柴油機(jī)顆粒過濾技術(shù)分析

1、柴油機(jī)顆粒過濾技術(shù)分析【文章編號：SMS-1927】信息錄入：值歐 來自：www.sh- 人氣：1 加入時間：2009-6-14 隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,人們逐漸認(rèn)識到提高柴油機(jī)技術(shù)水平是當(dāng)今保持汽車大批量、低成本生產(chǎn),解決環(huán)保與節(jié)能雙重壓力的最有效、最經(jīng)濟(jì)的手段之一。但柴油機(jī)顆粒物的排放較嚴(yán)重,顆粒過濾器是減少顆粒排放的最有效的裝置,將現(xiàn)代電子技術(shù)運(yùn)用于顆粒排放控制,提高顆粒過濾器的過濾效率是技術(shù)的關(guān)鍵。    1柴油機(jī)排氣的有害成分    柴油機(jī)排氣的有害成分主要有CO,HC,NOx和硫化物

2、、顆粒物及臭味等。因?yàn)椴裼蜋C(jī)混合氣較稀,平均空燃比大于理論空燃比(=14.8),其CO,HC的排放明顯低于其他類型車輛。但柴油機(jī)NOx、顆粒物排放卻很突出,特別是顆粒物的排放遠(yuǎn)高于其他類型車輛,有試驗(yàn)表明柴油機(jī)顆粒物的排放是汽油機(jī)的數(shù)十倍。    2顆粒物的危害    顆粒物上凝聚和吸附了相當(dāng)多的有機(jī)物和無機(jī)物,包括有毒重金屬、酸性氧化物等,這些顆?？稍诳諝庵衅《噙_(dá)幾十天,有害物質(zhì)隨顆粒物進(jìn)入人體肺部,并有可能透過肺泡進(jìn)入血液,引起呼吸系統(tǒng)生病、損傷肺、致癌、使人視力下降等。   &

3、#160;3顆粒物的生成機(jī)理    由燃燒室排放出的顆粒物(ParticulateMatter)有三個來源,一是不可燃物質(zhì);二是可燃但未進(jìn)行燃燒的物質(zhì);三是燃燒生成物。燃燒過程中排出顆粒物的組成中大部分是固態(tài)碳(碳黑),另外還有碳?xì)浠衔铩⒘蚧锖秃饘俪煞值幕曳值?。在燃燒純氣體燃料和液體燃料時都能形成碳黑,燃燒液體燃料時形成得更多一些。含金屬成分的顆粒物主要來自于燃料中的抗爆劑、潤滑油添加劑以及運(yùn)動產(chǎn)生的磨屑等1。發(fā)動機(jī)的工況、柴油機(jī)燃料供給系結(jié)構(gòu)、柴油的成分都會影響顆粒物的形成。概括起來有以下幾個方面。    

4、;3.1壁面激冷    未燃混合物與燃燒壁面接觸,由于壁面激冷產(chǎn)生微粒排放。壁面激冷的原因有三:噴油時間和噴油延遲不當(dāng)、噴霧不良、渦流強(qiáng)度過低等;缸內(nèi)氣體溫度以及壁面溫度;柴油機(jī)工況改變時,溫度場的延遲效應(yīng)。    3.2局部燃油過濃    在高負(fù)載下,局部燃油過濃將導(dǎo)致固體碳粒和黑煙的產(chǎn)生。燃燒開始時,噴束中心的油滴大于周圍的油滴,局部空燃比小,產(chǎn)生不完全燃燒,生成大量微粒;噴油終了時,由于噴油壓力和缸內(nèi)的壓差較小,油滴較大,易形成局部燃油過濃。  &#

5、160; 3.3著火延遲期長    低負(fù)荷工況的著火延遲期長,容易產(chǎn)生局部燃油過稀,造成局部失火,引起大量的SOF(可溶性物質(zhì))和HC的產(chǎn)生。    3.4柴油質(zhì)量    如果燃油中芳香族成分多、燃油粘度大以及蒸餾溫度高,都會增加固體碳粒的產(chǎn)生。燃油中,硫化物含量對顆粒物的生成量也有很大關(guān)系。    4顆粒物過濾器    4.1顆粒過濾器的作用   

6、0;過濾器的作用是攔截并儲存顆粒。當(dāng)過濾器收集到的顆粒物太多影響柴油機(jī)工作時,用更換過濾器或?qū)κ占念w粒采用氧化或燃燒的方法進(jìn)行清潔,使顆粒過濾器恢復(fù)原狀重新工作。    4.2顆粒過濾器的結(jié)構(gòu)和分類    顆粒過濾器通常為圓筒形,直接串聯(lián)在排氣管路中。根據(jù)過濾器的結(jié)構(gòu)不同,可將顆粒過濾器分為整體式及非整體式兩大類。    整體式過濾器的濾芯為整體蜂窩狀,常用堇青石(由MgO,Al2O3及SiO2組成)制成。兩端面孔道的進(jìn)、排氣孔間隔地用陶瓷塞堵住。排氣經(jīng)過細(xì)微多孔的壁時,顆

7、粒被截住1,如圖12所示。    非整體式顆粒過濾器的濾芯是由耐高溫的金屬絲網(wǎng)或陶瓷纖維等構(gòu)成,排氣從彎曲的微小孔道中通過。當(dāng)采用矩形截面的金屬線時,一般在其外表包括一層-Al2O3,由于-Al2O3表面呈松枝狀結(jié)晶,比表面積大1。                           &#

