专利名称：一种壁流式柴油车尾气微粒过滤－再生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及柴油车尾气碳烟过滤系统，具体地说是一种以碳化硅泡沫陶瓷为过滤装置载体的壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，可有效降低柴油车的碳烟排放并在柴油车正常供电和正常行驶状态下实现再生。
背景技术：
由于混合和燃烧方式的不同，柴油机的排污成分中CO及HC比汽油机少很多，而碳烟却是汽油机的几十倍甚至更多，并且碳烟排放更易被人们从视觉上直观察觉，因此柴油车的排烟净化一直是柴油车排污治理的重点和难点。
现有柴油车碳烟过滤技术从理论上讲主要分为面过滤和体内过滤两种。面过滤又叫滤饼过滤方式，过滤发生在过滤器表面，其原理是使含碳烟颗粒的尾气流过一块带有许多细小孔且密度较大的陶瓷壁。柴油机碳烟微粒不能穿过壁上的小孔而沉淀在过滤器的表面。这种过滤方式十分有效，但它的阻力较大，排气背压高。面过滤理论的代表技术是壁流式蜂窝陶瓷；体内过滤又叫深滤床过滤，过滤发生在过滤器内部，尾气流过过滤器时，其中的碳烟微粒与过滤器内部的筋多次碰撞，通过扩散及拦截的方式沉淀在过滤器的孔道中，这种结构排气阻力小，过滤器中沉淀下来的碳烟微粒分布较均匀。体内过滤的代表技术是泡沫陶瓷过滤器和纤维过滤器。
碳烟微粒过滤器在工作一段时间后，随着过滤微粒数量的增加，会逐渐发生发生过滤器孔洞堵塞现象，堵塞累积到一定程度，就会使尾气流动不畅，从而使发动机排气背压急剧增加，影响发动机工作效率，此时就需要对过滤器进行再生。微粒过滤器的再生方式主要有下列几种，第一种利用催化剂再生，即在微粒过滤器表面添加催化剂，利用催化剂的催化作用降低微粒的起燃温度，使捕获到的微粒在较低温度下和尾气中的氧气或氧化氮反应生成二氧化碳而除去微粒。不过这种再生方式要求尾气的温度必须达到一定的要求，在汽车低速或轻载重条件下行驶时，尾气温度经常达不到这个要求；第二种再生方式是利用加热器或燃烧的方式提高尾气温度，使微粒在高温条件下燃烧除去。前两种方法都是原位再生方式，即再生时催化剂仍位于原安装位置。再有就是非原位再生方式，即当微粒过滤器捕集到一定数量的微粒以后，将微粒过滤器从汽车上拆下来放到空气炉等设备中加热，使微粒燃烧得以除去。又或者用大气流从反方向吹拆下的微粒过滤器，将碳烟微粒吹出并收集除去。
无论采用何种再生方式都面临着两个问题一是再生效率的问题，再有就是当前所用的微粒过滤器材料很容易因微粒燃烧急剧放热造成温度极度不均而炸裂。这两个问题是目前碳烟过滤-再生技术的主要难题。本发明采用高热导率、低膨胀系数、高熔点的碳化硅泡沫陶瓷制作的壁流式碳烟微粒过滤器，兼有面过滤和体内过滤的优点，过滤效率高，抗热震性好，能有效避免再生时的过滤器炸裂现象，保证过滤器的使用可靠性；再生采用尾气加注燃油结合电加热的方式，实现过滤器的低成本再生，延长了过滤器使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，使用该装置能有效过滤发动机排放的碳烟，在过滤达到一定程度后可以用燃烧燃油结合电加热的方式对微粒过滤器进行原位再生，并且安装该装置不会造成发动机功率的明显损失。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，包括电源、可控喷油装置、燃油分散单元、电加热发热体、火焰分散单元、壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器以及电控部分。其中电加热发热体由泡沫陶瓷电加热单元构成，泡沫陶瓷电加热单元由导电碳化硅泡沫陶瓷、焊接在位于导电碳化硅泡沫陶瓷两端的碳化硅陶瓷电极基座上的两个金属电极构成，电源通过金属电极与导电碳化硅泡沫陶瓷构成回路，为导电碳化硅泡沫陶瓷供电。可控喷油装置由电泵、电磁阀、燃油喷嘴组成，该装置通过输油管线从汽车油箱取油。燃油分散单元、电加热发热体、火焰分散单元和壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳内，可控喷油装置的燃油喷嘴位于电加热发热体的上游。电控部分与泡沫陶瓷电加热发热体电极相连。
所述泡沫陶瓷电加热发热体为至少一个泡沫陶瓷电加热单元组成，当过滤器由二个或二个以上单元构成时，各单元之间为并联关系，通过电极之间焊接的方式连成一个整体，电加热尾气净化器的体积控制在50～400ml之间，厚度控制在10～50mm范围内。
所述燃油分散单元和火焰分散单元均为碳化硅泡沫陶瓷材料，利用泡沫陶瓷特有的三维连通结构，促进燃油和火焰的横向扩散。
所述碳化硅泡沫陶瓷按重量分数计，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅组成。
所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm。
