專利名稱：去除內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物質(zhì)的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從內(nèi)燃機(jī)廢氣中去除顆粒物質(zhì)的裝置與方法。
由于柴油機(jī)具有優(yōu)良的燃料經(jīng)濟(jì)性，且其廢氣排出物比較安全，可與氣油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，因此正普遍地用于機(jī)動(dòng)車上。然而，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)含有的顆粒物質(zhì)卻比類似的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)多的多，這種顆粒物質(zhì)經(jīng)常能看到，它從柴油機(jī)車排氣管冒出，呈黑煙狀。
已知的凈化廢氣的方法是在排氣系統(tǒng)中裝一個(gè)過(guò)瀘器以捕集顆粒物質(zhì)。能極為有效地去除廢氣中顆粒物質(zhì)的各種類型的顆粒過(guò)瀘器目前可以買到，但是，由于顆粒沉積物不斷地聚集最終會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾器堵塞。這種堵塞效應(yīng)會(huì)限制廢氣通過(guò)過(guò)瀘器的流量，且增加發(fā)動(dòng)機(jī)上的排氣背壓，因此會(huì)降低它的效率。為了恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，需要更換過(guò)瀘器或凈化過(guò)瀘器。
已知在車上就地凈化(或“再生”)過(guò)瀘器的方法是加熱過(guò)瀘器至高溫，使主要是含碳物質(zhì)的顆粒物質(zhì)與廢氣中的游離氧結(jié)合，主要生成比較無(wú)害的二氧化碳?xì)怏w，從排氣系統(tǒng)排出。
業(yè)已提出各種加熱過(guò)瀘器的方法，包括調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)，使用一個(gè)單獨(dú)的燃料燃燒器或電加熱元件，或是如英國(guó)專利申請(qǐng)NO，GB2，080，140，所公開的那樣，用一個(gè)微波發(fā)生器直接加熱顆粒物質(zhì)。然而，所有這些方法都有一個(gè)問(wèn)題，即需要足夠的能量來(lái)提高過(guò)瀘器中顆粒物質(zhì)的溫度至大約500-600℃，以滿足迅速發(fā)生氧化作用的需要。此外，由于要求輸入高能量，而且為了能方便地安裝于大多數(shù)的機(jī)動(dòng)車輛上而需昂貴或太多的費(fèi)用等原因，大多數(shù)建議的方法業(yè)已無(wú)效。本發(fā)明的目的至少是為了減緩這些難題中的某些問(wèn)題。
按照本發(fā)明提供一種去除內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物質(zhì)的裝置，它包括一個(gè)具有朝廢氣上流端開口的氣體進(jìn)口和朝廢氣下流端開口的氣體出口的腔室，一個(gè)裝于腔室中位于入口孔與出口孔之間的過(guò)瀘器，它用于捕集流過(guò)腔室的廢氣所攜帶的顆粒物，以及產(chǎn)生本文所限定的較低頻率電磁輻射的裝置，其作用是將電磁輻射能導(dǎo)入腔室中，向過(guò)瀘器的上流端發(fā)射能量以便加熱和氧化過(guò)瀘器中捕集的顆粒物質(zhì)，將其裝配成開始時(shí)使僅僅是過(guò)瀘器上流端鄰近區(qū)域的顆粒物質(zhì)受到電磁輻射全部的加熱作用。
“較低頻率”的電磁輻射在本文中被限定為在R、F或微波頻率范圍內(nèi)的輻射，具有的頻率低于1012Hz。
本發(fā)明的裝配是使經(jīng)電磁輻射最初加熱過(guò)的熱區(qū)的下流邊緣逐漸向后移至過(guò)瀘器的下流端。
