專利名稱：用于除去氣流中微粒的設備和方法
技術領域：
本發明總的涉及一種用于除去氣流中的微粒的設備和方法。具體 而言，本發明涉及一種用于除去氣流中的微粒的設備和方法，其適于 凈化來自內燃機的廢氣，優選為汽車應用中的柴油機。
背景技術：
對減小從柴油機散發出的廢氣中的微粒(灰、煙塵、有機部分等) 的量的需要變得越來越重要。總的來說，現有技術的微粒過濾器利用了帶有多孔壁的陶瓷整體 結構，其中相鄰的通道或者在入口側被堵塞，或者在出口側被堵塞。 從而，迫使氣體流動通過壁，在壁中將微粒留住。這類過濾器的問題 是，壁的阻塞導致了增大的壓降，這使得必需頻繁地再生過濾器。另 外，壁的阻塞增加了再生不可控制的風險，這可能會損壞過濾器。而 且，通常需要保養停機，以便除去過濾器中的灰。另一種原理是使用開放、未阻塞的結構，其由金屬非多孔材料制 成，其中通道壁適合于在氣流中產生紊流，使得微粒接觸并沉積在通 道壁上。這種類型的問題是，它表現出較低的"過濾"效率，即只有 小部分的微粒留在壁上，這使得裝置較大(如果需要高效率)。發明內容本發明的目的是提供一種用于除去氣流中的微粒的設備，它以有 效的方式分離微粒，并且同時具有非常抵抗堵塞的能力。另一個目的 是提供一種用于除去氣流中的微粒的方法，它結合了分離效率以及抵抗堵塞的能力。這些目的通過分別包含在權利要求1和17中的技術特 征而實現。從屬權利要求包含了本發明有利的實施例，其它的發展以 及變型。本發明涉及一種用于除去氣流中的微粒的設備，其包括至少一個 氣道，該氣道至少部分地由多孔材料所圍繞，且其特征在于，設備包 括用于將氣道暴露于聲音的裝置，聲音引導氣體沿著朝向多孔材料的 方向運動。這一特征的有利效果是，存在于氣流中的微粒將至少部分 地跟隨氣體的運動，使得微粒的運動能夠受到控制，以便通過迫使主 要氣流通過多孔材料，而迫使微粒被捕獲在多孔材料之上或之內，而 不會阻擋主要氣流。這樣例如可以使用開放、未阻塞的氣體通道(由 多孔壁分離開)且仍然使較大部分的微粒被留在壁上。這種設計在分 離上是有效的，同時與采用堵塞通道的現有技術相比，更能抵抗阻塞 和增大的壓降。除了引導微粒運動外，聲音將在氣流中產生紊流，這 進一步增大微粒沉積在多孔材料上。本發明設備還有用于阻塞的過濾 器和其他類型的過濾裝置，這是因為它能夠用于，例如引導微粒到多 孔材料或過濾器的特定部分，或者能夠用于使微粒聚集形成更大的微 粒。在本發明第一有利實施例中，聲音暴露裝置布置成引導聲音沿 著與氣流的主要方向不同的方向。優選地，聲音暴露裝置布置成引 導聲音沿著與氣流的主要方向成至少30°角，優選至少60。，優選大致 與氣流的主要方向垂直的方向。在大部分應用中，使氣道暴露于聲音 的有利效果將隨著所述角度而增加，直至在聲音與氣流的主要方向垂 直的點上達到最大。本發明還涉及一種用于除去氣流中的微粒的方法。包括以下步驟 引導氣流通過至少一個氣道的步驟，該氣道至少部分地由多孔材料所 圍繞。本發明的方法特征在于，其包括以下步驟將氣道暴露于聲音, 聲音引導氣體沿著朝向多孔材料的方向移動。
現在將參照以下附圖更詳細描述本發明，其中 圖1示意性顯示了本發明第一有利實施例； 圖2示意性顯示了本發明第二有利實施例； 圖3示意性顯示了本發明第三有利實施例；和 圖4示意性顯示了氣體在單個氣體通路中的運動。
具體實施方式