所述燃油分散单元、电加热发热体、火焰分散单元上可制备活性氧化铝涂层，并担载催化剂，以碳化硅泡沫陶瓷为载体，每升载体的涂层含量在80～130g，涂层中各物质的重量比为Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝50～75∶30～40∶2～8∶1～10；催化剂所用活性物质可以是Pt或Pd，每升载体中Pt或Pd总含量为1～5g。
所述壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器由多片碳化硅泡沫陶瓷板平行组合而成，每两片复合碳化硅泡沫陶瓷板之间的距离为1.5～3mm。过滤器内部相错排列众多互不直接相通的短通道，气体只有穿过碳化硅泡沫陶瓷板才能由一个通道进入另外的通道，碳烟微粒在穿越过程中被过滤。
所述构成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷板可具有单一泡沫孔径或变化孔径。变化孔径的碳化硅泡沫陶瓷板有三种制备方式a、由两种或两种以上不同孔径的碳化硅泡沫陶瓷板复合而成；b、在单一孔径的碳化硅泡沫陶瓷板上制备微孔涂层；c、前两种方法的结合，即在a中提到的复合后的碳化硅泡沫陶瓷板上再制备微孔涂层。当采用变化孔径泡沫陶瓷时，大孔径泡沫陶瓷面为尾气进入面，小孔径或微孔面为尾气流出面。
本发明主要包含三个部分a.安装可控喷油装置，过滤器需要再生时，该装置在电加热发热体前部喷入燃油；b.采用导电碳化硅泡沫陶瓷做发热体，以车载蓄电池作电源，在设定条件下给发热体通电，点燃可控喷油装置送入的燃油，加热尾气使壁流式微粒过滤器中的微粒燃烧；c.采用具有三维网状连通结构的碳化硅泡沫陶瓷组合壁流式微粒过滤器，所得到的过滤器兼有面过滤和体过滤的优点。通过调整泡沫陶瓷的平均孔径大小、陶瓷的体积分数、陶瓷板厚度等参数，可以在合理的背压条件下得到很高的过滤效率。并且，由于碳化硅泡沫陶瓷具有低膨胀系数、高导热率和高熔点等特性，所以抗热震能力强，不会在再生时发生炸裂现象。
与现有技术相比，本发明更具有如下有益效果①碳烟过滤体由碳化硅泡沫陶瓷构成，该过滤体具有如下特点a、热传导性良好，保证过滤体温度分布均匀，避免过大热应力的产生并减少再生死角的存在；b、抗热冲击性好，可承受再生时微粒氧化燃烧造成的温度剧变；c、熔点高，在2000℃以上，确保在高温下有较长的使用寿命。
②电加热发热体采用碳化硅泡沫陶瓷，实现了加热、过滤功能一体化，结构简单，且电阻率可根据实际需要在大范围内调整。另外碳化硅陶瓷具有良好的抗氧化、抗高温、抗酸碱性能，与金属电阻丝发热体相比，更适合在汽车尾气环境中使用。
③采用燃油注入与电加热相结合的再生方式，提高了再生效率。
④过滤体采用的泡沫陶瓷壁流式结构，拥有极大的过滤面积，既增加了微粒物与过滤体的碰撞几率，提高过滤效率，促进微粒物在过滤体中均匀分散，又有助于降低背压，减少发动机功率损耗。
⑤该装置采用车载蓄电池作为电加热电源，无须外加电源，汽车改造范围小，成本低。
⑥控制系统智能化，可根据水温、发动机转速以及背压等条件控制再生状态。
⑦采用钎焊的方式制备金属电极，使接触电阻降至最低，提高了能量利用效率。
⑧本发明装置具有良好、可控的过滤-再生性能，在车载电源正常供电并且车辆正常行驶和车辆正常运行的情况下，可实现对柴油车微粒的有效过滤，并智能化原位再生，使柴油车排放在较长的时间内都能满足严格的净化标准，具有效果好、原位再生、寿命长的特点。
图1为壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置工作示意图。
图2为一个泡沫陶瓷电加热再生发热体单元(电加热单元)的示意图。
图3为壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器结构示意图。
图4为复合式碳化硅泡沫陶瓷板的结构示意图。
图中，1柴油发动机；2水温传感器；3转速传感器；4控制单元；5功率组件；6车载蓄电池；7电缆；8净化器封装外壳；9壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器(主过滤器)；10金属电极；11金属电极；12电加热发热体；13排气管；14压力传感器；15火焰分散单元；16燃油分散单元；17燃油喷嘴；18电磁阀；19电泵；20输油管线；21汽车油箱；22碳化硅陶瓷电极基座；23碳化硅陶瓷电极基座；24导电碳化硅泡沫陶瓷发热体；25(复合碳化硅泡沫陶瓷板中的)大孔径碳化硅泡沫陶瓷板；26(复合碳化硅泡沫陶瓷板中的)小孔径碳化硅泡沫陶瓷板或具有微孔的涂层。
具体实施例方式
本发明壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置的制备过程具体如下①采用按照《一种高强度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制备方法》(中国科学院金属研究所申请，申请号03134039.3，申请日2003年9月22日)所做的导电碳化硅泡沫陶瓷，作为本发明中所用全部碳化硅泡沫陶瓷的来源。
