CN106703939A - 一种颗粒物净化及消声一体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒物净化及消声一体装置，包括柱形壳体，壳体包括上壳体和下壳体，壳体内部通过支撑盖隔成两个腔室，其中，下壳体与支撑盖之间为第一腔室，上壳体与支撑盖之间为第二腔室，在支撑盖盖面的周边设有与两个腔室连通的气孔，第一腔室内部设有纵向穿孔管，纵向穿孔管的外部设有滤芯，纵向穿孔管的一端穿过下壳体的底壁形成进气口，上壳体的一侧设有排气出口，第二腔室内部设有横向穿孔管，横向穿孔管的一端为封闭式结构，另一端与排气出口相连通。本发明颗粒物净化和消声一体式装置，具有高机械强度、耐高温等良好的性能，而且具有较好的抗冲击性能，可以满足非道路车辆的使用。

Description

一种颗粒物净化及消声一体装置

技术领域

本发明涉及机动车尾气后处理控制领域，涉及一种颗粒物净化及消声作用为一体的装置，特别涉及一种应用不锈钢纤维作为过滤材料的柴油机颗粒物净化器，对压降、更换便捷性和可靠性有严格要求的尾气颗粒物捕集装置。

背景技术

柴油机在燃烧过程中因为存在不完全燃烧，导致排放物中含有大量的颗粒物(PM)，它由数百种有机成分和无机成分组成，颗粒物的主要成分包括碳烟颗粒(41%)、未燃燃料(7%)、润滑油(25%)、硫酸盐和水(14%)及灰分(13%)等，这些成分与碳烟颗粒物的元素一样，其百分比变化与柴油机的类型和使用的不同的工作条件有关。因为粒子的种类包括多环芳香族碳氢化合物（挥发性碳氢化合物的不完全燃烧产生的），氧，氮，硫化合物，其中多环芳烃具有强致癌作用，人体过多吸收该物质会导致皮肤癌、肺癌、上消化道肿瘤、动脉硬化、不育症等疾病。柴油机颗粒物过滤器的是解决柴油机尾气中颗粒物的关键设备，柴油机排放物经过多孔介质时气体和颗粒物发生分离，结果颗粒物被捕集到，气体排入到周围环境中。从20世纪80年代起，国外学者就开始了对颗粒过滤器进行研究，从滤芯的选材到颗粒过滤模型的建立，还有颗粒过滤器的再生等都进行了深入的研究。研究内容涉及滤芯的性能，颗粒过滤器内的气体流动特性、压降特性、颗粒过滤和沉积特性，以及再生特性等。

汽车发动机产生的噪声同样会对人的身心带来严重危害。最直观的感受就是心理方面：在噪声中人容易产生负面的情绪，例如易怒、焦虑、心绪不宁等，从而给人的生活、工作、学习带来严重影响。长期在噪声中工作或生活会导致人听力损失或听阈上移（听力不灵敏类似近视眼），根据研究统计结果显示，在声级为85dB(A)的噪声下工作的人，30年后耳聋发病率大约是8%；90dB为20%。根据营养学家观察结果，长时间在噪声环境中的人体，会增加内维生素、微量元素氮基酸、谷氮酸、赖氮酸等必须的营养物质的消耗量，影响人体健康。发动机排气噪声作为整车噪声的主要部分，大约在整个交通噪声的30%，通过降低排气噪声来降低整车排放水平重要。但是在提高排气消声器的性能同时，又会对发动机的性能产生一定的负面影响，如功率下降、油耗增加等，违背了汽车行业节能环保的要求，因此开发出消声性能良好的消声器，同时兼顾发动机的动力性、燃油经济性等要求非常重要。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种颗粒物净化及消声一体装置，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种颗粒物净化及消声一体装置，包括柱形壳体，壳体包括上壳体和下壳体，壳体内部通过支撑盖隔成两个腔室，其中，下壳体与支撑盖之间为第一腔室，上壳体与支撑盖之间为第二腔室，在支撑盖盖面的周边设有与两个腔室连通的气孔，

第一腔室内部设有纵向穿孔管，纵向穿孔管的外部设有滤芯，纵向穿孔管的一端穿过下壳体的底壁形成进气口，

上壳体的一侧设有排气出口，第二腔室内部设有横向穿孔管，横向穿孔管的一端为封闭式结构，另一端与排气出口相连通，

在第一腔室与第二腔室之间还设有单向减压阀，单向减压阀的进口一端与纵向穿孔管的一端连接，出口一端与第一腔室连通，围绕所述中间过孔的中心轴线呈环形阵列设置有若干个泄压孔。