圖1示意性顯示了本發明設備1的第一有利實施例，其中呈陶瓷 整體形式的主體2位于殼體5內。主體2具有若干開放氣體通路3，它 們由多孔壁4分離開。擴音機6連接到管道11上，管道ll又連接到 殼體5上。在設備l的操作期間，氣體流入殼體5，并通過氣體通路3 從圖的左邊流動到右邊，即氣流的主要方向跟隨著氣體通路3的縱向。 同時，擴音機6產生聲音，由虛線20表示，聲音由管道ll導引到主 體2和它的氣體通路3。聲音的方向基本上垂直于氣體通路3的縱向。 從而，將獲得沿著的垂直于氣體通路縱向軸線的方向的聲音所引導的 氣流運動。存在于氣流中的微粒將跟隨著氣體運動，并從而被捕獲在 多孔壁4之上或之內。作為替代，擴音機6可以鄰近殼體5定位。作為另一替代，擴音 機6可以在放置在各種位置下使用。圖2示意性顯示了本發明設備1的第二有利實施例，它表現了很 多與圖1中的第一實施例相似之處。不過，擴音機6和管道11由振動 器7代替，它作用在殼體5上，以產生所需要的聲音。圖3示意性顯示了本發明設備1的第三有利實施例，它表現了很 多與圖1和圖2各自中的第一和第二實施例相似之處。不過，在本實 施例中，聲源是內燃機8，它還是過濾設備1所應用的發動機8。薄膜 9與所述發動機8的廢氣系統聲學上接觸定位，且有亥姆霍茲 (Hdmholz)共鳴器10與主體2連接定位，所述共鳴器10具有一個 或幾個開口 12，開口呈狹縫形式，從而形成聲音的通道。管道ll連接 薄膜9和共鳴器10，以便引導聲音20到共鳴器10。薄膜9、管道ll、 共鳴器10和開口 12由此形成了發動機8的廢氣系統和主體2以及它 的氣體通路3之間的聲音線路。薄膜9、管道ll、共鳴器10和狹縫12 的幾何體在形狀和長度上調節，以便正確引導聲音20并且放大從發動 機廢氣振動所產生的頻帶寬度中選出的頻率。優選的，薄膜9靠近發動機8定位并且位于例如任何渦輪擴展器 的上游，以便獲得最大的廢氣振動效果。不過，在某些應用中，例如 由于缺少可用的空間，可能有利的是，將薄膜9定位在另一位置處， 例如殼體5的氣體入口部分。自然的，可以使用除了亥姆霍茲共鳴器外的其它聲音共鳴器。聲 音線路的任何部件，諸如共鳴器10和開口 12，優選地都被調節，以便 根據應用的需要來提高聲音指向和頻率放大。最佳的調節可以取決于 聲源，例如發動機的類型和驅動循環，以及主體2和它的氣體通路3 的結構。圖4示意性顯示了氣體在單個氣道或氣體通路3內的運動。箭頭 15代表移動通過氣體通路3的主要氣流。主要氣流跟隨著氣體通路3 的縱向軸線。箭頭16代表這樣一種氣體運動，在縱向上靜止，但是暴 露于垂直于氣體通路3的縱向軸線指向的振動聲音的氣體流動分量， 即垂直于氣流的主要方向。箭頭17代表這樣一種氣體運動，在縱向上 靜止，但是暴露于與氣體通路3的縱向軸線成45。指向的聲音的氣體流 動分量。箭頭18顯示了產生的、沿著垂直于氣體通路3的縱向軸線的 氣體運動，用于箭頭17代表的情況，即其中聲音以相對于氣體通路3 的縱向軸線45。指向。聲音所引導的氣體運動的速度近似為聲音的速度(對于當前溫
度)，但是主要氣流的速度取決于應用。對于柴油機應用，其中主要 氣流為發動機的廢氣流，速度取決于例如發動機負荷，氣道3的總截面面積和溫度。典型數值可以在lm/s-10m/s之間，它一般遠低于聲音 所引導的速度。優選的，設備1被設計成對于微粒來說，在通過氣 體通路3期間有很多機會接觸壁4。振動聲源的振動頻率可以變化，以 便增加微粒除去的效率。圖4中的示意性圖示顯示了指向氣體通路3的聲音引起了沿著垂 直于氣體通路3的縱向軸線的方向的氣體運動，而與聲音指向與氣體 通路3的縱向軸線所成的角度無關，除了角度為0。之外。然而，垂直 于氣體通路3的縱向軸線的聲音方向最好地利用了聲音能量。在氣道3不是平行的情況下，諸如呈由多孔材料4制成的網孔或 網的形式的情況下，可以更好地使聲音方向與氣流的主要方向相關。除了聲音方向，氣流中微粒運動的效果取決于指向氣道3的聲音 的聲音能量的多大的程度。這個聲音能量可以用強度表示，即單位面 積的作用，例如用單位W/n^表示。原理上，對于給定系統，微粒的運 動隨著氣道3處的聲音強度的增加而增加。主體2或氣體通路3處的強度取決于聲音暴露裝置的設計，諸如 管道ll、殼體5和共鳴器10，以及聲源的類型、能量和位置。 一般的， 僅有一小部分的聲源能量被轉化成聲音能量。用于捕獲微粒到多孔壁或材料4上或之內所需要的聲音強度取決 于幾個參數，諸如相對于聲音所指向的氣體通路3的縱向軸線的角度， 微粒的尺寸或尺寸分布，氣體通路3和多孔壁的幾何體，以及主要氣 流的性質。所關注的聲音性能為頻率，它與聲波長度有關。在低于100Hz左