②将碳化硅泡沫陶瓷材料组合成为如图3所示的壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器，作为壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置的主过滤器。气流由开口通道进入主过滤器，穿过碳化硅泡沫陶瓷壁，进入相邻的通道，如图3的箭头所示，在此过程中碳烟微粒被过滤净化。采用具有过渡孔径的复合泡沫陶瓷时，大孔径陶瓷面为尾气流入面，小孔径陶瓷面为尾气流出面。主过滤器体积和通道的数目、以及碳化硅泡沫陶瓷的平均孔径等参数可根据尾气流量和背压的要求进行调整。
③根据不同汽车的状况，可控喷油装置的喷油频率、喷油量等参数可调整。
④根据电阻的需求，选择一个或多个合适的碳化硅泡沫陶瓷电加热单元，如采用多个单元，则各单元之间为并联关系，并通过在金属电极上焊接金属板的方式连接成一个整体。
⑤在泡沫陶瓷燃油分散单元、电加热发热体和火焰分散单元上可制备活性氧化铝涂层，并担载催化剂，以促进碳烟颗粒加速燃烧并降低冷启动阶段的气态污染物排放。
催化剂制备的具体过程如下a、将碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2～5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5～10分钟，去除其表面的油污等杂质，之后用水清洗、再于100～150℃空气气氛中1～4小时烘干；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小时得到涂层浆料；c、将泡沫陶瓷在浆料中浸渍2～5分钟，以压缩空气吹去多余浆料，然后置于100～150℃空气气氛中干燥20～30分钟，冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次，直至使涂层含量达到80～130g/(L载体)，最后于450～500℃焙烧4～5小时，涂层制备完毕；d、如以Pt为催化活性组分，则取H2PtCl610～15份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，可得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pt为催化活性组分的具有催化功能的碳化硅泡沫陶瓷电加热发热体和壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器。
e、如以Pd为催化活性组分，则取PdCl25～20份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，可得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pd为催化活性组分的具有催化功能的碳化硅泡沫陶瓷电加热发热体和壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器。
⑥将燃油分散单元16、电加热发热体12、火焰分散单元15和壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器9一起封装于过滤器外壳8内，过滤器外壳由2毫米厚的不锈钢板焊接而成，过滤器外壳8与泡沫陶瓷电加热发热体12及壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器9之间有防震隔层。封装后的过滤器在进气端与柴油发动机排气管13相连。将可控喷油装置的进油端通过输油管线20与汽车油箱21相连，燃油喷嘴17位于电加热发热体12的上游。
如图1～2所示，壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置包括壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器9、火焰分散单元15、电加热发热体12、燃油分散单元16、可控喷油装置及电控部分，其中电加热发热体12、火焰分散单元15、燃油分散单元16与壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器9一起安装于与柴油发动机排气管13相连的净化器封装外壳8内，电加热发热体12由泡沫陶瓷电加热单元构成，泡沫陶瓷电加热单元为以导电碳化硅泡沫陶瓷24为主体、两个金属电极焊接在位于导电碳化硅泡沫陶瓷24两端的碳化硅陶瓷电极基座22、23上，电源6通过金属电极10、11与导电碳化硅泡沫陶瓷24构成回路，为导电碳化硅泡沫陶瓷24供电；电控部分与电加热发热体12电极相连。可控喷油装置由输油管线20、电泵19、单向电磁阀18和燃油喷嘴17组成，输油管线20与汽车油箱21相连，燃油喷嘴17位于电加热发热体12的上游，燃油喷嘴17与汽车油箱21之间的输油管线上设有电泵19、电磁阀18。所述电控部分由控制单元4和功率组件5组成。本发明电控部分采用中国发明专利申请，申请号200510046472.1，申请日2005年5月20日，详见其中的图5和相关的文字说明。不同之处仅在于功率组件的输出端并联电加热发热体、可控喷油装置的电磁阀和电泵，可控喷油装置可进行可控的连续或脉冲式燃油喷射，脉冲频率和喷射时间由控制单元4采用常规方式即可实现控制。该控制单元4可接收来自压力传感器14、水温传感器2、转速传感器3的相应信号，并根据信号控制可控喷油装置和电加热发热体的启动或关闭。
