專利名稱：一種壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)，具體地說(shuō)是一種以碳化硅泡沫陶瓷為過(guò)濾裝置載體的壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)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(shí)現(xiàn)再生。
背景技術(shù)：
由于混合和燃燒方式的不同，柴油機(jī)的排污成分中CO及HC比汽油機(jī)少很多，而碳煙卻是汽油機(jī)的幾十倍甚至更多，并且碳煙排放更易被人們從視覺(jué)上直觀察覺(jué)，因此柴油車的排煙凈化一直是柴油車排污治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
現(xiàn)有柴油車碳煙過(guò)濾技術(shù)從理論上講主要分為面過(guò)濾和體內(nèi)過(guò)濾兩種。面過(guò)濾又叫濾餅過(guò)濾方式，過(guò)濾發(fā)生在過(guò)濾器表面，其原理是使含碳煙顆粒的尾氣流過(guò)一塊帶有許多細(xì)小孔且密度較大的陶瓷壁。柴油機(jī)碳煙微粒不能穿過(guò)壁上的小孔而沉淀在過(guò)濾器的表面。這種過(guò)濾方式十分有效，但它的阻力較大，排氣背壓高。面過(guò)濾理論的代表技術(shù)是壁流式蜂窩陶瓷；體內(nèi)過(guò)濾又叫深濾床過(guò)濾，過(guò)濾發(fā)生在過(guò)濾器內(nèi)部，尾氣流過(guò)過(guò)濾器時(shí)，其中的碳煙微粒與過(guò)濾器內(nèi)部的筋多次碰撞，通過(guò)擴(kuò)散及攔截的方式沉淀在過(guò)濾器的孔道中，這種結(jié)構(gòu)排氣阻力小，過(guò)濾器中沉淀下來(lái)的碳煙微粒分布較均勻。體內(nèi)過(guò)濾的代表技術(shù)是泡沫陶瓷過(guò)濾器和纖維過(guò)濾器。
碳煙微粒過(guò)濾器在工作一段時(shí)間后，隨著過(guò)濾微粒數(shù)量的增加，會(huì)逐漸發(fā)生發(fā)生過(guò)濾器孔洞堵塞現(xiàn)象，堵塞累積到一定程度，就會(huì)使尾氣流動(dòng)不暢，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓急劇增加，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，此時(shí)就需要對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行再生。微粒過(guò)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(guò)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(guò)這種再生方式要求尾氣的溫度必須達(dá)到一定的要求，在汽車低速或輕載重條件下行駛時(shí)，尾氣溫度經(jīng)常達(dá)不到這個(gè)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(shí)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(guò)濾器捕集到一定數(shù)量的微粒以后，將微粒過(guò)濾器從汽車上拆下來(lái)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(guò)濾器，將碳煙微粒吹出并收集除去。
無(wú)論采用何種再生方式都面臨著兩個(gè)問(wèn)題一是再生效率的問(wèn)題，再有就是當(dāng)前所用的微粒過(guò)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(gè)問(wèn)題是目前碳煙過(guò)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(diǎn)的碳化硅泡沫陶瓷制作的壁流式碳煙微粒過(guò)濾器，兼有面過(guò)濾和體內(nèi)過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn)，過(guò)濾效率高，抗熱震性好，能有效避免再生時(shí)的過(guò)濾器炸裂現(xiàn)象，保證過(guò)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(shí)現(xiàn)過(guò)濾器的低成本再生，延長(zhǎng)了過(guò)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(guò)濾-再生裝置，使用該裝置能有效過(guò)濾發(fā)動(dòng)機(jī)排放的碳煙，在過(guò)濾達(dá)到一定程度后可以用燃燒燃油結(jié)合電加熱的方式對(duì)微粒過(guò)濾器進(jìn)行原位再生，并且安裝該裝置不會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率的明顯損失。
為實(shí)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(guò)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(guò)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(gè)金屬電極構(gòu)成，電源通過(guò)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(guò)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(guò)濾器一起安裝于與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)泡沫陶瓷電加熱單元組成，當(dāng)過(guò)濾器由二個(gè)或二個(gè)以上單元構(gòu)成時(shí)，各單元之間為并聯(lián)關(guān)系，通過(guò)電極之間焊接的方式連成一個(gè)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(jìn)燃油和火焰的橫向擴(kuò)散。
所述碳化硅泡沫陶瓷按重量分?jǐn)?shù)計(jì)，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(duì)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(guò)濾器由多片碳化硅泡沫陶瓷板平行組合而成，每?jī)善瑥?fù)合碳化硅泡沫陶瓷板之間的距離為1.5～3mm。過(guò)濾器內(nèi)部相錯(cuò)排列眾多互不直接相通的短通道，氣體只有穿過(guò)碳化硅泡沫陶瓷板才能由一個(gè)通道進(jìn)入另外的通道，碳煙微粒在穿越過(guò)程中被過(guò)濾。
所述構(gòu)成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)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(shí)，大孔徑泡沫陶瓷面為尾氣進(jìn)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(gè)部分a.安裝可控噴油裝置，過(guò)濾器需要再生時(shí)，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(diǎn)燃可控噴油裝置送入的燃油，加熱尾氣使壁流式微粒過(guò)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(guò)濾器，所得到的過(guò)濾器兼有面過(guò)濾和體過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整泡沫陶瓷的平均孔徑大小、陶瓷的體積分?jǐn)?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(guò)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(diǎn)等特性，所以抗熱震能力強(qiáng)，不會(huì)在再生時(shí)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(guò)濾體由碳化硅泡沫陶瓷構(gòu)成，該過(guò)濾體具有如下特點(diǎn)a、熱傳導(dǎo)性良好，保證過(guò)濾體溫度分布均勻，避免過(guò)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(shí)微粒氧化燃燒造成的溫度劇變；c、熔點(diǎn)高，在2000℃以上，確保在高溫下有較長(zhǎng)的使用壽命。