右的頻率下，波長在大多數情況下比主體2和氣體通路3長。在這種 頻率范圍內，頻率可能只對設備1捕獲微粒的能力產生很小的影響。 然而，可能存在頻率下限，在此頻率之下，微粒的捕獲變得效率較差。對圖1中的實施例的實驗表現出，采用頻率為25和45Hz的正弦 曲線聲波且擴音機功率為28和12W，表現出良好的微粒分離性能。分 離大體上與聲源的功率成比例。頻率具有較小的重要性。在本發明優選實施例中，有煙塵氧化催化材料至少部分地涂敷于 多孔材料4上，以便提高所捕獲煙塵的除去能力。為了進一步增加煙 塵氧化反應的速率，設備1優選適合于產生第二類聲音，它具有更高 頻率，適合于破壞(breakup)靠近催化材料表面的氣體組分的質量傳 輸梯度。這樣，形成于壁4上的煙塵將被保持在足夠低的水平上，以 便能夠進行連續的高效煙塵分離。這種第二類聲音可以加在用于捕獲 微粒的聲音上，且能夠例如通過使用一個或兩個擴音機、或者通過結 合不同的聲源(諸如擴音機6和發動機8)來實現。如果進行同時NOx與煙塵或HC的還原，以改善在NOx還原反應 中的可能的質量傳輸限制，則這種第二頻率的聲音也是有用的。本發明并不限于上述實施例，而是在所附權利要求的框架內，多 個修改是可能的。例如，并不必需使用包括在主體2中的平行的氣體 通路3，其中主體2呈現有的陶瓷整體形式，如圖l-3所示。非平行氣 道3可以例如呈網孔或類似網的結構，由多孔材料4制成。其它替代 來形成板之間的氣道3或者形成管道。而且，可以用金屬來形成主體2，代替陶瓷。代替將聲音暴露裝置6， 7， 8， 9， 10， 11， 12專門定位在主體2 之外的是，可以根據氣道3的設計，靠近氣道3設置反射裝置到主體2
內，以便于例如引導發動機8所產生的氣流中的聲音脈沖。而且，本發明可以結合用于改善過濾的其它裝置，諸如增加氣流 在通過過濾器的傳輸期間的紊流。
權利要求
1.一種用于除去氣流中微粒的設備(1)，其包括至少一個氣道(3)，該氣道(3)至少部分地由多孔材料(4)圍繞，其特征在于，設備(1)包括用于將氣道暴露于聲音(20)的裝置(6，7，8，9，10，11，12)，所述聲音(20)導致氣體沿著朝向多孔材料(4)的方向運動。
2. 權利要求l的設備(1)，其特征在于，聲音暴露裝置(6， 7， 8， 9， 10， 11， 12)布置成引導聲音(20)沿著與氣流的主要方向不 同的方向。
3. 權利要求2的設備(1)，其特征在于，聲音暴露裝置(6， 7， 8， 9， 10， 11， 12)布置成引導聲音(20)沿著與氣流的主要方向成 至少30。角，優選至少60。，優選大致與氣流的主要方向垂直的方向。
4. 上述權利要求中任一項的設備(1)，其特征在于，設備(1) 包括具有所述至少一個氣道(3)和多孔材料(4)的主體(2)，該主 體(2)呈由多孔壁(4)分離開的多個氣體通路(3)的形式。
5. 權利要求4的設備(1)，其特征在于，氣體通路(3)大致是 平行的。
6. 權利要求4或5的設備(1)，其特征在于，設備(1)包括包 圍主體(2)的殼體(5)。
7. 上述權利要求中任一項的設備(1)，其特征在于，聲音暴露 裝置包括聲源(6, 7， 8)。