由于僅僅是過(guò)瀘器中一小范圍內(nèi)的顆粒物質(zhì)受到電磁輻射全部的加熱作用，因而一個(gè)較低功率的電磁輻射發(fā)生器就足以將該區(qū)域的顆粒物質(zhì)加熱至能迅速發(fā)生氧化反應(yīng)的溫度。一旦該區(qū)的氧化反應(yīng)開始，由放熱氧化反應(yīng)所釋放的能量可促使熱區(qū)擴(kuò)展到過(guò)瀘器的其它部分，以氧化剩余的顆粒物質(zhì)，而且以這種方式可以釋放足夠的能量，從而在不輔加任何其它外部能量的情況下可使全部顆粒物質(zhì)氧化。因此，一旦過(guò)瀘器中小范圍內(nèi)的顆粒物質(zhì)開始燃燒，就可以關(guān)閉電磁輻射器或減少其功率輸出，從而可節(jié)省能量。由于過(guò)瀘器中顆粒物質(zhì)最初被加熱的區(qū)域是鄰近過(guò)瀘器的上流端，所以載氧的廢氣流通過(guò)過(guò)瀘器時(shí)會(huì)引起強(qiáng)制對(duì)流，這有助于使熱區(qū)移動(dòng)至整個(gè)過(guò)瀘器，并提供氧氣促進(jìn)氧化過(guò)程。此外，由于使用一種控制裝置使熱區(qū)移動(dòng)至整個(gè)過(guò)瀘器，因而顆粒物質(zhì)的放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量可以得到調(diào)節(jié)，從而降低了過(guò)瀘器基體因熔融或熱裂而損壞的危險(xiǎn)性。
上述裝置可設(shè)置在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)或固定式內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)內(nèi)。
腔室和過(guò)瀘器基本上是圓筒形的并且彼此同軸。
發(fā)出電磁輻射的裝置可以是一臺(tái)微波發(fā)生器。
該裝置可以包括一個(gè)廢氣旁通，用于減少流過(guò)過(guò)瀘器的廢氣流量，和一個(gè)旁通閥，用于調(diào)節(jié)流過(guò)旁通的廢氣流量。在初始加熱期間通過(guò)降低流過(guò)過(guò)瀘器的廢氣流量，可以使顆粒物質(zhì)更快地升高到可迅速產(chǎn)生氧化反應(yīng)的溫度。在初始加熱期之后，加大廢氣流過(guò)過(guò)瀘器的全流量，從而產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流效應(yīng)并提供氧氣促進(jìn)過(guò)瀘器下流部分的氧化過(guò)程。旁通可從過(guò)瀘器的上流處延至過(guò)瀘器的下流處。
旁通可以作成一個(gè)圍繞在過(guò)瀘器圓筒周圍的夾套，因而可進(jìn)一步幫助加熱過(guò)瀘器。
該裝置還可包括用于控制電磁輻射發(fā)生器和旁通閥的控制器，因而可調(diào)節(jié)氧化過(guò)程并有助于防止過(guò)瀘器損壞。更有利的是，該裝置包括能讀出過(guò)瀘器中顆粒物質(zhì)數(shù)量的檢測(cè)器，該檢測(cè)器的輸出與控制器的輸入相接。檢測(cè)器可包括一個(gè)壓力傳送器，或是另一種方式，即檢測(cè)器可做成能檢測(cè)電磁輻射發(fā)生器上的電負(fù)載，或檢測(cè)腔室中的電磁場(chǎng)。
廢氣流過(guò)過(guò)瀘器基本上是呈直線并沿著與過(guò)瀘器縱軸相平行的方向。
電磁輻射發(fā)生器可配置成能基本上以均勻強(qiáng)度輻照過(guò)濾器的整個(gè)上流端，因此可減少因不均勻加熱導(dǎo)致過(guò)瀘器損壞的危險(xiǎn)。
更有利的是該裝置包括檢測(cè)過(guò)濾器中捕集的顆粒物質(zhì)溫度的檢測(cè)器。溫度檢測(cè)器最好裝配成能夠測(cè)量輻射發(fā)生器上的電負(fù)載，或腔室中的電磁場(chǎng)。
該裝置可包括容許除廢氣之外的其它氣體進(jìn)入氣體室上流端的進(jìn)口。這些其它氣體可例舉外界空氣，氧或氮。該進(jìn)口可包括推動(dòng)其它氣體進(jìn)入腔室的推進(jìn)器。該裝置可包括調(diào)節(jié)其它氣體進(jìn)入腔室的流量調(diào)節(jié)器。
該裝置還可包括干擾器，用于干擾腔室中微波能量的場(chǎng)分布。
按照本發(fā)明，還提供一種除去內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物質(zhì)的裝置，它包括一個(gè)過(guò)瀘器，用于捕集廢氣攜帶的顆粒物，電磁輻射發(fā)生器，用于產(chǎn)生本文所限定的較低頻的電磁輻射，并將此電磁輻射直接射向過(guò)瀘器，以及測(cè)量輻射發(fā)生器上的電負(fù)載以確定過(guò)瀘器中顆粒物質(zhì)數(shù)量的檢測(cè)器。
本發(fā)明還提供一種除去內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物質(zhì)的裝置，它包括一個(gè)用于捕集廢氣攜帶顆粒物的過(guò)瀘器，產(chǎn)生本文所限定的較低頻電磁輻射并將此電磁輻射直射向過(guò)瀘器的輻射發(fā)生器，以及測(cè)量輻射發(fā)生器上的電負(fù)載以確定過(guò)瀘器中顆粒物質(zhì)溫度的檢測(cè)器。