②電加熱發(fā)熱體采用碳化硅泡沫陶瓷，實(shí)現(xiàn)了加熱、過(guò)濾功能一體化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且電阻率可根據(jù)實(shí)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(guò)濾體采用的泡沫陶瓷壁流式結(jié)構(gòu)，擁有極大的過(guò)濾面積，既增加了微粒物與過(guò)濾體的碰撞幾率，提高過(guò)濾效率，促進(jìn)微粒物在過(guò)濾體中均勻分散，又有助于降低背壓，減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗。
⑤該裝置采用車載蓄電池作為電加熱電源，無(wú)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(dòng)機(jī)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(guò)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(yùn)行的情況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油車微粒的有效過(guò)濾，并智能化原位再生，使柴油車排放在較長(zhǎng)的時(shí)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(zhǎng)的特點(diǎn)。


圖1為壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)濾-再生裝置工作示意圖。
圖2為一個(gè)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(guò)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(dòng)機(jī)；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(guò)濾器(主過(guò)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(shí)施例方式
本發(fā)明壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)濾-再生裝置的制備過(guò)程具體如下①采用按照《一種高強(qiáng)度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制備方法》(中國(guó)科學(xué)院金屬研究所申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)?3134039.3，申請(qǐng)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(lái)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(guò)濾器，作為壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)濾-再生裝置的主過(guò)濾器。氣流由開口通道進(jìn)入主過(guò)濾器，穿過(guò)碳化硅泡沫陶瓷壁，進(jìn)入相鄰的通道，如圖3的箭頭所示，在此過(guò)程中碳煙微粒被過(guò)濾凈化。采用具有過(guò)渡孔徑的復(fù)合泡沫陶瓷時(shí)，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(guò)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(jìn)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(gè)或多個(gè)合適的碳化硅泡沫陶瓷電加熱單元，如采用多個(gè)單元，則各單元之間為并聯(lián)關(guān)系，并通過(guò)在金屬電極上焊接金屬板的方式連接成一個(gè)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(jìn)碳煙顆粒加速燃燒并降低冷啟動(dòng)階段的氣態(tài)污染物排放。
催化劑制備的具體過(guò)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(shí)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(shí)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(dá)到80～130g/(L載體)，最后于450～500℃焙燒4～5小時(shí)，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(shí)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(shí)，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(guò)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(shí)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(shí)，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(guò)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(guò)濾器9一起封裝于過(guò)濾器外殼8內(nèi)，過(guò)濾器外殼由2毫米厚的不銹鋼板焊接而成，過(guò)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(guò)濾器9之間有防震隔層。封裝后的過(guò)濾器在進(jìn)氣端與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管13相連。將可控噴油裝置的進(jìn)油端通過(guò)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(guò)濾-再生裝置包括壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)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(guò)濾器9一起安裝于與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(guò)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?？煽貒娪脱b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(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)?00510046472.1，申請(qǐng)日2005年5月20日，詳見其中的圖5和相關(guān)的文字說(shuō)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(jìn)行可控的連續(xù)或脈沖式燃油噴射，脈沖頻率和噴射時(shí)間由控制單元4采用常規(guī)方式即可實(shí)現(xiàn)控制。該控制單元4可接收來(lái)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(hào)，并根據(jù)信號(hào)控制可控噴油裝置和電加熱發(fā)熱體的啟動(dòng)或關(guān)閉。