优选，所述上壳体与下壳体之间通过锁扣装置连接。

优选，所述上壳体与下壳体之间设有四套锁扣装置，锁扣装置包括锁舌、调整螺杆，铰链柱，基座，连接螺母和手柄，

在上壳体的壳身上设有锁舌，在下壳体的壳身上设有基座，调整螺杆的一端设有锁扣，另一端经连接螺母与手柄的中部连接，手柄远离手柄的一端经铰链柱铰接在基座上。

优选，所述单向减压阀包括阀芯，弹簧和压力阀管，压力阀管内部设有阀芯，阀芯的芯身上设有弹簧，弹簧的一端与阀芯芯座连接，另一端抵接在支撑盖内顶壁中间，纵向穿孔管的出口端设有与压力阀管外形匹配的安装槽，安装槽上设有与阀芯芯座匹配的泄压孔，若干个泄压孔与压力阀管的出口对应。

优选，纵向穿孔管的进气口端的管身上焊接有法兰，法兰的上端面与下壳体的底部通过螺栓组件或焊接连接。

优选，所述纵向穿孔管的穿孔孔径及横向穿孔管的穿孔孔径为0.5～3mm。

优选，所述纵向穿孔管的穿孔孔径大于横向穿孔管的穿孔孔径。

优选，所述滤芯是由不锈钢纤维丝网制成，滤芯缠绕并固定在纵向穿孔管管身上的。

本发明一种柴油机排放颗粒物净化和消声一体式装置，选择了合理的不锈钢纤维材料作为滤芯，不但具有高机械强度、耐高温等良好的性能，而且具有较好的抗冲击性能，更易加工，同时使用和维护成本非常低，本发明结合颗粒物净化和消声功能，提高机械结构的装卸方便性，可以满足非道路车辆的使用。

具体有益效果是：

本发明不同于传统消声器和颗粒物过滤器，将两者一体式设计，节省安装空间，制造方便，成本低；

本发明替换滤芯方便，而且采用不锈钢纤维丝网有较高的经济性；

本发明可以根据工况调整滤芯的孔隙率，可以实现低压降、高过滤效率；

本发明可以根据工况调整纵向及横向穿孔管的穿孔孔径和滤芯孔隙率，达到最优的消声效果；

⑤本发明无须改变现有排气系统安装结构，可直接安装到排气系统上，对体积、重量和可靠性有严格要求的非道路行驶使用的发动机来说具有理论意义和实用价值。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例的分解结构示意图；

图2是本发明的较佳实施例的结构示意图；

图3是图2的剖视图；

图4是本发明单向减压阀的安装结构示意图；

图5是本发明支撑盖较佳实施例的结构示意图；

图6是本发明锁扣装置较佳实施例的结构示意图；

附图说明：上壳体1，排气出口2，排气孔3，法兰4，纵向穿孔管5，下壳体6，滤芯7，小孔8，锁扣9，单向减压阀10，支撑盖11，横向穿孔管12，泄压孔13，阀芯14，弹簧15，压力阀管16，锁舌17，调整螺杆18，铰链柱19，基座20，连接螺母21，手柄22。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1，参见图1——图6的一种颗粒物净化及消声一体装置，包括柱形壳体，壳体包括上壳体1和下壳体6，壳体内部通过支撑盖11隔成两个腔室，其中，下壳体6与支撑盖11之间为第一腔室，上壳体1与支撑盖11之间为第二腔室，在支撑盖11盖面的周边设有与两个腔室连通的气孔3，

第一腔室内部设有纵向穿孔管5，纵向穿孔管5的外部设有滤芯7，纵向穿孔管5的一端穿过下壳体6的底壁形成进气口，

上壳体1的一侧设有排气出口2，第二腔室内部设有横向穿孔管12，横向穿孔管12的一端为封闭式结构，另一端与排气出口2相连通，

在第一腔室与第二腔室之间还设有单向减压阀10，单向减压阀10的进口一端与纵向穿孔管5的一端连接，出口一端与第一腔室连通，围绕所述中间过孔的中心轴线呈环形阵列设置有若干个泄压孔13。

所述上壳体1与下壳体6之间通过锁扣装置连接。

所述上壳体1与下壳体6之间设有四套锁扣装置，锁扣装置包括锁舌17、调整螺杆18，铰链柱19，基座20，连接螺母21和手柄22，

在上壳体1的壳身上设有锁舌17，在下壳体6的壳身上设有基座20，调整螺杆18的一端设有锁扣，另一端经连接螺母21与手柄22的中部连接，手柄22远离手柄的一端经铰链柱19铰接在基座20上。