8. 權利要求7的設備(1)，其特征在于，聲源包括振動器(7)。
9. 權利要求7的設備(1)，其特征在于，聲源包括擴音機(7)。
10. 權利要求7的設備(1)，其特征在于，聲源為內燃機(8)， 且聲音暴露裝置包括位于氣道(3)和該內燃機(8)廢氣系統之間的 聲音線路(9， 10， 11， 12)。
11. 權利要求10的設備(1)，其特征在于，所述聲音線路(9， 10， 11， 12)包括薄膜(9)，其定位成與廢氣系統聲學上接觸；和聲 音共鳴器(10)，其定位成與主體相連(2)，該共鳴器(10)具有一 個或幾個開口 (12)，以便形成用于聲音(20)的通道。
12. 上述權利要求中任一項的設備(1)，其特征在于，設備(1) 用于凈化來自內燃機(8)的廢氣，優選的，內燃機為柴油機。
13. 權利要求10和12的設備(1)，其特征在于，形成聲源的發 內燃機也是設備所應用的內燃機。
14. 上述權利要求中任一項的設備(1)，其特征在于，有粉塵氧 化催化材料至少部分地涂敷在多孔材料(4)上。
15. 上述權利要求中任一項的設備(1)，其特征在于，聲音暴露 裝置(6， 7， 8， 9， 10， 11， 12)布置成將至少一個氣道(3)暴露 于聲音(20)，該聲音(20)的強度和頻率適合于移動在氣道(3)中 流動的氣體中的微粒到多孔材料(4)，和/或至少部分地通過多孔材料(4)。
16. 權利要求14和15的設備(1)，其特征在于，聲音暴露裝置 (6， 7， 8， 9， 10， 11， 12)布置成將至少一個氣道(3)暴露于第二類聲音(20)，該第二類聲音的強度和頻率適合于破壞靠近催化劑 材料表面的氣體組分的質量傳輸梯度。
17. 用于除去氣流中的微粒的方法，包括以下步驟-引導氣流通過至少一個氣道(3)，該至少一個氣道至少部分地由多孔材料(4)所圍繞，其特征在于， 方法包括以下步驟將氣道暴露于聲音(20)，所述聲音導致氣體沿著朝向多孔材料 (4)的方向移動。
18. 權利要求17的方法，其特征在于，聲音(20)引導沿著與氣 流的主要方向不同的方向。
19. 權利要求18的方法，其特征在于，聲音(20)引導沿著與氣 流的主要方向成至少30°角，優選至少60。，優選大致與氣流的主要方 向垂直的方向。
20. 權利要求17-19中任一項的方法，其特征在于，聲音(20)的 強度和頻率適合于移動在氣道(3)中流動的氣體中的微粒到多孔材料(4)，和/或至少部分地通過多孔材料(4)。
21. 權利要求20的方法，其特征在于，聲音(20)另外地具有這 樣的強度和頻率，它們適合于破壞靠近催化劑材料表面的氣體組分的 質量傳輸梯度，其中催化劑材料至少部分地涂敷在多孔材料(4)上。
22. 權利要求17-21中任一項的方法，其特征在于，聲音(20)由 擴音機(6)產生，且聲音從擴音機(6)被引導到氣道(3)。
23. 權利要求17-21中任一項的方法，其特征在于，聲音(20)由 內燃機(8)產生，且聲音從內燃機(8)被引導到氣道(3)。
全文摘要
本發明涉及一種用于除去氣流中微粒的設備(1)，其包括至少一個氣道(3)，該氣道(3)至少部分地由多孔材料(4)圍繞。本發明的特征在于，設備(1)包括用于將氣道暴露于聲音(20)的裝置(6，7，8，9，10，11，12)，所述聲音(20)導致氣流沿著朝向多孔材料(4)的方向運動。本發明還涉及一種用于除去氣流中微粒的方法。
文檔編號F01N3/021GK101128652SQ200580048703
公開日2008年2月20日 申請日期2005年2月24日 優先權日2005年2月24日
發明者塞西莉亞·達林, 斯塔凡·隆格倫, 海耶·韋斯特伯格, 愛德華·喬布森, 雅各布·海多恩拉格勒夫 申請人:沃爾沃技術公司