本發(fā)明還提供一種除去內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物質(zhì)的裝置，它包括一個(gè)用于捕集廢氣所攜帶顆粒物的過(guò)瀘器，產(chǎn)生本文所限定的較低頻電磁輻射并將此電磁輻射直射向過(guò)瀘器的電磁輻射發(fā)生器，以及測(cè)量腔室中的電磁場(chǎng)以確定過(guò)瀘器中顆粒物溫度的檢測(cè)器。
本發(fā)明還提供一種去除內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物質(zhì)的方法，該方法中，使氣體通過(guò)一個(gè)過(guò)瀘器，同時(shí)捕集廢氣所攜帶的顆粒物，并用本文所限定的較低頻率的電磁輻射周期性地照射過(guò)瀘器的上流端，以使局部過(guò)瀘器中捕集的粒子發(fā)熱，加熱區(qū)的下流邊緣起初靠近過(guò)瀘器的上流端，繼而移至過(guò)瀘器的下流端。
用微波輻射照射過(guò)瀘器是有利的。
在過(guò)瀘器被輻射的至少一部分時(shí)間內(nèi)可減少?gòu)U氣通過(guò)過(guò)瀘器的流量。在初始加熱期之后可以恢復(fù)廢氣通過(guò)過(guò)瀘器的全流量。
有利的是，可以檢測(cè)過(guò)瀘器中捕集的顆粒物數(shù)量并根據(jù)檢測(cè)的物料量控制過(guò)瀘器的周期性輻射。通過(guò)過(guò)瀘器的廢氣流量也可以根據(jù)檢測(cè)的物料量來(lái)控制。顆粒物的數(shù)量可由測(cè)量通過(guò)過(guò)瀘器的氣體壓差來(lái)斷定，或者用另一種方法，即通過(guò)測(cè)量電磁輻射發(fā)生器上的電負(fù)載，或測(cè)定腔室的電磁場(chǎng)來(lái)確定。
本發(fā)明的實(shí)施方案將以實(shí)例并參看附圖的方式描述，其中


圖1是一種去除內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物裝置的縱剖面示意圖。
圖2是該裝置的局部縱剖面示意圖。
圖3是該裝置的另一種裝配方式的示意圖。
如圖1所示，該裝置包括一個(gè)基本為圓筒形的腔室1，其兩端分別為上流和下流平截頭錐形封頭的殼壁2和3。腔室1可由不銹鋼制成，將腔室1以串接方式安裝在內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中，例如柴油機(jī)，以其廢氣進(jìn)口管4與上流封頭2的中心線開口相接，同樣廢氣出口管5則與下流封頭3中心線的開口相接。廢氣流按箭頭A指示的方向流過(guò)腔室。
位于腔室1中與之同軸的是一圓筒形過(guò)瀘器6，它用于除去流過(guò)腔室的廢氣中的顆粒物質(zhì)。填充墊7(例如，屬于商標(biāo)INTERAM銷售品型)充填于過(guò)瀘器6的外圍，將過(guò)瀘器和腔室1的圓筒壁之間的間隙塞滿。
微波發(fā)生器以磁控制管的形式通過(guò)波導(dǎo)管9與上流封頭2上的偏心口相接，將它裝配成將頻率可有2450MHz的微波能直接射入腔室1，以輻照過(guò)瀘器6的上流面10。隔板11是可讓微波充分透過(guò)的陶瓷、玻璃或其它低耗的介電材料，它裝置在波導(dǎo)管9的遠(yuǎn)離磁控管8的尾端，以防止廢氣進(jìn)入波導(dǎo)管和損壞磁控管。磁控管8通過(guò)一個(gè)開關(guān)器12與電源13相連。
旁通廢氣管14，在腔室正上流處的廢氣進(jìn)口管4與腔室正下流處的廢氣出口管5之間，與腔室1并聯(lián)相通。設(shè)置于旁通管14中的是旁通閥15，一般情況下該閥為關(guān)閉狀態(tài)以防止廢氣流入旁通管14。在閥的兩側(cè)與旁通管14相接的是壓差傳感器16，它檢測(cè)腔室1中過(guò)瀘器6兩側(cè)廢氣的壓力差。壓力傳感器16的輸出與控制器17相接，該控制器分別與檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)載荷和速度的傳送器18、19的輸出相接?？刂破?7的輸出與旁通通閥15相接，以控制閥門的開啟與關(guān)閉，此外控制器17的輸出還與磁控管的開關(guān)器12相接。
圖2是部分過(guò)瀘器6的縱向局部剖面示意圖。過(guò)瀘器6是普通慣用的陶瓷蜂窩狀整體過(guò)瀘器(例如由corning和NGK制造的類型)，它由一列從上流面10至下流面22縱向穿過(guò)過(guò)瀘器的平行通道20構(gòu)成，這些通道由薄的多孔陶瓷壁21分隔開。通道20的上流和下流端交替地用高溫水泥塞23堵塞，如箭頭所指，廢氣進(jìn)入上流端為蔽開狀態(tài)的通道，并穿過(guò)多孔壁21，經(jīng)過(guò)下流端為蔽開狀態(tài)的通道離開過(guò)瀘器。多孔壁21中的孔很小，小到足以捕集廢氣所攜帶的顆粒物，因而廢氣通過(guò)阻截過(guò)程而被過(guò)瀘，捕集的顆粒物作為沉積物聚集在上流端蔽開著的那些通道20的壁上。
