專利名稱：自動選擇再生的顆粒過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從氣流中除去顆粒的設(shè)備和方法，所述設(shè)備在使 用中自動選擇地再生(自清潔)。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)和靜態(tài)燃燒碳?xì)浠衔锏脑O(shè)備傾向于通過它們的排氣系統(tǒng)排出 通常稱之為顆粒的含碳微粒。當(dāng)正在努力從源頭減少顆粒排放時，這種設(shè) 備的排氣系統(tǒng)中的顆粒過濾器(捕集器)在幫助滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī) 和公眾期待方面是很有用的?？稍偕念w粒過濾器是已知的。特別希望的是，顆粒過濾器在使用中 在任何栽荷下自身再生，以便使過濾和氣流效率保持在一定水平之上，同 時使過濾器尺寸最小。同樣希望的是，當(dāng)存在預(yù)定的顆粒水平時，過濾器自身控制來再生并且在不需要任何外部傳感裝置的情況下進(jìn)行再生。此外， 還希望，再生過程在使用任何外部提供的能量或材料方面是經(jīng)濟(jì)的，過濾 器的結(jié)構(gòu)也是經(jīng)濟(jì)的并且不管燃料的類型和組成以及發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況如何系統(tǒng)都是有效的。同 一申請人的WO 01/04467公開了 一種用于從氣流中除去顆粒的設(shè)備 和方法。WO ，467公開了一種深度小于100mm的單塊陶瓷過濾器，該過 濾器使用第一電極在過濾器的第一端附近產(chǎn)生大氣壓輝光放電。盡管深度 減小的陶瓷過濾器與大氣壓輝光放電的結(jié)合，與此前已知的裝置相比，提 供了遠(yuǎn)遠(yuǎn)更高效的顆粒去除性能和過濾器再生性能，但申請人認(rèn)為性能仍 可進(jìn)一步提高。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于從氣流中除去顆粒的設(shè)備，該設(shè)備包括氣體可被引導(dǎo)流動通過其中的陶瓷過濾器，該過濾器具有第一端和第 二端并且包括多個細(xì)長的基本上平行于氣流方向延伸的單元；至少一個位于過濾器一端的用于產(chǎn)生大氣壓輝光放電的電極；以及至少一個與所述至少一個電極隔開的且適用于引導(dǎo)來自電極的電流流 出過濾器的導(dǎo)體；其中，所述導(dǎo)體至少部分地延伸到所述過濾器中。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于從氣流中除去顆粒的設(shè)備，該 設(shè)備包括氣體可被引導(dǎo)流動通過其中的陶瓷過濾器，該過濾器具有第一端和第 二端并且包括多個細(xì)長的基本上平行于氣流方向延伸的單元；至少一個位于過濾器一端的用于產(chǎn)生大氣壓輝光放電的電極；以及 至少一個與所述至少一個電極隔開的且適用于引導(dǎo)來自電極的電流流 出過濾器的導(dǎo)體；其中所述設(shè)備安裝在設(shè)有用于氣體流入和流出的通孔的過濾器殼體之 中，并且其中所迷至少一個導(dǎo)體包括所述過濾器殼體的一部分。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于從氣流中除去顆粒的方法，該 方法包括使氣體流動通過陶瓷過濾器，使得顆粒從氣流中分離出來并被過濾器 捕獲，其中，該過濾器具有第一端和第二端并且包括多個細(xì)長的基本上平 行于氣流方向延4申的單元；將至少一個電極定位在過濾器的一端上；將至少一個導(dǎo)體定位在與所述至少一個電極隔開的位置上，使得所述 導(dǎo)體至少部分地延伸到所述過濾器中； 由電極產(chǎn)生大氣壓輝光放電；以及 通過所述導(dǎo)體將來自電極的電流導(dǎo)出過濾器。


現(xiàn)在僅通過示例并參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，圖中示出圖1示出用于從氣流中除去顆粒物質(zhì)的設(shè)備的第一實(shí)施例的垂向剖視 示意圖；圖2示出該設(shè)備的第二實(shí)施例的垂向剖視示意圖；圖3示出該設(shè)備的第三實(shí)施例的垂向剖視示意圖；圖4示出該設(shè)備的第四實(shí)施例的垂向剖視示意圖；以及圖5示出構(gòu)成該設(shè)備一部分的陶瓷過濾器的端部示意視圖。
具體實(shí)施方式