柴油汽车启动后，含碳烟微粒的汽车尾气由柴油发动机1排出，经由排气管13到达燃油分散单元16、电加热发热体12、火焰分散单元15和壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器9，在此过程中碳烟微粒被泡沫陶瓷过滤截流。由柴油发动机冷却水水温传感器2和转速传感器3以及压力传感器14监测到的冷却水水温、转速和背压信号被控制单元4接收，然后再将信号传送至功率组件5。当背压高于设定值时，在冷却水水温和发动机转速均达到指定数值的情况下，功率组件5接通电路，车载蓄电池6即开始通过电缆7给电加热发热体12供电，通电时间可由控制单元设定；通电一段时间后，控制单元4打开电泵19和单向电磁阀18，通过输油管线20从汽车油箱21中抽取燃油输送至燃油喷嘴17，由燃油喷嘴喷出燃油。燃油首先到达燃油分散单元16，被均匀分散，然后到达电加热发热体12。处于通电加热状态的电加热发热体12将燃油点燃，燃油燃烧释放的热量被尾气带往下游的火焰分散单元15，泡沫陶瓷火焰分散单元15可将火焰均匀分散然后传至壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器9，使过滤器中过滤的碳烟在各处均匀燃烧，避免过滤器再生时的温度不均匀现象。经过这些过程，整个过滤系统达到再生的目的。
如图2所示，泡沫陶瓷电加热单元由导电碳化硅泡沫陶瓷24、焊接在位于导电碳化硅泡沫陶瓷24两端的碳化硅陶瓷电极基座22、23上的两个金属电极10、11构成，两个金属电极10、11一端通过钎焊方式与碳化硅陶瓷电极基座连接，另一端与电缆相连。一个完整的电加热发热体可由一个或多个泡沫陶瓷电加热单元组合而成。在组合情况下，各单元之间为并联关系，通过电极之间焊接的方式连成将一个整体。电加热发热体的体积控制在100～400ml之间，厚度控制在10～50mm范围内。
图3所示为壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器结构示意图，壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器9由多片碳化硅泡沫陶瓷板平行组合而成，每两片复合碳化硅泡沫陶瓷板之间的距离为1.5～3mm。过滤器内部相错排列众多互不直接相通的短通道，气流由进气端的开口处进入，穿越泡沫陶瓷壁进入相邻通道，在此过程中，碳烟颗粒被碳化硅泡沫陶瓷板过滤。
本发明构成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷板可以具有单一泡沫孔径或变化孔径，变化孔径的泡沫陶瓷板有三种制备方式a、由两种或两种以上不同孔径的泡沫陶瓷板复合而成；b、在单一孔径的碳化硅泡沫陶瓷板上制备微孔涂层；c、前两种方法的结合，即在a中提到的复合后的陶瓷板上再制备微孔涂层。将碳化硅泡沫陶瓷的原始制备料浆在碳化硅泡沫陶瓷上合成不超过0.5mm厚的涂层，经烧结后即可得到微孔涂层。采用上述方法，可实现复合碳化硅泡沫陶瓷孔径从1mm到0.01mm之间大范围的孔径过渡。当采用变化孔径泡沫陶瓷时，大孔径泡沫陶瓷面为尾气进入面，小孔径或微孔面为尾气流出面。如图4所示具有变化孔径的复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层26孔径为0.01mm～0.5mm；大孔碳化硅泡沫陶瓷板25孔径为0.1mm～1mm。
本发明尾气净化装置主要由上述泡沫陶瓷碳烟过滤-电加热再生净化器(含燃油分散单元16、电加热发热体12、火焰分散单元15与壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器9)和智能控制单元4、可控喷油装置构成，净化器中的电加热发热体以导电碳化硅泡沫陶瓷为功能主体，具有良好、可控的导电性能；壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器由泡沫陶瓷为组成材料，具有多孔、可变化孔径、表面粗糙、耐高温及热冲击的特点，可实现对柴油车排放微粒的有效过滤；在燃油分散单元16、电加热发热体12和火焰分散单元15上可负载催化剂；智能控制单元能够接收来自控制单元平台的冷却水水温、背压和发动机转速信号，并根据信号自动控制壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置的再生状态。在车载电源供电且不影响车辆正常行驶的情况下，即可实现泡沫陶瓷碳烟壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置的原位再生。