柴油汽車啟動(dòng)后，含碳煙微粒的汽車尾氣由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1排出，經(jīng)由排氣管13到達(dá)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(guò)濾器9，在此過(guò)程中碳煙微粒被泡沫陶瓷過(guò)濾截流。由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)到的冷卻水水溫、轉(zhuǎn)速和背壓信號(hào)被控制單元4接收，然后再將信號(hào)傳送至功率組件5。當(dāng)背壓高于設(shè)定值時(shí)，在冷卻水水溫和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均達(dá)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(guò)電纜7給電加熱發(fā)熱體12供電，通電時(shí)間可由控制單元設(shè)定；通電一段時(shí)間后，控制單元4打開電泵19和單向電磁閥18，通過(guò)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(dá)燃油分散單元16，被均勻分散，然后到達(dá)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(diǎn)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(guò)濾器9，使過(guò)濾器中過(guò)濾的碳煙在各處均勻燃燒，避免過(guò)濾器再生時(shí)的溫度不均勻現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)這些過(guò)程，整個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)達(dá)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(gè)金屬電極10、11構(gòu)成，兩個(gè)金屬電極10、11一端通過(guò)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(gè)完整的電加熱發(fā)熱體可由一個(gè)或多個(gè)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(guò)電極之間焊接的方式連成將一個(gè)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(guò)濾器結(jié)構(gòu)示意圖，壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器9由多片碳化硅泡沫陶瓷板平行組合而成，每?jī)善瑥?fù)合碳化硅泡沫陶瓷板之間的距離為1.5～3mm。過(guò)濾器內(nèi)部相錯(cuò)排列眾多互不直接相通的短通道，氣流由進(jìn)氣端的開口處進(jìn)入，穿越泡沫陶瓷壁進(jìn)入相鄰?fù)ǖ?，在此過(guò)程中，碳煙顆粒被碳化硅泡沫陶瓷板過(guò)濾。
本發(fā)明構(gòu)成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)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(guò)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(shí)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(guò)渡。當(dāng)采用變化孔徑泡沫陶瓷時(shí)，大孔徑泡沫陶瓷面為尾氣進(jìn)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(guò)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(guò)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(guò)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油車排放微粒的有效過(guò)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(fù)載催化劑；智能控制單元能夠接收來(lái)自控制單元平臺(tái)的冷卻水水溫、背壓和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)自動(dòng)控制壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)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(shí)現(xiàn)泡沫陶瓷碳煙壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)濾-再生裝置的原位再生。
實(shí)施例和相關(guān)比較例在各實(shí)施例和相關(guān)比較例的測(cè)試中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為SOFIM8140.43，測(cè)試方式采用柴油機(jī)13工況。
實(shí)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(shí)烘干；②將兩個(gè)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(gè)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(gè)電加熱發(fā)熱體單元，然后將兩個(gè)電加熱發(fā)熱體單元通過(guò)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(gè)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?jǐn)?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(guò)濾器，每片碳化硅泡沫陶瓷板厚5mm，每?jī)善沾砂逯g間距為2mm，最終的過(guò)濾器外形為220×130×150mm3；⑤以平均孔徑1.5mm、體積分?jǐn)?shù)30％的碳化硅泡沫陶瓷為原料，用機(jī)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(zhǎng)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(guò)濾器9封裝在一個(gè)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(guò)濾-再生裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接。測(cè)試使用的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為SOFIM8140.43，測(cè)試方式采用柴油機(jī)13工況；測(cè)試過(guò)程中不通電。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于在測(cè)試前將壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)濾-再生裝置安裝于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣通路的指定位置，保持發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行，由控制單元監(jiān)測(cè)背壓傳感器信號(hào)，當(dāng)背壓信號(hào)大于20kPa時(shí)，認(rèn)為過(guò)濾器需要再生。此時(shí)，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(dòng)機(jī)。
待發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻后重啟發(fā)動(dòng)機(jī)，在與實(shí)施例1相同的條件下進(jìn)行13工況測(cè)試，檢驗(yàn)再生的效果。
實(shí)施例3與實(shí)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(shí)施例4與實(shí)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(shí)施例5與實(shí)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(shí)施例6與實(shí)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(shí)施例7