正常操作中，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將旁通閥15關(guān)閉，使廢氣流過(guò)腔室1中的過(guò)瀘器6，然后通過(guò)出口管15排出。如上所述，廢氣所攜帶的顆粒物，例如碳或油煙，被過(guò)瀘器6捕集，因此離開腔室的廢氣比進(jìn)入的廢氣干凈。
由于過(guò)瀘器6對(duì)流過(guò)它的廢氣造成了一定的阻力，因而在腔室1的上流端與下流端之間形成壓力差，并由差壓傳送器16檢測(cè)。壓差的大小取決于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、發(fā)動(dòng)機(jī)速度，以及沉積在過(guò)瀘器6的多孔壁19上的顆粒物24的數(shù)量。當(dāng)更多的顆粒物沉積時(shí)壓差增加。一旦因過(guò)瀘器中顆粒物的沉積而增加對(duì)氣流的阻力，由此形成的廢氣背壓對(duì)內(nèi)燃機(jī)效率會(huì)有不利影響，因而需要再生或凈化過(guò)瀘器。
再生過(guò)程由控制器17來(lái)完成，它將壓力傳送器16的輸出與表示發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷的信號(hào)進(jìn)行比較，并由這些值估算過(guò)瀘器中顆粒物的量。當(dāng)其數(shù)量超過(guò)一預(yù)定限值時(shí)，控制器就打開旁通閥15，讓廢氣繞過(guò)瀘器16通過(guò)(按箭頭B所示)，并接通磁控管8。由磁按管8發(fā)出的微波能被波導(dǎo)管9導(dǎo)引通過(guò)隔板11進(jìn)入腔室1，輻照過(guò)瀘器6的上流面10。
陶瓷過(guò)瀘器6與捕集的顆粒物介電性能不同，因此它們對(duì)入射的微波能的反應(yīng)也不同。過(guò)瀘器6的陶瓷材料可以充分地透過(guò)微波，因而微波能夠通過(guò)過(guò)瀘器且衰減很小，因此在過(guò)瀘器中產(chǎn)生的熱效應(yīng)很小。然而顆粒物的雙極性分子被微波的交替性施加的電場(chǎng)激勵(lì)而振動(dòng)，因而顆粒物吸收微波能并因它而變熱。
由于只是過(guò)瀘器6的上流面10被輻照，因此微波能幾乎全部被緊靠該面的很小區(qū)域內(nèi)的顆粒物所吸收。顆粒物使微波能迅速衰減，因此基本上防止微波進(jìn)一步穿透進(jìn)入過(guò)瀘器6。小區(qū)域的實(shí)際大小取決于其它許多因素，其中包括過(guò)瀘器的顆粒物濃度。然而，用一個(gè)大負(fù)載的過(guò)瀘器作為例子，大部分的入射微波能在距離過(guò)瀘器上流面1/4的氣程長(zhǎng)度內(nèi)就能被顆粒物所吸收。因此這個(gè)小區(qū)域內(nèi)的顆粒物質(zhì)迅速被加熱至極高的溫度。
在初始的加熱期間，讓旁通閥15保持開啟狀態(tài)，使大部分比較冷的廢氣通過(guò)旁通管14而不會(huì)冷卻過(guò)瀘器6。由于通過(guò)過(guò)濾器的流路并不是絕對(duì)關(guān)閉，某些廢氣將會(huì)連續(xù)通過(guò)過(guò)瀘器，但通過(guò)過(guò)瀘器的流量會(huì)大大降低。這使得加熱區(qū)顆粒物的溫度達(dá)到500-600℃左右，在該溫度下迅速發(fā)生放熱反應(yīng)，在該反應(yīng)中它與還在繼續(xù)流過(guò)過(guò)瀘器的少量廢氣中的氧結(jié)合，同時(shí)釋放熱量并產(chǎn)生較無(wú)害的二氧化碳?xì)怏w，穿過(guò)過(guò)瀘器的多孔壁21，然后排出廢氣系統(tǒng)。
由于過(guò)瀘器6的上流面10附近的顆粒物已被氧化，所以微波能可進(jìn)一步貫穿入過(guò)瀘器，并且它和顆粒物的放熱反應(yīng)所釋放的能量一起，使熱區(qū)的下流邊緣通過(guò)過(guò)瀘器移動(dòng)至下流面20。為了促進(jìn)加熱區(qū)通過(guò)過(guò)瀘器的移動(dòng)，旁通閥15在此階段關(guān)閉，使全部攜氧的廢氣流過(guò)過(guò)瀘器6并發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流效應(yīng)，從而迫使加熱區(qū)通過(guò)過(guò)瀘器。同時(shí)來(lái)自廢氣的氧氣量隨著廢氣流量的增加而增加，從而促進(jìn)放熱反應(yīng)進(jìn)行的更迅速，同時(shí)以更快速度放熱，因而使溫度進(jìn)一步持續(xù)上升。
