分離開。
8.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，氧化催化劑是活性氧化催化劑，它與廢氣冷卻系統(tǒng)和柴油機顆粒轉(zhuǎn)換器相配合，以把廢氣的大部分NO轉(zhuǎn)化成NO2，該NO2被冷卻，然后在柴油機顆粒轉(zhuǎn)換器之后，通過水凈化來進行吸收，從而從離開柴油機尾管中的廢氣流中除去了大量的NOx排放。
9.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，廢氣冷卻系統(tǒng)包括輻射模式冷卻部分；第一對流模式冷卻部分，它使用了大氣源來冷卻廢氣；及第二對流模式冷卻部分，它使用了液體源來冷卻廢氣。
10.如權(quán)利要求9所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，輻射模式冷卻部分包括一個或者多個管子，該一個或者多個管子具有比傳統(tǒng)管子大的表面積，并且具有黑色的外表面，從而使冷卻效果最大化。
11.如權(quán)利要求9所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，第二對流模式冷卻部分包括至少一個管子，該管子具有波紋狀的形狀以提高暴露到風(fēng)速中，而沒有障礙，從而使冷卻效果最大化。
12.如權(quán)利要求9所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，第二對流模式冷卻部分包括熱交換器，該交換器使用了液態(tài)冷卻劑，這些冷卻劑通常用在汽車應(yīng)用中。
13.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，用來使來自廢氣中的顆粒物質(zhì)進行結(jié)塊和分離的完全結(jié)塊柴油機顆粒轉(zhuǎn)換器包括殼體；離心式分離器，它具有芯管，該芯管沿著徑向在殼體內(nèi)進行對中，該芯管具有若干窗口，用于俘獲干凈的廢氣流；結(jié)塊器；及若干螺旋鉆，它們從芯子延伸到結(jié)塊器中，因此廢氣進入位于上游端處的離心式分離器中，然后被迫進行循環(huán)螺旋運動并且在下游端出來。
14.如權(quán)利要求13所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，完全結(jié)塊轉(zhuǎn)換器還具有進氣部分，該部分包括若干粘接板，以在顆粒轉(zhuǎn)換器的上游側(cè)處形成廢氣的氣旋運動；及出口部分，它具有若干粘接板，以帶出結(jié)塊顆粒，從而作進一步處理。
15.如權(quán)利要求13所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，對中的芯管以累進的方式俘獲和收集干凈的廢氣層，因此一些干凈層通過若干窗口來形成。
16.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，該若干窗口被成形成具有干凈廢氣層，這些廢氣層沿著徑向把流向改變成對著芯管，從而防止流動顆粒重新進入到干凈空氣流中。
17.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，這些窗口被成形成具有開口，這些開口從流動通道的中部朝向螺旋鉆延伸，該開口停止與螺旋鉆短路，因此防止由渦流現(xiàn)象所產(chǎn)生的流動顆粒重新進入。
18.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，這些窗口被構(gòu)造成借助依賴非等離子分離來防止流動顆粒重新被帶走。
19.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，還包括若干顆粒噴射器，從而把收集在芯管外表面上的、流動的小型顆粒噴射到流動流中，這些顆粒沿著徑向進行移動并且不再進入到窗口流動流中。
20.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，還包括環(huán)繞芯管的共心外部管子，以提供第二級凈化，從而更高地減少了流動顆粒的分離。
21.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，結(jié)塊器收集進入的、亞微型的、毫微級尺寸大小的顆粒物質(zhì)并且使它們結(jié)塊成大尺寸的顆粒。
22.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，結(jié)塊器具有單缸設(shè)計，該單缸與芯管形成一體并且與芯管共心。
23.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，結(jié)塊器具有若干圓柱形管子，這些管子安裝在顆粒轉(zhuǎn)換器的前部。
24.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，結(jié)塊器由合成的金屬絲組件形成，該組件具有可變的金屬絲尺寸和緊密密度，結(jié)塊器金屬絲和密度具有超過50微米的空間，從而在所有發(fā)動機工作情況期間能避免堵住。