參考圖示，所述設(shè)備的各個實(shí)施例都以垂直剖面圖示意性示出。此夕卜， 所述設(shè)備的各個實(shí)施例都是結(jié)合在內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中的應(yīng)用加以說明的。 但是，應(yīng)理解，本發(fā)明并不是局限于應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)中。所示的每個實(shí)施例具有包括殼體12或筒罐的顆粒過濾器10，在該殼 體中容納有過濾器體14。過濾器體14包括多個橫貫于過濾器體14的深度 延伸的細(xì)長的管狀入口和出口單元16、 17。換句話說，入口和出口單元16、 17基本上平行于穿過過濾器10的氣流延伸。每個單元16、 17由多孔的陶 瓷壁18限定并各具有一個被陶瓷塞子20封閉的端部。除非另有說明，否 則過濾器體14安裝在殼體12之內(nèi)位于電絕緣的安裝襯套30上。通過入口 22進(jìn)入過濾器的排氣被強(qiáng)迫進(jìn)入過濾器體14的交替的入口 單元16中并穿it^目應(yīng)的壁18。根據(jù)構(gòu)型的不同，高達(dá)卯％的顆粒物質(zhì)可 通過沉積在內(nèi)壁表面19上而被過濾。凈化過的排氣通過出口 24從過濾器 10排出。此外，每個將要描述的實(shí)施例設(shè)置有至少一個高壓(HV)電極，用于 在過濾器10內(nèi)產(chǎn)生大氣壓輝光放電(atmospheric glow)或類輝光的放電。 在所述實(shí)施例中，每個高壓電極連接到適合于該設(shè)備的特定應(yīng)用的電源(在圖中未示出)上。例如，當(dāng)用在車輛應(yīng)用場合時電源可以是12V的電源， 或者當(dāng)用于發(fā)電機(jī)應(yīng)用場合時電源可以是230V的電源。在一個實(shí)施例中， 可以使電源適合于以在lkHz至200kHz范圍內(nèi)的頻率產(chǎn)生矩形波脈沖。優(yōu) 選地，電壓以18kHz至30kHz范圍內(nèi)的頻率、最優(yōu)選以20kHz至25kHz 范圍內(nèi)的頻率產(chǎn)生。由電源提供的開路輸出電壓的優(yōu)選范圍的例子是在 5kV至25kV之間，然而最優(yōu)選為10kV。 20kHz的頻率超過了人的正常聽 覺范圍上極限16-18kHz，并且在結(jié)合所述設(shè)備的電流的情況下，是較安全 的頻率。所述設(shè)備在較高頻率，例如38MHz下也能有效地工作，但選擇上述 頻率范圍是由于人的舒適性和實(shí)踐優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)選的頻率范圍與較高的頻率相 比具有很明顯的優(yōu)勢，在必需的功率電平下實(shí)現(xiàn)較高的頻率成本高，并且 較高的頻率通常要求電路魯棒性較低并且不易小型化。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第一實(shí)施例，其中包括上面已描述的特 征。在該第一實(shí)施例中，高壓電極是點(diǎn)電極/尖端極32，將該點(diǎn)電極4皮與過 濾器體14的第一端部13沿軸向隔開的支承裝置34保持。電極32沿軸向 與過濾器體隔開2至5mm的距離。支承裝置34被穿孔，以允許排氣從中 通過。在該實(shí)施例中，電極32由低碳鋼棒材制成，可具有任意合適的直徑， 因?yàn)樗ㄎ辉谶^濾器外部。在所有示出的實(shí)施例中，在過濾器體14的第二 (下游)端部15設(shè)置 有一導(dǎo)體，該導(dǎo)體與高壓電極隔開。該導(dǎo)體適用于引導(dǎo)來自高壓電極的電 流流出過濾器并使其返回電源。對于所示的優(yōu)選實(shí)施例，除非另有說明， 所述導(dǎo)體采用反電極的形式。然而，應(yīng)當(dāng)理解，除了所述反電極，也可使 用其它合適的導(dǎo)體。在圖1所示的實(shí)施例中，反電極通過用導(dǎo)電材料36 浸漬過濾器體14的與第二端部15相鄰的至少一部分來形成，使得^皮浸漬 的部分從過濾器體14的第二端部15向第一端部13延伸直到它至少經(jīng)過笫 二端部15上的陶瓷端部塞子20。由于浸漬過濾器體14，在反電極(過濾 器體14的被浸漬的第二端部15)和被捕獲的顆粒物質(zhì)之間形成電接觸。 因此，當(dāng)電極32在電極32和過濾器體14之間的縫隙中產(chǎn)生大氣壓輝光放電時，被過濾器保持的被捕獲的顆粒物質(zhì)用作用于大氣壓輝光放電的接地點(diǎn)，并且該放電使顆粒物質(zhì)被氧化。