給顆粒物提供的初始溫度是超過(guò)500-600℃左右，而且在廢氣中有足夠的游離氧，這樣氧化反應(yīng)就逐漸變成自行維持，因此在初始加熱期以后，如果需要的話，可關(guān)閉磁控管，或降低功率使用，例如可通過(guò)脈沖寬度調(diào)節(jié)其能量。旁通閥15的調(diào)節(jié)可與磁控管8合理地相配合，這樣可使再生過(guò)程得以調(diào)節(jié)，同時(shí)防止過(guò)瀘器6由于溫度過(guò)高而損壞，并能以最小的能量輸入，使過(guò)濾器得到極快的再生。
圖3示出裝置的另一裝配方案，其中波導(dǎo)管9設(shè)置在腔室1的縱軸位置上，而廢氣進(jìn)口管4偏置，以使來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)25的廢氣通過(guò)上流平截頭錐體封頭2進(jìn)入腔室。波導(dǎo)管9的軸向配置有助于確保過(guò)瀘器6的前沿面10能夠均勻地被來(lái)自磁控管8的微波能加熱。
將外界空氣的進(jìn)口管26與上流處的廢氣進(jìn)口管4相接，氣體由該處進(jìn)入腔室1?？諝膺M(jìn)口管26裝備有一個(gè)風(fēng)機(jī)27和一個(gè)用于控制空氣流量的閥門28。旁通管14從廢氣進(jìn)口管4的上流與空氣進(jìn)口管26相接的某一部位，延伸至出口管5。在旁通管14的上流端裝有閥門15，以控制通過(guò)旁通的廢氣流量。在廢氣進(jìn)口管4中，位于旁通管14和空氣進(jìn)口管26相連的部位裝有另一閥門29，用于控制通入過(guò)瀘器6的廢氣流量。
在裝置正常操作期間，將旁通閥15和空氣進(jìn)口閥28關(guān)閉，而廢氣進(jìn)口閥29則打開，以使全部廢氣流過(guò)過(guò)瀘器6，從而捕集氣體中的顆粒物。
需要再生過(guò)瀘器時(shí)，打開旁通閥15并關(guān)閉廢氣進(jìn)口閥29，使廢氣旁通到過(guò)瀘器6，并合上磁導(dǎo)管開關(guān)。用微波能輻照過(guò)瀘器的前沿面10，使鄰近該面的過(guò)瀘器的小區(qū)預(yù)熱。在沒(méi)有較冷氣體通過(guò)過(guò)瀘器的情況下，鄰近過(guò)瀘器前沿面10的小區(qū)中的顆粒物很快就達(dá)到500-600℃的溫度，在該溫度下，打開空氣進(jìn)口閥28，并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)27以便強(qiáng)制外界空氣通過(guò)過(guò)瀘器從而使顆粒物迅速氧化。由于使用上述裝置，由放熱氧化反應(yīng)釋放的能量使得加熱區(qū)迅速移過(guò)過(guò)瀘器，使整個(gè)過(guò)瀘器得以再生。
由于用一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)口提供外界空氣而不是依賴廢氣中的游離氧，因而反應(yīng)比可預(yù)測(cè)的快的多并容易控制。再生過(guò)程的步驟可以按需要調(diào)節(jié)，而預(yù)熱和完全再生的步驟可在正常操作重新開始之前重復(fù)幾次。還可泵入氧或氮之類的其它氣體，使其流過(guò)過(guò)瀘器以增加或減少氧化速率或冷卻過(guò)瀘器。
該裝置還可以有各種變更，其中的某些變更如下所述。
控制器17可以設(shè)計(jì)成在預(yù)定的時(shí)間間隔或車輛里程間隔中完成再生過(guò)程來(lái)代替依賴壓力傳送器的輸出。
另一種是，過(guò)瀘器6中顆粒的質(zhì)量可以通過(guò)對(duì)磁控管8電負(fù)載的檢測(cè)來(lái)估算，并且當(dāng)質(zhì)量超過(guò)一預(yù)定值時(shí)進(jìn)行再生過(guò)程。由于磁控管8的電負(fù)載取決于被加熱的電介質(zhì)負(fù)荷，而電介質(zhì)負(fù)載反過(guò)來(lái)主要由過(guò)瀘器6中顆粒物的數(shù)量限定，因此通過(guò)測(cè)量磁控管電源中合適的參數(shù)，就能確定被過(guò)瀘器捕集的顆粒物的質(zhì)量。合適的供測(cè)量用的電參數(shù)包括磁控管功率或電流消耗。用于測(cè)量一個(gè)或更多這些參數(shù)的控制電路可以并入磁控管的電源供電系統(tǒng)中，而磁控管可在低的功率水平下周期性地或連續(xù)運(yùn)行，以便估算過(guò)瀘器中顆粒物的質(zhì)量，從而斷定是否需要再生。因此，再生步驟可以自動(dòng)進(jìn)行，即每當(dāng)過(guò)瀘器捕集的顆粒物質(zhì)量超過(guò)一預(yù)定水平就可以進(jìn)行再生過(guò)程。