25.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，結(jié)塊器被構(gòu)造成在初始煙負載之后的所有時間內(nèi)保持煙枝晶，這種煙的永久負載以接近大約105個的非常高的效率起著毫微級的、亞微型的顆粒的捕捉器的作用。
26.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，顆粒轉(zhuǎn)換器包括共心的錐形形狀的焚化爐，該焚化爐在轉(zhuǎn)換器的下游側(cè)上是成一體的部分，該焚化爐通過管子與攜帶有結(jié)塊顆粒的掃氣流相連通。
27.如權(quán)利要求26所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，焚化爐包括第一和第二密接的篩網(wǎng)，這些篩網(wǎng)涂有鉑，并且每個配合面涂有陶瓷，這些篩網(wǎng)形成焚化爐的兩側(cè)，并且第一篩網(wǎng)連接到電源上，而第二篩網(wǎng)接地，第一和第二篩網(wǎng)之后是隔板篩網(wǎng)，以過濾出煙顆粒，隔板篩網(wǎng)之后是結(jié)構(gòu)篩網(wǎng)以提供結(jié)構(gòu)支撐從而防止壓力在篩網(wǎng)組件上產(chǎn)生壓力降。
28.如權(quán)利要求27所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，陶瓷是從鋁氧土或者氧化鋯中的一個選擇出來。
29.如權(quán)利要求15所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，螺旋鉆處理進入的廢氣流以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣旋運動，因此提供了較大的離心作用以使結(jié)塊的顆粒保持分離在旋轉(zhuǎn)鉆的外徑上。
30.如權(quán)利要求29所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，螺旋鉆包括若干尺寸不同的旁通孔，這些旁通孔用于消除聲壓波，這些旁通孔與結(jié)塊器的合成金屬絲網(wǎng)相結(jié)合，以提供與消聲器相同的消聲作用。
31.一種用來凈化來自柴油機廢氣中的控制和未控制的污染物的廢氣后處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括殼體；類似的結(jié)塊/過濾合成金屬絲網(wǎng)介質(zhì)；分離器；空氣脈沖系統(tǒng)；電動壓力開關(guān)；電子控制模塊(ECU)；焚化爐。
32.如權(quán)利要求31所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，類似的結(jié)塊/過濾轉(zhuǎn)換器包括進氣部分，該進氣部分把進入的廢氣散布到室中；出口部分，它用于帶走干凈的廢氣。
33.如權(quán)利要求31所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，室構(gòu)成了進氣和膨脹子室、類似的結(jié)塊/過濾介質(zhì)。
34.如權(quán)利要求33所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，類似的結(jié)塊介質(zhì)收集部高效地使處于毫微尺寸大小的亞微范圍內(nèi)的進入顆粒物質(zhì)進行結(jié)塊并且保持住它們。
35.如權(quán)利要求34所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，類似的結(jié)塊/過濾介質(zhì)包括各種密度的合成金屬絲網(wǎng)或者合成金屬絲網(wǎng)介質(zhì)，該介質(zhì)增加有過濾篩網(wǎng)以提高煙收集和保持效率。
36.如權(quán)利要求35所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，合成金屬絲網(wǎng)介質(zhì)和過濾篩網(wǎng)具有超過50微米的空間，從而在各種發(fā)動機工作條件期間避免不良的堵塞。
37.如權(quán)利要求31所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，類似的結(jié)塊/過濾介質(zhì)設(shè)計和構(gòu)造成，在初始煙負載循環(huán)之后的所有時間內(nèi)保持住結(jié)塊煙，因此永久煙負載以接近大約105個數(shù)的高效來大大地提高進入的毫微級的、亞微顆粒的收集和保持。
38.如權(quán)利要求31所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，顆粒轉(zhuǎn)換器包括矩形焚化爐，該焚化爐設(shè)置在轉(zhuǎn)換器的最下部位置上，該焚化爐依靠重力來俘獲和焚化聚集起來的顆粒。