实施例和相关比较例在各实施例和相关比较例的测试中采用的发动机型号为SOFIM8140.43，测试方式采用柴油机13工况。
实施例1①取导电碳化硅泡沫陶瓷130×40×20mm，在浓度为3M的NaOH溶液中浸泡8分钟，去除其表面的油污等杂质，之后用水清洗、再于120℃空气气氛中2小时烘干；②将两个直径6mm的不锈钢柱钎焊在位于①所述导电碳化硅泡沫陶瓷两端的碳化硅陶瓷电极基座上作为与导线相连的电极。一个电加热发热体单元制备完毕；③按照上述①～②的步骤，制作两个电加热发热体单元，然后将两个电加热发热体单元通过在金属电极上焊接金属板的方式连并联焊接在一起，得到一个完整的电加热发热体；电加热发热体的电阻为50mΩ。
④如图3，将体积分数30％、平均孔径0.5mm的碳化硅泡沫陶瓷板组合成为壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器，每片碳化硅泡沫陶瓷板厚5mm，每两片陶瓷板之间间距为2mm，最终的过滤器外形为220×130×150mm3；⑤以平均孔径1.5mm、体积分数30％的碳化硅泡沫陶瓷为原料，用机械加工方式制备燃油分散单元16和火焰分散单元15，其中，燃油分散单元16中心厚度为30mm，边缘厚度5mm，长与宽分别是220mm和130mm；火焰分散单元15的外形为220×130×20mm3；⑥将燃油分散单元16、电加热发热体12、火焰分散单元15和壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器9封装在一个外壳内，电加热发热体12所在层的空余空间由与电加热发热体12同样厚度的碳化硅泡沫陶瓷填充；⑦将壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置与发动机相连接。测试使用的发动机型号为SOFIM8140.43，测试方式采用柴油机13工况；测试过程中不通电。
实施例2与实施例1不同之处在于在测试前将壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置安装于柴油发动机排气通路的指定位置，保持发动机在转速2160rpm、扭矩188Nm、功率42.5kW的高浓度碳烟排放状态下持续运行，由控制单元监测背压传感器信号，当背压信号大于20kPa时，认为过滤器需要再生。此时，控制单元接通电加热电路，由12V车载直流蓄电池供电，5秒后打开可控喷油装置，以200ml/min的流量在电加热发热体上游以12次/min的频率喷燃油5次，每次5ml，然后断电停油，并关闭发动机。
待发动机冷却后重启发动机，在与实施例1相同的条件下进行13工况测试，检验再生的效果。
实施例3与实施例2不同之处在于以200ml/min的流量在电加热发热体上游以12次/min的频率喷燃油5次，每次10ml。
实施例4与实施例2不同之处在于以200ml/min的流量在电加热发热体上游以12次/min的频率喷燃油5次，每次20ml。
实施例5与实施例2不同之处在于以200ml/min的流量在电加热发热体上游以12次/min的频率喷燃油5次，每次30ml。
实施例6与实施例2不同之处在于以200ml/min的流量在电加热发热体上游持续喷燃油200ml。
实施例7
与实施例2不同处在于电加热发热体的电阻为70mΩ；以200ml/min的流量在电加热发热体上游以12次/min的频率喷燃油5次，每次30ml。
实施例8与实施例2不同处在于电加热发热体的电阻为90mΩ；以200ml/min的流量在电加热发热体上游以12次/min的频率喷燃油5次，每次30ml。
实施例9与实施例1不同处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％、平均孔径为0.5mm。
实施例10与实施例5不同处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％、平均孔径为0.5mm。
实施例11与实施例1不同之处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为50％、平均孔径为0.5mm。
实施例12与实施例5不同处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为50％、平均孔径为0.5mm。
实施例13与实施例1不同之处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％、平均孔径为0.2mm。
实施例14与实施例5不同之处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％、平均孔径为0.2mm。