還有一種方案是，由腔室中電磁場(chǎng)的測(cè)定就可確定電介質(zhì)負(fù)載，例如可通過(guò)測(cè)量電壓駐波比例(VSWR)或反射率來(lái)確定。
可以用類似的方法確定，初始加熱期間顆粒物的溫度何時(shí)可到達(dá)能迅速發(fā)生氧化反應(yīng)的足夠高的溫度，同時(shí)指示旁通閥15可以關(guān)閉以促使強(qiáng)制對(duì)流。在這種情況下，先測(cè)量或記錄VSWR，反射率或上述電參數(shù)中的一種，然后開始加熱過(guò)程，在加熱期間每隔一定時(shí)間再進(jìn)行測(cè)量。由于顆粒物的介電性能隨溫度而變化，對(duì)比所選擇電參數(shù)的初始記錄值和加熱期間的記錄值，就能確定顆粒物的溫度。測(cè)量顆粒物溫度的電路可以并入控制器17。
該裝置可包括不同類型和形狀的過(guò)瀘器。例如，還可用以陶瓷或其它低耗介電材料制成的泡沫或纖維過(guò)瀘器代替陶瓷整體過(guò)瀘器，而且廢氣流過(guò)過(guò)瀘器可以是輻射狀而不是軸向。然而，在任何情況下都是過(guò)瀘器的上流面受到輻照以便加熱該面附近小區(qū)中的顆粒物。
腔室1可使用除不銹鋼之外的材料。雖然不銹鋼具有優(yōu)良的熱和機(jī)械穩(wěn)定性，但為了提高電效率，可推薦諸如銅、黃銅或鋁之類高電導(dǎo)率的非磁性材料。
如果采用電導(dǎo)率極高的材料，則可能較理想的做法是裝設(shè)一個(gè)終端負(fù)載以防止腔室中顆粒物非常少時(shí)磁控管超載。以“損耗”(lossy)極少的介電材料制過(guò)瀘器，或在腔室1中鄰近過(guò)瀘器的下流裝備一個(gè)獨(dú)立的終端負(fù)載都能形成上述負(fù)載。
可以用設(shè)置旋轉(zhuǎn)板或葉片的措施來(lái)提高腔室1的效率。例如，可以將一個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的葉片附接在過(guò)瀘器6的上流面10附近腔室的內(nèi)表面上，以確定前沿面直到前沿面的周圍都受到均勻加熱。
另外，可確保過(guò)濾器前沿面受到均勻加熱的辦法是，在過(guò)瀘器中繞其周緣埋置一根金屬線以起天線作用，它可增加其附近微波能的密度;或是用一種可優(yōu)先吸附微波能的物質(zhì)浸漬部分過(guò)瀘器以使這些部分直接受到微波的加熱。
還可在腔室或波導(dǎo)管中裝一攪動(dòng)裝置，例如包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)的金屬板，用于干擾微波場(chǎng)的形狀以防止微波能在任一位置上聚集。攪動(dòng)式裝置可以是機(jī)械或電驅(qū)動(dòng)的，如果位于腔室之中，則可借助于流過(guò)那里的氣流使之轉(zhuǎn)動(dòng)。作為進(jìn)一步防備過(guò)瀘器前沿面不均勻加熱的措施，可以在使用過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)或振蕩過(guò)瀘器或波導(dǎo)管。
過(guò)瀘器小區(qū)城的局部加熱可以通過(guò)以下措施增強(qiáng)，即在過(guò)瀘器中鄰近其上流前沿面的基體而又正好是上流前沿面10的下流處，設(shè)置一金屬屏以便將傳送過(guò)來(lái)的微波反射回該區(qū)。這種反射屏用于其它類型的過(guò)瀘器介質(zhì)(例如陶瓷纖維篩網(wǎng)過(guò)瀘器或陶瓷泡沫過(guò)瀘器)可能特別有效。
可以將不同類型的波導(dǎo)管裝入裝置中。波導(dǎo)管9應(yīng)有合適的大小和形狀以保證微波有效地傳播，它可以是直線或曲線，若為了隔離熱和振動(dòng)，而需將磁控管8安裝遠(yuǎn)離腔室1時(shí)，它可以相當(dāng)長(zhǎng)。另一種形式是，波導(dǎo)管相當(dāng)于只是腔室1的延長(zhǎng)。波導(dǎo)管9還可以是可調(diào)的以用于旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合。錐形波導(dǎo)管或撒藥器可用來(lái)提供一種微波分散束。為了形成更均勻的加熱可以將波導(dǎo)管裝在腔室1的軸向而不是偏心位置上。此外如果希望加熱腔室1的不同區(qū)域，可以裝設(shè)分流的波導(dǎo)管或多個(gè)微波源，這些能源可交替工作以減少能量消耗。
波導(dǎo)管隔板11可位于波導(dǎo)管9中不同的位置上。例如，該隔板可放在磁控管8的附近，遠(yuǎn)離熱廢氣的地方、隔板11還可放在微波的波節(jié)點(diǎn)上以便在再生期間將粘附在其上的任何顆粒物清除，或是放在波腹處以產(chǎn)生最大波導(dǎo)效率。為了使微波在腔室中分布的更均勻，隔板可以是離散透鏡的形式，使微波通過(guò)該透鏡時(shí)發(fā)散開。