39.如權(quán)利要求38所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，電焚化爐包括接地的、固定的、可拆卸的穿孔板，這些板連接到電源上，而位于板和殼體之間的腔迫使顆粒物質(zhì)填充到空間中，而這個空間填充有煙從而導(dǎo)致電流可以流過該煙，以使它的溫度升高到點火溫度，最后全部焚化，這種焚化爐可以被拆下來以除去聚集起來的灰，這種焚化爐是完全被動的裝置。
40.如權(quán)利要求31所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，電動壓差開關(guān)測量類似結(jié)塊/過濾介質(zhì)或者轉(zhuǎn)換器的壓力降，當(dāng)壓力降到達表示煙保持效率開始變壞的閾值時，這種開關(guān)發(fā)出電信號到ECU，從而要求驅(qū)動反向脈沖噴射以使介質(zhì)到達原始條件。
41.如權(quán)利要求31所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，反向脈沖噴射系統(tǒng)包括壓縮空氣箱、電子控制模塊(ECU)、脈沖閥和位于轉(zhuǎn)換器的殼體內(nèi)的被動滑動門。
42.如權(quán)利要求41所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，ECU監(jiān)視發(fā)動機工作情況并且只有當(dāng)發(fā)動機關(guān)閉或者處于怠速情況下開始脈動，從而使反向脈沖噴射在類似合成介質(zhì)上的作用最大化。
43.如權(quán)利要求41所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，壓縮空氣箱的體積和空氣壓力是這樣的，以致脈沖引起煙把類似介質(zhì)吹到上游側(cè)上，脈沖量是這樣的，以致在脈沖循環(huán)之后留下一定量的煙收集量和保持效果。
44.如權(quán)利要求41所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，被動滑動門組件通過進入脈沖空氣來驅(qū)動，從而引起滑動門關(guān)閉，這種作用迫使所有的進入脈沖空氣通過類似結(jié)塊/過濾介質(zhì)以確保有效地?zé)煷档?，這種滑動門在脈沖結(jié)束時通過壓縮彈簧的作用返回到打開位置上。
45.如權(quán)利要求31所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，煙可以儲存在收集袋中并且當(dāng)它被加載時而不是焚化時處理袋子。
46.如權(quán)利要求45所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，這種袋子的容積被選擇成容納脈沖空氣量并且有助于煙從轉(zhuǎn)換器移動到袋子中。
47.一種廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，煙收集室分開和收集移動應(yīng)用中的結(jié)塊煙顆粒，從而以周期性間隔進行驅(qū)散。
48.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，煙收集室包括保持篩網(wǎng)，以提供隔板介質(zhì)從而俘獲結(jié)塊的煙，該室的設(shè)計和安裝使得這種煙塊形成在篩網(wǎng)的底部上，以落到室的下半部上。
49.如權(quán)利要求26所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，煙收集室包括振動系統(tǒng)，該振動系統(tǒng)具有彈簧和鋼球，其中鋼球可由車輛脈動和振動來激勵，鋼球在篩網(wǎng)的選擇位置上產(chǎn)生撞擊作用，以連續(xù)地釋放煙塊并且防止煙塊形成。
50.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，還包括煙處理鼓，用于收集來自大量煙收集室中的、結(jié)塊的煙，該鼓把煙壓縮成固體小球以進行運輸，并且用于工業(yè)應(yīng)用中。
51.如權(quán)利要求34所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，煙處理鼓包括后部脈沖系統(tǒng)，以周期地凈化篩網(wǎng)組件的煙形成。
52.如權(quán)利要求34所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，煙處理鼓包括機械振動器，以連續(xù)地釋放篩網(wǎng)組件中的煙形成。
53.如權(quán)利要求34所述的廢氣后處理系統(tǒng)，還包括馬達操縱的軸，該軸把煙壓縮到一定壓力下，從而產(chǎn)生緊密的煙小球。
54.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，氧化催化劑、廢氣冷卻系統(tǒng)和顆粒轉(zhuǎn)換器被選擇成通過氧化、冷凝、結(jié)塊和分離來共同消除來自尾管的所有VOCs化合物。
55.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，活性氧化催化劑、廢氣冷卻系統(tǒng)和顆粒轉(zhuǎn)換器把二氧化硫氧化成硫酸鹽化合物，這些化合物被冷凝、結(jié)塊并且與煙化合物一起被分離，從而減少和消除來自尾管的硫排放。