实施例15与实施例1不同之处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％，碳化硅泡沫陶瓷板为复合结构，具体为由3mm厚、平均孔径为0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板和2mm厚、平均孔径为0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板组合在一起。
实施例16与实施例5不同之处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％，碳化硅泡沫陶瓷板为复合结构，具体为由3mm厚、平均孔径为0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板和2mm厚、平均孔径为0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板组合在一起。
实施例17与实施例1不同之处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％，碳化硅泡沫陶瓷板为复合结构，具体为在5mm厚、平均孔径0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板上复合微孔涂层，微孔涂层的平均孔径为0.01mm左右。
实施例18与实施例5不同之处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％，碳化硅泡沫陶瓷板为复合结构，具体为在5mm厚、平均孔径0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板上复合微孔涂层，微孔涂层的平均孔径为0.01mm左右。
实施例19与实施例1不同之处在于组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％，碳化硅泡沫陶瓷板为复合结构，具体为由3mm厚、平均孔径为0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板和2mm厚、平均孔径为0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板组合在一起，然后在孔径为0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板上再复合微孔涂层，微孔涂层的平均孔径为0.01mm左右。
实施例20与实施例5不同之处在于
组成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷体积分数为40％，碳化硅泡沫陶瓷板为复合结构，具体为由3mm厚、平均孔径为0.2mm的碳化硅泡沫陶瓷板和2mm厚、平均孔径为0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板组合在一起，然后在孔径为0.05mm的碳化硅泡沫陶瓷板上再复合微孔涂层，微孔涂层的平均孔径为0.01mm左右。
实施例21与实施例19不同之处在于燃油分散单元、电加热发热体和火焰分散单元表面有催化涂层，涂层含量为80～130g/(L载体)，涂层中各物质的重量比为Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝55∶35∶3∶7。Pt含量为1.5g/(L载体)。
实施例22与实施例20不同之处在于燃油分散单元、电加热发热体和火焰分散单元表面有催化涂层，涂层含量为80～130g/(L载体)，涂层中各物质的重量比为Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝55∶35∶3∶7。Pt含量为1.5g/(L载体)。
相关比较例在与实施例相同的发动机上进行不安装过滤器条件下的柴油机13工况测试。
实施例及相关比较例的结果见表1。表1中实验1～22为实施例，实验23为相关比较例。将各实施例与比较例的结果相比较，可发现在采用壁流式碳化硅泡沫陶瓷的情况下，过滤效率最高达到90％以上，过滤效率随着体积分数的增加和平均孔径的减小而增加，然而体积分数的增加和平均孔径的减小也会引起背压的增加。贵金属催化剂的加入能显著降低CO和THC的排放，但对于微粒排放的降低效果不是很显著；再生时喷入的燃油量不能小于150ml，否则再生不完全；另外，电加热发热体的电阻不能太大，大电阻会导致功率降低，不能点燃喷入的燃油，也会导致再生不完全，在本专利条件下，电加热发热体的电阻最好控制在50毫欧左右；合适条件下再生后的过滤器仍能保持良好的过滤效率，表明壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置不但具有良好的净化过滤性能，并且能够有效再生，具有较长的使用寿命。
表1
权利要求