與實(shí)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(shí)施例8與實(shí)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(shí)施例9與實(shí)施例1不同處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?shù)為40％、平均孔徑為0.5mm。
實(shí)施例10與實(shí)施例5不同處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?shù)為40％、平均孔徑為0.5mm。
實(shí)施例11與實(shí)施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?shù)為50％、平均孔徑為0.5mm。
實(shí)施例12與實(shí)施例5不同處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?shù)為50％、平均孔徑為0.5mm。
實(shí)施例13與實(shí)施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?shù)為40％、平均孔徑為0.2mm。
實(shí)施例14與實(shí)施例5不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?shù)為40％、平均孔徑為0.2mm。
實(shí)施例15與實(shí)施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?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(shí)施例16與實(shí)施例5不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?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(shí)施例17與實(shí)施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?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(shí)施例18與實(shí)施例5不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?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(shí)施例19與實(shí)施例1不同之處在于組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?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?gòu)?fù)合微孔涂層，微孔涂層的平均孔徑為0.01mm左右。
實(shí)施例20與實(shí)施例5不同之處在于
組成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷體積分?jǐn)?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?gòu)?fù)合微孔涂層，微孔涂層的平均孔徑為0.01mm左右。
實(shí)施例21與實(shí)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(shí)施例22與實(shí)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(shí)施例相同的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行不安裝過(guò)濾器條件下的柴油機(jī)13工況測(cè)試。
實(shí)施例及相關(guān)比較例的結(jié)果見表1。表1中實(shí)驗(yàn)1～22為實(shí)施例，實(shí)驗(yàn)23為相關(guān)比較例。將各實(shí)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(guò)濾效率最高達(dá)到90％以上，過(guò)濾效率隨著體積分?jǐn)?shù)的增加和平均孔徑的減小而增加，然而體積分?jǐn)?shù)的增加和平均孔徑的減小也會(huì)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(duì)于微粒排放的降低效果不是很顯著；再生時(shí)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(huì)導(dǎo)致功率降低，不能點(diǎn)燃噴入的燃油，也會(huì)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(guò)濾器仍能保持良好的過(guò)濾效率，表明壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)濾-再生裝置不但具有良好的凈化過(guò)濾性能，并且能夠有效再生，具有較長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)濾器(9)一起安裝于與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)金屬電極(10、11)構(gòu)成，電源通過(guò)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(guò)濾-再生裝置，其特征在于所述壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)濾器(9)由多片碳化硅泡沫陶瓷板平行組合而成，每?jī)善蓟枧菽沾砂逯g的距離為1.5～3mm，過(guò)濾器內(nèi)部相錯(cuò)排列眾多互不直接相通的短通道，氣體穿過(guò)泡沫陶瓷板由一個(gè)通道進(jìn)入另外的通道，碳煙微粒在穿越過(guò)程中被過(guò)濾。
3.按照權(quán)利要求2所述的壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)濾-再生裝置，其特征在于構(gòu)成壁流式泡沫陶瓷微粒過(guò)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(guò)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(gè)泡沫陶瓷電加熱單元組成，當(dāng)發(fā)熱體由二個(gè)或二個(gè)以上單元構(gòu)成時(shí)，各單元之間為并聯(lián)關(guān)系，通過(guò)電極之間焊接的方式連成一個(gè)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(guò)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(guò)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(fù)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(guò)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(duì)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?jǐn)?shù)計(jì)，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(guò)濾系統(tǒng)，具體地說(shuō)是一種壁流式柴油車尾氣微粒過(guò)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(guò)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(guò)濾器一起安裝于與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)柴油車微粒進(jìn)行有效過(guò)濾后，可在車載電源正常供電和車輛正常運(yùn)行情況下，實(shí)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(hào)F01N3/023GK1971005SQ20051004778
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)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(qiáng), 郝傳勇, 李明天 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所