56.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，廢氣冷卻系統(tǒng)冷凝在廢氣離開尾管并且用外部空氣來進行稀釋時在其它情況下形成的毫微級尺寸大小的顆粒，這些冷凝后的毫微級尺寸大小的顆粒以非常高的效率結(jié)塊在結(jié)塊器中，因此系統(tǒng)設(shè)計消除了大量的毫微級顆粒，而這些顆粒在其它情況下排放到大氣中。
57.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，焚化副產(chǎn)品在下游處再循環(huán)回到發(fā)動機空氣濾清器中，副產(chǎn)品被清除了固態(tài)污染物，被次冷卻并且用作廢氣再循環(huán)，以減少NOx并且克服柴油機應(yīng)用中的傳統(tǒng)EGR中的一些問題。
58.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，焚化副產(chǎn)品從空氣濾清器再循環(huán)回到下游，副產(chǎn)品流通過高效軸向升壓泵來進行調(diào)節(jié)，以高端控制地減少NOx，升壓泵流使用電子控制模塊或者通過發(fā)動機控制裝置借助發(fā)動機RPM和節(jié)流位置信號來進行調(diào)節(jié)。
59.如權(quán)利要求42所述的廢氣后處理系統(tǒng)，其特征在于，廢氣再循環(huán)把廢氣輸送到空氣濾清器前面的發(fā)動機進氣中，因此利用通過發(fā)動機空氣濾清器來絕對地凈化來自任何流動污染物的廢氣，
60.如權(quán)利要求1所述的廢氣后處理系統(tǒng)，還包括水清潔器，用于吸收來自廢氣中的NO2。
61.一種處理來自柴油機的廢氣的方法，該方法包括這些步驟把廢氣冷卻到低于硫酸鹽冷凝溫度的溫度；使廢氣中的顆粒進行結(jié)塊；收集和分離廢氣中的結(jié)塊顆粒。
62.如權(quán)利要求61所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，其特征在于，廢氣被冷卻到至少低于約300°F的溫度。
63.如權(quán)利要求61所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，其特征在于，收集結(jié)塊顆粒的步驟包括這樣的步驟提供篩網(wǎng)裝置作為隔板，以收集結(jié)塊的顆粒。
64.如權(quán)利要求61所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，還包括這樣的步驟提供煙收集室來收集結(jié)塊顆粒。
65.如權(quán)利要求64所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，還包括這樣的步驟，在顆粒收集室內(nèi)借助隔板篩網(wǎng)來隔開以限定出第一和第二室，第一室用來收集和保持俘獲的煙。
66.如權(quán)利要求61所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，還包括這些步驟提供氧化催化劑；及損壞廢氣中的至少一部分揮發(fā)有機部分。
67.如權(quán)利要求61所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，其特征在于，收集廢氣的結(jié)塊顆粒的步驟包括這樣的步驟以硫酸鹽的形式從廢氣中吸取硫成分。
68.如權(quán)利要求61所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，還包括這些步驟把廢氣中的SO2成分氧化成硫酸鹽化合物；冷凝硫酸鹽化合物并且使它們進行結(jié)塊；及從廢氣中分離出冷凝的、結(jié)塊的硫酸鹽化合物。
69.如權(quán)利要求61所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，其特征在于，冷卻廢氣的步驟包括這樣的步驟通過輻射冷卻來冷卻廢氣。
70.如權(quán)利要求61所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，其特征在于，冷卻廢氣的步驟包括這樣的步驟通過對流冷卻來冷卻廢氣。
71.如權(quán)利要求70所述的處理來自柴油機的廢氣的方法，其特征在于，通過對流冷卻來冷卻廢氣的步驟包括這樣的步驟提供熱交換器。
全文摘要
一種廢氣后處理系統(tǒng)用來減少廢氣中的顆粒、NOx、HC、CO、VOCs、毫微級顆粒數(shù)和二氧化硫。該系統(tǒng)采用了柴油機氧化催化劑(10)、廢氣冷卻系統(tǒng)(70、80)、顆粒轉(zhuǎn)換器、煙收集室、煙處理鼓、EGR和水清潔器。
文檔編號F01N3/021GK1671954SQ03817603
公開日2005年9月21日 申請日期2003年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月25日
發(fā)明者里法特·A·卡梅爾 申請人:里法特·A·卡梅爾