由于被浸漬的過濾器體14和顆粒物質(zhì) 之間的電接觸，提高了從高壓電極32到過濾器內(nèi)部的大氣壓輝光放電的穿 透性，因而更有效地使顆粒物質(zhì)被氧化。圖2示出本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中使用了不同形式的反電極。該第 二實(shí)施例與第一實(shí)施例共有大部分特征，對于共有的特征使用了相同的參 考標(biāo)號。但在第二實(shí)施例中，過濾器體沒有被導(dǎo)電材料浸漬以形成反電極。 相反，在第二實(shí)施例中，極板是導(dǎo)電的絲狀電極/線電極40。該導(dǎo)電的絲狀 反電極40被與過濾器體14的第二端部15沿軸向隔開但又靠近的第二支承 裝置42保持。反電極40插入過濾器體14的出口通道或單元17中的一個，使得該反 電極從第二端部15至少部分地延伸到過濾器10內(nèi)。反電極40插入到出口 單元17中大約25至30mm。這種有限的插入稱為淺插入。反電極40的這 種淺插入同樣確保了被捕獲在入口單元16中的顆粒物質(zhì)與反電極40之間 的緊密聯(lián)系，因?yàn)楸徊东@在入口單元16中的顆粒物質(zhì)僅通過過濾器體14 的薄而多孔的壁18與反電極隔開。這種緊密的聯(lián)系此外提高了被捕獲的顆 粒物質(zhì)的氧化效率。在圖3中示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例。同樣，與第一和第二實(shí)施例共 有的特征配設(shè)有相同的參考標(biāo)號。該第三實(shí)施例與第二實(shí)施例的區(qū)別在于，高壓電極32'和導(dǎo)電的絲狀反電極40'現(xiàn)在都完全插入到過濾器體14中。高 壓電極32'插入到入口單元16中，而反電極40，插入到出口單元17中，因 此減小了這兩個電極32'、 40'之間在過濾器體14外放電的可能性。如果需 要，電極32'、 40，的位置可互換，使得反電極40'位于入口單元16中而高 壓電極32'在出口單元17中。這將不會對再生性能產(chǎn)生任何不利的影響。 通過將電極32'、 40'完全插入過濾器體14的單元16、 17中，每個單元16、 17的整個長度可被再生。圖4示出本發(fā)明的第四實(shí)施例。與上述實(shí)施例共有的特征也配設(shè)有相 同的參考標(biāo)號。在該第四實(shí)施例中，未設(shè)置單獨(dú)的導(dǎo)體。相反，安裝襯套30，不再使過濾器體14與殼體12電絕緣。因此，通過使用過濾器體14的 固有容抗來使得殼體12的一部分可以用作導(dǎo)體，從而使從高壓電極32到 殼體12形成回路。工業(yè)適用性這里所述的本發(fā)明的很多實(shí)施例是用來用在內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)和類似 場合中。由于在被捕獲的顆粒物質(zhì)與高壓電極和導(dǎo)體之間的緊密聯(lián)系，與 現(xiàn)有的提案相比，本發(fā)明提供了再生性能得到提高的過濾器。使用所述多 種類型的高壓電極和導(dǎo)體，將它們或者部分地或者完全地定位在陶瓷過濾 器內(nèi)以及將過濾器定位在排氣系統(tǒng)中，在不顯著增加排氣背壓的情況下提 高了再生性能。此外，這種再生性能的提高不需要增加過濾器的整體尺寸。 因此，所提高的再生性能不會以重量和/或尺寸的增大為代價。盡管上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的很多實(shí)施例，但其它的改進(jìn)方案也是可 行的。例如，用于封閉過濾器體的每個單元的端部塞子可由導(dǎo)電材料制成。 這樣，端部塞子就可用作用于過濾器設(shè)備的高壓電極和/或?qū)w。此夕卜，盡管高壓電極已被描述成針狀電極，但它也可具有其它的形狀。 例如，網(wǎng)狀電極也可用作高壓電極。網(wǎng)狀電極可當(dāng)作具有大的表面積的針 狀電極。因此，網(wǎng)狀電極可覆蓋過濾器的較大的表面積。此外，高壓電極 可以與在上述的本發(fā)明的第一實(shí)施例中用于反電極的方式相同的方式通過浸漬過濾器體的第一端部來形成。關(guān)于第三實(shí)施例的插入的電極的布置，插入的電極可具有很多形狀，而不是所示的針狀電極。例如，可用導(dǎo)電材料涂覆或浸漬所述單元。此夕卜， 第三實(shí)施例的高壓電極可定位在過濾器體的出口單元中，而反電極形成為 過濾器體的第一 (上游)端部的導(dǎo)電浸潰層或涂覆層。這將確保所捕獲的 顆粒物質(zhì)和反電極之間的接觸，同時防止了高壓電極和顆粒物質(zhì)之間的直 接接觸(這會導(dǎo)致不能產(chǎn)生放電)。