可以給波導(dǎo)管9裝上水冷夾套或空氣冷卻的外葉片。
微波發(fā)生器8可以是一個(gè)磁控管，速調(diào)管或某些其它裝置。盡管上面曾經(jīng)建議操作頻率為2450MHz，因?yàn)檫@種頻率的微波發(fā)生器很容易獲得，然而任何較低頻率的電磁輻射當(dāng)然也都可使用，如R.F.或微波頻率范圍的以及頻率低于1012Hz的都行。也可以裝設(shè)冷卻微波發(fā)生器的冷卻器。
盡管旁通管14的裝設(shè)使得可以用一個(gè)較低功率的磁控管來(lái)達(dá)到很高的溫度，如果裝設(shè)較高功率的磁控管則可省去旁通管，從而得到一個(gè)較簡(jiǎn)單的裝置。如果安裝旁通管的話，則旁通閥可以是電動(dòng)、氣動(dòng)或伺服操作的，并可在打開或關(guān)閉的位置上機(jī)械鎖住。如果想要提高閥門15開啟時(shí)通過(guò)過(guò)瀘器的氣流量，可以在旁通管14中永久性地安裝一個(gè)節(jié)流閥。為了對(duì)過(guò)瀘器器6提供更多的加熱效應(yīng)，可以將旁通管14做成一個(gè)環(huán)繞腔室1的夾套形式。
通過(guò)在腔室1中裝載一種合適的催化劑，可以使顆粒物加熱到能產(chǎn)生迅速的、自行維持反應(yīng)所需的溫度降低到低于600℃，例如250至400℃的溫度范圍。
為了防止顆粒物在再生期間釋放而進(jìn)入環(huán)境，可并聯(lián)安裝二個(gè)或更多的過(guò)瀘器系統(tǒng)以便交替進(jìn)行再生，使廢氣可連續(xù)過(guò)瀘。外界空氣可用作氧源。另一種方案是，可在旁通管14中設(shè)置一小型非再生過(guò)瀘器，或可以將旁通管14裝配成讓廢氣僅僅旁通過(guò)一部分過(guò)瀘器，例如沿其長(zhǎng)度方向的中間位置重新導(dǎo)入廢氣，以保證甚至在旁通為使用狀態(tài)時(shí)也能使全部廢氣通過(guò)過(guò)瀘器。
微波能不大可能從系統(tǒng)放出，除非使用直徑約大于60mm的廢氣管，盡管如此，為了進(jìn)一步減少這種可能性，可以裝設(shè)十字金屬絲，軸向板或穿孔的金屬板，以便將能量反射回腔室中。此外，還可設(shè)置“g”開關(guān)以防萬(wàn)一有重大沖擊可能導(dǎo)致?lián)p壞時(shí)即可關(guān)掉該裝置。
權(quán)利要求
1.一種去除內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物的裝置，該裝置包括一個(gè)腔室，該腔室有一個(gè)朝廢氣上流端開口的氣體進(jìn)口和朝廢氣下流端開口的氣體出口；一個(gè)裝在腔室中位于進(jìn)口與出口之間的過(guò)瀘器，它用于捕集流過(guò)腔室的廢氣所攜帶的顆粒物；以及產(chǎn)生本文所限定的較低頻電磁輻射的發(fā)生器，用于發(fā)生電磁輻射并將該電磁輻射導(dǎo)入腔室中以輻照過(guò)瀘器的上流端，使過(guò)瀘器中捕集的顆粒物加熱和氧化，這些裝置配置成開始時(shí)只讓鄰近過(guò)瀘器上流端區(qū)域內(nèi)的顆粒物受到整個(gè)電磁輻射的加熱作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中腔室和過(guò)瀘器基本上是圓筒形并彼此共軸。
3.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述之裝置，它包括一個(gè)在使用狀態(tài)下用于減少流過(guò)過(guò)瀘器的廢氣流量的旁通，以及調(diào)節(jié)旁通廢氣流量的旁通閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述之裝置，它包括一個(gè)用于控制發(fā)生器操作和旁通閥操作的控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述之裝置，它包括用于檢測(cè)過(guò)瀘器中顆粒物數(shù)量的檢測(cè)器，該檢測(cè)器的輸出與控制器的輸入相接。
6.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述之裝置，其中，通過(guò)過(guò)瀘器的廢氣流基本上呈直線并平行于過(guò)瀘器的縱軸方向。
7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求之裝置，其中，將電磁輻射發(fā)生器裝配成能基本上以均勻的密度輻照過(guò)瀘器的整個(gè)上流端。