所述单向减压阀10包括阀芯14，弹簧15和压力阀管16，压力阀管16内部设有阀芯14，阀芯14的芯身上设有弹簧15，弹簧15的一端与阀芯14芯座连接，另一端抵接在支撑盖11内顶壁中间，纵向穿孔管5的出口端设有与压力阀管16外形匹配的安装槽，安装槽上设有与阀芯14芯座匹配的泄压孔，若干个泄压孔13与压力阀管16的出口对应。

纵向穿孔管5的进气口端的管身上焊接有法兰4，法兰4的上端面与下壳体6的底部通过螺栓组件或焊接连接。

所述滤芯7是由不锈钢纤维丝网制成，滤芯7缠绕并固定在纵向穿孔管5管身上的。

纵向穿孔管5及横向穿孔管12的穿孔孔径的选择需要根据仿真计算得到。孔径大的话，孔的数量少，有利于排气通过，但对于消声的影响不一定好。孔径的大小要配合实际工况、滤芯的孔隙率，以达到最优的过滤和消声性能。如孔隙小，处理低频声源有优势。

优选，所述纵向穿孔管5的穿孔孔径大于横向穿孔管12的穿孔孔径，因为纵向穿孔管5紧贴着滤芯，对于排气的阻挡能力强，噪声声波的传递就有影响，横向穿孔管12的孔径可以选择小一些，数量多，这部分孔的主要作用就是排气通畅、建立共振腔，起到共振消声的作用。

从机加工及排放颗粒物的角度考虑，减小穿孔管穿孔孔径会增大消声器内的气流再生噪声。从使用的角度，孔径不能选择太小，因为太小孔径不仅难以加工，易于堵塞，加大排气的影响，考虑到加工工艺和常见吸声频带及流体力学特性的要求，因此优选纵向穿孔管5的穿孔孔径及横向穿孔管12的穿孔孔径为0.5～3mm，厚度用1mm的金属管加工。

由于消声器的消声能力及过滤效率与排气压力损失，两者此消彼长，消声量大的话排气压力损失和功率损失比就会提升，排气压力损失和功率损失比小的消声器往往消声效果不明显，因此在设计消声器时，其消声能力和空气动力性能应根据使用要求统筹设计。

本发明是利用壳体内的两个腔室与纵向穿孔管5及横向穿孔管12组成赫姆霍兹共振腔系统，穿孔管里面的废气在噪声声波的压力作用下，不断在孔颈和空腔内做往复运动，一部分声能转变成废气柱的动能，由于废气和穿孔管之间的摩擦作用及振动阻尼的存在，还有一部分声能转变成了热能辐射掉了，从而减小了声的能量。当排气噪声中的某一频率与共振腔的本征频率相等时，会产生共振现象，这时此种频率成分的噪声量将得到最大程度的衰减。

本发明为颗粒物净化及消声一体装置，该装置的核心部件—滤芯为多孔介质结构：具有一定的孔隙，保证一定的收集效率，同时孔隙之间是连通的，保证气体流通的畅通性。排气经过该装置的时候，颗粒物（直径dp<1μm）随气体运动时将不再沿流线运动，而是扩散最后滞留在过滤体表面；一部分颗粒沿排气流线流经过多孔介质时，由于颗粒尺寸而被多孔介质收集；质量较大的颗粒物，因为惯性较大，所以随排气流经过滤体时偏离流线并最终滞留在过滤体表面。颗粒会被不锈钢纤维丝网给拦截，剩下的一部分气体是从丝网周围流过。因为不锈钢纤维丝网是半规律排列的，所以层层交错，每一层都有一定的捕集效率，当层数足够多时，捕集效率就会很高。

本发明具体工作原理为，气体从纵向穿孔管5（图3）进入第一腔室，透过穿管孔进入滤芯7，气流方向发生改变，此时滤芯不仅可以过滤掉一大部分排放颗粒物，其丝网兼具有多孔介质的结构同样也可以大幅度的降低排气噪音。气体从滤芯出来后，气流由径向流动改为沿轴向流动，然后穿过支撑盖上的排气孔3，进入第二腔室，由于第二腔室的透气面积大，故可以视之为扩张室，接下来，进入第二腔室的气体，会穿过穿孔管进入横向穿孔管12内，气流由原来的轴向流动变为沿着穿孔管的径向流动，最后，进入穿孔管的气体沿着横向穿孔管12轴向方向经排气口2排出。

当声波从纵向穿孔管5入射到由不锈钢纤维滤芯7表面，纤维是有弹性的，在收到声波冲击时纤维产生振动，由于空气粘性系数不能为零（在计算式为了便于计算可将空气视为理想介质），振动变成了阻尼振动，声波的机械能最终转化为热能辐射出去。纤维是多层分布的，当声波入射到纤维表面，一部分波会被反射，一部分透射。各透射波和反射波会被多级消耗，从而起到消声作用。