如上所述，每個實(shí)施例包括至少一個高壓電極和至少一個導(dǎo)體。除了 其中電極通過浸漬過濾器而形成的實(shí)施例外，在本發(fā)明中優(yōu)選使用多個高壓電極。例如，在一個優(yōu)選實(shí)施例中，采用了30個高壓電極。在一個采用 了多個高壓電極的實(shí)施例中， 一列中的每個電極都設(shè)有專門的電穩(wěn)定元件。 這些電穩(wěn)定元件優(yōu)選通過在電源和每個高壓電極之間提供阻抗來穩(wěn)定電 極。穩(wěn)定元件可以是簡單的電阻(器)，或者它們也可以是提供感抗或容 抗的元件。穩(wěn)定元件的設(shè)置確保高壓電極的有效運(yùn)行。如果沒有穩(wěn)定元件， 大氣壓輝光放電可能有利于特別是電極和顆粒捕獲區(qū)域。再生性能的另一改進(jìn)可通過對電源進(jìn)行脈沖調(diào)制或調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。這包 括在很短的周期內(nèi)接通和斷開電源。例如，接通和斷開周期可以在10ms 至ls的范圍內(nèi)，其中最大周期時間(接通周期的開始到斷開周期的結(jié)束) 為3s。與已知的標(biāo)間比率(mark space ratio )不同，接通和斷開周期可以 是可變的而不是固定的。通過以這種方式對電源進(jìn)行脈沖調(diào)制，可一起減 小或消除由放電引起的對過濾器的熱損壞。完整的接通/斷開周期的數(shù)量也 可通過使電源斷開一個比周期時間長的時間段來改變。這將確保放電在過 濾器體的入口單元附近移動而不是停留在一個位置。關(guān)于電極和導(dǎo)體與過濾器體的相對位置，優(yōu)選實(shí)施例已將電極描述成 位于過濾器的上游的第一端部上而導(dǎo)體位于電極的下游。這些位置僅用作 示例。技術(shù)人員將認(rèn)識到，電極和導(dǎo)體顛倒布置時，本發(fā)明仍可運(yùn)行。此 外，電極和導(dǎo)體可位于過濾器的同一端部上而不會降低再生性能。這種布 置結(jié)構(gòu)在圖5中示意性示出，圖中示出過濾器體14'的下游端部。所示實(shí)施例的過濾器體14'是圓柱形的，并且通常被過濾器殼體包圍， 但為了圖示清晰的目的移除了該殼體。如已經(jīng)所述的，過濾器體14'由多個 入口和出口單元構(gòu)成，出口單元17'的開放的端部可從圖5中看出。在所示 的布置結(jié)構(gòu)中，多個高壓電極至少部分地插入過濾器體14，的一部分出口單 元17'中。高壓電極20'分別插入特定的出口單元17，中，使得高壓電極20' 以線性布置的方式定位。盡管圖5示出位于相鄰出口單元17'中的每個高壓 電極20',但應(yīng)認(rèn)識到，高壓電極20，可布置在非相鄰的出口單元17'中并仍 形成線性布置結(jié)構(gòu)。除了高壓電極20',多個反電極40'形式的導(dǎo)體也插入過濾器體14，的一部分出口單元17'中。同樣，反電極40'也布置在出口單元17，中，使得它們 形成線形布置，并且也可定位在非相鄰的出口單元17'中并形成線形布置。 高壓電極和反電極20，、 40'隔行布置在過濾器體14'端部上。通過以這種方 式布置高壓電極和反電極20'、 40'，當(dāng)高壓電極產(chǎn)生大氣壓輝光放電時， 實(shí)現(xiàn)了被捕獲在過濾器中的顆粒物質(zhì)的更均勻的氧化?？蛇x地，高壓電極 和反電極20，、 40'可以線性布置的方式插入到過濾器的單元中，使得它們 形成特殊的形狀，例如基本上六邊形形狀。這些以及其它的變型和改進(jìn)可以相結(jié)合而不會偏離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于從氣流中除去顆粒的設(shè)備，該設(shè)備包括氣體可被引導(dǎo)流動通過其中的陶瓷過濾器，該過濾器具有第一端和第二端并且包括多個細(xì)長的基本上平行于氣流方向延伸的單元；至少一個位于過濾器一端的用于產(chǎn)生大氣壓輝光放電的電極；以及至少一個與所述至少一個電極隔開的且適用于引導(dǎo)來自電極的電流流出過濾器的導(dǎo)體；其特征在于，所述導(dǎo)體至少部分地延伸到所述過濾器中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所迷至少一個導(dǎo)體包 括所述過濾器的浸漬有導(dǎo)電材料的一部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個導(dǎo)體是 至少部分地位于所迷的細(xì)長單元中的一個內(nèi)的第二點(diǎn)電極。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述過濾器的每個細(xì) 長單元在過濾器的第一端或者第二端被端部塞子封閉。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所迷的設(shè)備，其特征在于，位于第二端的端部塞 子由導(dǎo)電材料制成，所述至少一個導(dǎo)體包括導(dǎo)電的端部塞子。