8.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述之裝置，它包括用于檢測(cè)過(guò)瀘器中所捕集顆粒物溫度的溫度檢測(cè)器。
9.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述之裝置，它包括一個(gè)可容許除廢氣之外的氣體進(jìn)入腔室上流端的進(jìn)口。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述之裝置，其中，包括推動(dòng)其它氣體進(jìn)入腔室的氣體推進(jìn)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述之裝置，它包括，調(diào)節(jié)進(jìn)入腔室的其它氣體流量的閥門。
12.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述之裝置，它包括用于干擾腔室中微波能場(chǎng)圖的干擾器。
13.一種去除內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物的裝置，該裝置包括一個(gè)用于捕集廢氣所攜帶之顆粒物的過(guò)瀘器;產(chǎn)生本文所限定的較低頻的電磁輻射并用該電磁輻射對(duì)準(zhǔn)并照射過(guò)瀘器的電磁輻射發(fā)生器;以及測(cè)量輻射發(fā)生器上的電負(fù)載以確定過(guò)瀘器中顆粒物數(shù)量的檢測(cè)器。
14.一種去除內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物的裝置，該裝置包括一個(gè)用于捕集廢氣所攜帶之顆粒物的過(guò)瀘器;產(chǎn)生本文所限定的較低頻的電磁輻射并用該電磁輻射對(duì)準(zhǔn)照射過(guò)瀘器的電磁輻射發(fā)生器;以及測(cè)量輻射發(fā)生器上的電負(fù)載以確定過(guò)瀘器中顆粒物溫度的溫度檢測(cè)器。
15.一種去除內(nèi)燃機(jī)廢氣中顆粒物的裝置，該裝置包括一個(gè)用于捕集廢氣所攜帶之顆粒物的過(guò)瀘器;產(chǎn)生本文所限定的較低頻電磁輻射并將該電磁輻射對(duì)準(zhǔn)照射過(guò)瀘器的電磁輻射發(fā)生器;以及測(cè)量腔室中電磁場(chǎng)以確定過(guò)瀘器中顆粒物溫度的溫度檢測(cè)器。
16.一種從內(nèi)燃機(jī)廢氣中去除顆粒物的方法，在該方法中，使氣體通過(guò)過(guò)瀘器，捕集廢氣所攜帶的顆粒物并用本文所限定的較低頻電磁輻射周期性地照射過(guò)瀘器的上流端，使過(guò)瀘器的局部區(qū)域中所捕集的顆粒物變熱，加熱區(qū)的下流邊緣最初鄰近過(guò)瀘器的上流端，繼而移至過(guò)瀘器的下流端。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述之方法，其中，將通過(guò)過(guò)瀘器的廢氣流量至少在過(guò)瀘器受輻照的時(shí)間內(nèi)降低。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述之方法，其中，將通過(guò)過(guò)濾器的廢氣的全流量在初始加熱期之后恢復(fù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18中任何一項(xiàng)所述之方法，其中，測(cè)定過(guò)瀘器中捕集的顆粒物數(shù)量，并根據(jù)測(cè)定的顆粒物數(shù)量來(lái)控制過(guò)濾器的周期性輻照。
20.根據(jù)取決于權(quán)利要求17時(shí)的權(quán)利要求19所述的方法，其中，還根據(jù)測(cè)定的顆粒物數(shù)量來(lái)控制通過(guò)過(guò)瀘器的廢氣流量。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于去除廢氣中顆粒物的裝置，它包括一個(gè)捕集廢氣攜帶之顆粒物的過(guò)濾器6。將微波發(fā)生器8裝配成能輻照過(guò)濾器6的上流面10，同時(shí)僅在鄰近該面的區(qū)域內(nèi)加熱和氧化捕集的顆粒物。然后加熱區(qū)移過(guò)過(guò)濾器6使整個(gè)過(guò)濾器再生。
文檔編號(hào)F01N13/04GK1040075SQ8910667
公開日1990年2月28日 申請(qǐng)日期1989年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月3日
發(fā)明者科林·彼得·加納, 約翰·科頓·登特 申請(qǐng)人:拉夫伯勒顧問(wèn)有限公司