对于纵向穿孔管5上的小孔，当孔径≤4mm时即可实现变频的作用，将喷注引起的噪声将移到人耳不敏感的频率范围（听觉最敏感的区域250-5000Hz）；因此在使用过程中，可将一个大截面用许多小孔来代替，便可以达到降低排气管道内噪声的目的。对于穿孔管来说，合理的穿孔率匹配噪声的共振能够获得理想的宽带消声效果。

当装置工作一定时间后，积累在滤芯里的颗粒会严重阻碍气体的排放，从而引起排气管道与支撑盖11上侧及滤芯外侧的压力之差增加，此时压差会克服单向减压阀10的阻力而推开单向减压阀的阀芯，使气体从泄压孔流出。未被处理的排气，气味及烟度较大，可以根据颜色及气味对滤芯是否更换做出初步判断。

其中，

1）纵向穿孔管5的直径可以根据使用条件加工调整直径，以配合排气管的直径，其焊接在下壳体上，排气由此进入装置。

2）单向减压阀10设计有排气通道、弹簧等，具体的压力控制参数可根据实际发动机的工况调整弹簧的负荷。

3）滤芯7是由不锈钢纤维丝网缠绕中间的纵向穿孔管5而成的多孔介质，通过钢丝来压缩固定，并控制孔隙率适应不同工况。

4）锁扣装置的设计采用了便于拆卸的结构，可以方便的将达到过滤能力的不锈钢纤维丝网拆换掉。

5）外层壳体包括上壳体1和下壳体6，横向穿孔管12和纵向穿孔管5都由304钢加工制成。上壳体和下壳体靠锁扣装置连接，打开可以方便的更换不锈钢纤维丝网。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种颗粒物净化及消声一体装置，包括柱形壳体，其特征在于，壳体包括上壳体和下壳体，壳体内部通过支撑盖隔成两个腔室，其中，下壳体与支撑盖之间为第一腔室，上壳体与支撑盖之间为第二腔室，在支撑盖盖面的周边设有与两个腔室连通的气孔，

第一腔室内部设有纵向穿孔管，纵向穿孔管的外部设有滤芯，纵向穿孔管的一端穿过下壳体的底壁形成进气口，

上壳体的一侧设有排气出口，第二腔室内部设有横向穿孔管，横向穿孔管的一端为封闭式结构，另一端与排气出口相连通，

在第一腔室与第二腔室之间还设有单向减压阀，单向减压阀的进口一端与纵向穿孔管的一端连接，出口一端与第一腔室连通，围绕所述中间过孔的中心轴线呈环形阵列设置有若干个泄压孔。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒物净化及消声一体装置，其特征在于，所述上壳体与下壳体之间通过锁扣装置连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种颗粒物净化及消声一体装置，其特征在于，所述上壳体与下壳体之间设有四套锁扣装置，锁扣装置包括锁舌、调整螺杆，铰链柱，基座，连接螺母和手柄，

在上壳体的壳身上设有锁舌，在下壳体的壳身上设有基座，调整螺杆的一端设有锁扣，另一端经连接螺母与手柄的中部连接，手柄远离手柄的一端经铰链柱铰接在基座上。

4.根据权利要求1所述的一种颗粒物净化及消声一体装置，其特征在于，所述单向减压阀包括阀芯，弹簧和压力阀管，压力阀管内部设有阀芯，阀芯的芯身上设有弹簧，弹簧的一端与阀芯芯座连接，另一端抵接在支撑盖内顶壁中间，纵向穿孔管的出口端设有与压力阀管外形匹配的安装槽，安装槽上设有与阀芯芯座匹配的泄压孔，若干个泄压孔与压力阀管的出口对应。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒物净化及消声一体装置，其特征在于，纵向穿孔管的进气口端的管身上焊接有法兰，法兰的上端面与下壳体的底部通过螺栓组件或焊接连接。

6.根据权利要求1所述的一种颗粒物净化及消声一体装置，其特征在于，所述纵向穿孔管的穿孔孔径及横向穿孔管的穿孔孔径为0.5～3mm。

7.根据权利要求6所述的一种颗粒物净化及消声一体装置，其特征在于，所述纵向穿孔管的穿孔孔径大于横向穿孔管的穿孔孔径。

8.根据权利要求1所述的一种颗粒物净化及消声一体装置，其特征在于，所述滤芯是由不锈钢纤维丝网制成，滤芯缠绕并固定在纵向穿孔管管身上的。