8、160;     4.3對顆粒過濾器的要求    1)過濾效率高    顆粒過濾器的過濾效率為單位里程(或單位時間)在過濾器中收集到的顆粒質(zhì)量與單位里程(或單位時間)進(jìn)入過濾器的顆粒質(zhì)量之比。顆粒過濾器的過濾效率一般為50%80%。    2)可自行再生    在排氣溫度和催化劑的作用下,燒掉積累在過濾器內(nèi)的顆粒,減少廢氣流動阻力。即在寬的負(fù)荷范圍內(nèi)有自行再生的能力。 

9、0;  3)濾芯材料性能好    當(dāng)進(jìn)行再生處理時,由于顆粒的燃燒,要釋放出大量熱量,溫度可高達(dá)1000以上。因此,濾芯材料應(yīng)能承受高溫及熱沖擊,應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱裂等性能。    4)過濾器容積適當(dāng)    在保證足夠的過濾效率和較小的流通阻力的前提下,應(yīng)盡可能減小外形尺寸,并且應(yīng)具有一定的通用性。    5)壽命長    過濾器在排氣管路中,要受到熱脹、振動以

10、及由此產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用,因此應(yīng)有足夠的可靠性。    4.4顆粒過濾器的再生技術(shù)   顆粒過濾器的容積有限,使用一段時間后,排氣背壓會增加,如不及時地清除掉顆粒,柴油機(jī)性能會變壞,比油耗增加。所以應(yīng)對過濾器進(jìn)行及時的再生。    過濾器再生的原理是使顆粒發(fā)生氧化反應(yīng)變成CO2氣體隨尾氣一起排入大氣。能否進(jìn)行再生主要取決于以下三個方面:    1)溫度是否大于開始著火燃燒的最低溫度。    2)氧濃

11、度是否大于2%。    3)是否有足夠的反應(yīng)時間。    柴油機(jī)在高速、大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時,排氣溫度可以達(dá)到600以上,過濾器的顆粒能較快地氧化燃燒;而在部分負(fù)荷、小負(fù)荷時,由于溫度低,不能進(jìn)行顆粒過濾器的再生。為了能在多種工況下使顆粒物發(fā)生氧化反應(yīng)變成CO2氣體,一般采用降低顆粒開始著火燃燒的最低溫度或提高排氣溫度的方法1。    降低顆粒開始著火燃燒的最低溫度    1)在濾芯材料表面涂催化劑(如鉑、鈀、銅、鉛及錳等金屬化合物)。但這種方

12、法只有與催化劑表面接觸的顆粒,才能在較低溫度下進(jìn)行催化燃燒。    2)在燃油中加入催化劑。其中一種方法是預(yù)先調(diào)制成混合燃料,另一種是邊混合邊使用。    在排量為4.3L柴油機(jī)上的試驗(yàn)表明,柴油中加入不同金屬化合物催化劑,能使整體式多孔陶瓷過濾器的顆粒物發(fā)生催化燃燒的最低溫度(也稱點(diǎn)燃溫度)明顯降低。如未加催化劑時顆粒點(diǎn)燃溫度600700,當(dāng)分別加入0.13g/L的銅、鉛、錳時,顆粒點(diǎn)燃溫度分別為400450,450500,5005501    與傳統(tǒng)再生方式相比逆向再生的

13、優(yōu)點(diǎn)為:    在過濾器出口側(cè)的顆粒比進(jìn)口側(cè)的多,容易點(diǎn)燃累積的顆粒并易于初始燃燒。有利于將顆粒燃燒溫度控制在較低水平,擴(kuò)大過濾器內(nèi)累積顆粒安全再生的上下限。    在逆向再生中,二次空氣流可將顆粒燃燒產(chǎn)生的熱量從過濾器壁帶走。而傳統(tǒng)再生產(chǎn)生的熱量直接傳給過濾器壁,造成溫度過高,損壞或燒壞過濾器壁。    縮短所需的再生時間。    2)帶逆向噴氣凈化器的顆粒過濾裝置    該裝置的特點(diǎn)是將過濾器

14、與顆粒燃燒部分隔開。所以該裝置解決了以下兩個問題:再生時由于顆粒燃燒放熱使過濾器產(chǎn)生裂縫和熔化;因顆粒燃燒留下灰燼并在過濾器內(nèi)累積。    圖31是帶有四塊橫流過濾器的過濾系統(tǒng)。含有顆粒的廢氣從過濾器上部流入過濾顆粒的圓柱形通道,沒有顆粒的廢氣從側(cè)壁縫隙排出。急速噴射的壓縮空氣從與排氣流相反的方向噴入,清除掉柱形通道表面的顆粒,掉下來的顆粒落到漏斗里,由其中的鎧裝電加熱器燃燒掉。蝶形閥的作用是控制排氣,提高逆向噴氣凈化的效果。    蝶形閥在進(jìn)行逆向噴氣凈化的瞬間關(guān)閉,防止壓縮空氣反向流動。  

15、  該裝置的優(yōu)勢在于不管發(fā)動機(jī)處于什么工況,隨時都可進(jìn)行凈化。如果在發(fā)動機(jī)工作時進(jìn)行凈化,過濾裝置的壓降要增加一倍,但因?yàn)閮H需0.45s時間就可完成逆向噴氣凈化,所以不會給發(fā)動機(jī)工作帶來任何影響。                         4.5A6L    溫度傳感器G488的作用是調(diào)節(jié)第二次補(bǔ)充噴油的噴油量,使過濾器前的溫度達(dá)到620,500時,顆粒過濾器中所含的炭煙被緩慢而仔細(xì)地轉(zhuǎn)化成CO2;    主動還原:當(dāng)溫度達(dá)580時,涂層中的氧化陶瓷成分可利用氧氣來加速熱還原反應(yīng)。方法是通過補(bǔ)充噴油(與主噴油接近)、加大噴油量、延遲噴油時刻、關(guān)閉廢氣再循環(huán)、阻塞節(jié)氣門等多種方法來將渦輪增壓器的溫度提高到約45020