6. —種用于從氣流中除去顆粒的設(shè)備，該設(shè)備包括氣體可被5)導(dǎo)流動通過其中的陶瓷過濾器，該過濾器具有第 一端和第 二端并且包括多個細(xì)長的基本上平行于氣流方向延伸的單元；至少一個位于過濾器一端的用于產(chǎn)生大氣壓輝光放電的電極；以及 至少一個與所迷至少一個電極隔開的且適用于引導(dǎo)來自電極的電流流 出過濾器的導(dǎo)體；其特征在于，所迷設(shè)備安裝在設(shè)有用于氣體流入和流出的通孔的過濾 器殼體之中，并且所迷至少一個導(dǎo)體包括所述過濾器殼體的一部分。
7. 根據(jù)上迷權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少 一個電極包括第一點(diǎn)電極。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個電極定位在靠近過濾器的一端但與其隔開的位置處。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述至 少一個電極至少部分地定位在所述細(xì)長單元中的一個內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述至 少一個電極包括過濾器的靠近端部的一部分，該部分浸漬有導(dǎo)電材料。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，電極和導(dǎo) 體中的一個位于過濾器的第一端，而電極和導(dǎo)體中的另一個位于過濾器的 第二端。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述 電極和導(dǎo)體位于過濾器的同 一端。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所迷的設(shè)備，其特征在于，所迷過濾器的第一 和笫二端分別是過濾器的上游端和下游端，并且所述電極和導(dǎo)體位于過濾器的下游端。
14. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少 一個電極連接到以1 kHz至200kHz范圍內(nèi)的頻率產(chǎn)生交流電壓的交流電壓 源上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述交流電壓源經(jīng) 脈沖調(diào)制。
16. —種用于從氣流中除去顆粒的方法，該方法包括 使氣體流動通過陶瓷過濾器，使得顆粒從氣流中分離出來并被過濾器捕獲，其中，該過濾器具有第一端和第二端并且包括多個細(xì)長的基本上平行于氣流方向延伸的單元；將至少一個電極定位在所述過濾器的一端上； 將至少一個導(dǎo)體定位在與所述至少一個電極隔開的位置上，使得所述導(dǎo)體至少部分地延伸到所述過濾器中；由所述電極產(chǎn)生大氣壓輝光放電；以及 通過所迷導(dǎo)體將來自所述電極的電流導(dǎo)出所述過濾器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于從氣流中除去顆粒的設(shè)備和方法。該設(shè)備包括陶瓷過濾器(14)、至少一個電極(32)和至少一個導(dǎo)體(40)。所述電極(32)位于過濾器(14)的一端上，并且產(chǎn)生大氣壓輝光放電以便氧化被捕獲在過濾器(14)中的炭沉積。所述導(dǎo)體(40)至少部分地延伸到所述過濾器(14)中并用作反電極。通過電極和導(dǎo)體的多種布置結(jié)構(gòu)，本發(fā)明使得所捕獲的炭沉積和電極之間的聯(lián)系更緊密。這在沒有增加設(shè)備的大小和/或重量的情況下提高了過濾器的再生性能。
文檔編號F01N3/027GK101273188SQ200680035305
公開日2008年9月24日 申請日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
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