1.一种壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于包括电源(6)、可控喷油装置、燃油分散单元(16)、电加热发热体(12)、火焰分散单元(15)、壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器(9)；其中电加热发热体(12)以及电加热发热体(12)前后的燃油分散单元(16)、火焰分散单元(15)与壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器(9)一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳(8)内；电加热发热体(12)由泡沫陶瓷电加热单元组成，泡沫陶瓷电加热单元由导电碳化硅泡沫陶瓷(24)、焊接在位于导电碳化硅泡沫陶瓷(24)两端的碳化硅陶瓷电极基座(22、23)上的两个金属电极(10、11)构成，电源通过金属电极(10、11)与导电碳化硅泡沫陶瓷(24)构成回路，为导电碳化硅泡沫陶瓷(24)供电；可控喷油装置由电泵(19)、电磁阀(18)、燃油喷嘴(17)组成，燃油喷嘴(17)位于加热发热体(12)的上游，燃油喷嘴(17)与汽车油箱(21)之间的输油管线上设有电泵(19)、电磁阀(18)。
2.按照权利要求1所述的壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于所述壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器(9)由多片碳化硅泡沫陶瓷板平行组合而成，每两片碳化硅泡沫陶瓷板之间的距离为1.5～3mm，过滤器内部相错排列众多互不直接相通的短通道，气体穿过泡沫陶瓷板由一个通道进入另外的通道，碳烟微粒在穿越过程中被过滤。
3.按照权利要求2所述的壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于构成壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器的碳化硅泡沫陶瓷板具有单一泡沫孔径或变化孔径，变化孔径的碳化硅泡沫陶瓷板有三种结构a、由两种或两种以上不同孔径的碳化硅泡沫陶瓷板复合而成；b、在单一孔径的碳化硅泡沫陶瓷板上制备微孔涂层；c、前两种方法的结合，即在a中提到的复合后的碳化硅泡沫陶瓷板上再制备微孔涂层。
4.按照权利要求1所述的壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于所述电加热发热体(12)为至少一个泡沫陶瓷电加热单元组成，当发热体由二个或二个以上单元构成时，各单元之间为并联关系，通过电极之间焊接的方式连成一个整体。
5.按照权利要求1所述的壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于燃油分散单元(16)为一中间厚、四周薄的碳化硅泡沫陶瓷；火焰分散单元(15)为一碳化硅泡沫陶瓷。
6.按照权利要求1所述的壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于在燃油分散单元(16)、电加热发热体(12)、火焰分散单元(15)上制备活性氧化铝涂层，并负载催化剂，每升载体的涂层含量在80～130g，涂层中各物质的重量比为Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝50～75∶30～40∶2～8∶1～10；催化剂所用活性物质是Pt或Pd，每升载体中Pt或Pd总含量为1～5g。
7.按照权利要求1所述的壁流式柴油车尾气微粒过滤-再生装置，其特征在于所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm；所述碳化硅泡沫陶瓷按重量分数计，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅组成。
全文摘要
本发明涉及柴油车尾气碳烟过滤系统，具体地说是一种壁流式柴油车尾气微粒过滤－再生装置，包括电源、可控喷油装置、燃油分散单元、电加热发热体、火焰分散单元、壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器；其中电加热发热体以及电加热发热体前后的燃油分散单元、火焰分散单元与壁流式泡沫陶瓷微粒过滤器一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳内；本发明装置具有高的净化效率和良好的原位再生能力，在对柴油车微粒进行有效过滤后，可在车载电源正常供电和车辆正常运行情况下，实现车载状态的智能化再生，从而具有很好的耐久性能。
文档编号F01N3/023GK1971005SQ20051004778
公开日2007年5月30日 申请日期2005年11月23日 优先权日2005年11月23日
发明者张劲松, 曹小明, 田冲, 杨振明, 刘强, 郝传勇, 李明天 申请人:中国科学院金属研究所