柴油機(jī)顆粒過(guò)濾技術(shù)分析

柴油機(jī)顆粒過(guò)濾技術(shù)分析

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻,人們慢慢生疏到提高柴油機(jī)技術(shù)水平是當(dāng)今保持汽車大批量、低本錢生產(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)峻,顆粒過(guò)濾器是削減顆粒排放的最有效的裝置,將現(xiàn)代電子技術(shù)運(yùn)用于顆粒排放把握,提高顆粒過(guò)濾器的過(guò)濾效率是技術(shù)的關(guān)鍵。

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,,和硫化物、顆粒物及臭味等。

由于柴油機(jī)混合氣較稀,平均空燃比大于理論空燃比α=,,的排放明顯低于其他類型車輛。

但柴油機(jī)、顆粒物排放卻很突出,特殊是顆粒物的排放遠(yuǎn)高于其他類型車輛,有試驗(yàn)說(shuō)明柴油機(jī)顆粒物的排放是汽油機(jī)的數(shù)十倍。

顆粒物的危害顆粒物上分散和吸附了相當(dāng)多的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物,包括有毒重金屬、酸性氧化物等,這些顆粒可在空氣中漂移多達(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(guò)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。

顆粒物的生成機(jī)理由燃燒室排放出的顆粒物有三個(gè)來(lái)源,一是不行燃物質(zhì);二是可燃但未進(jìn)展燃燒的物質(zhì);三是燃燒生成物。

燃燒過(guò)程中排出顆粒物的組成中大局部是固態(tài)碳碳黑,另外還有碳?xì)浠衔?、硫化物和含金屬成分的灰分等[1]。

在燃燒純氣體燃料和液體燃料時(shí)都能形成碳黑,燃燒液體燃料時(shí)形成得更多一些。

含金屬成分的顆粒物主要來(lái)自于燃料中的抗爆劑、潤(rùn)滑油添加劑以及運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨屑等[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)的工況、柴油機(jī)燃料供應(yīng)系構(gòu)造、柴油的成分都會(huì)影響顆粒物的形成。

概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面。

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。

壁面激冷的緣由有三:①噴油時(shí)間和噴油延遲不當(dāng)、噴霧不良、渦流強(qiáng)度過(guò)低等;②缸內(nèi)氣體溫度以及壁面溫度;③柴油機(jī)工況轉(zhuǎn)變時(shí),溫度場(chǎng)的延遲效應(yīng)。

局部燃油過(guò)濃在高負(fù)載下,局部燃油過(guò)濃將導(dǎo)致固體碳粒和黑煙的產(chǎn)生。

燃燒開(kāi)頭時(shí),噴束中心的油滴大于四周的油滴,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(shí),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(guò)濃。

著火延遲期長(zhǎng)低負(fù)荷工況的著火延遲期長(zhǎng),簡(jiǎn)潔產(chǎn)生局部燃油過(guò)稀,造成局部失火,引起大量的可溶性物質(zhì)和的產(chǎn)生。

柴油質(zhì)量假設(shè)燃油中芳香族成分多、燃油粘度大以及蒸餾溫度高,都會(huì)增加固體碳粒的產(chǎn)生。

燃油中,硫化物含量對(duì)顆粒物的生成量也有很大關(guān)系。

顆粒物過(guò)濾器顆粒過(guò)濾器的作用過(guò)濾器的作用是攔截并儲(chǔ)存顆粒。

當(dāng)過(guò)濾器收集到的顆粒物太多影響柴油機(jī)工作時(shí),用更換過(guò)濾器或?qū)κ占念w粒承受氧化或燃燒的方法進(jìn)展清潔,使顆粒過(guò)濾器恢復(fù)原狀重工作。

顆粒過(guò)濾器的構(gòu)造和分類顆粒過(guò)濾器通常為圓筒形,直接串聯(lián)在排氣管路中。

依據(jù)過(guò)濾器的構(gòu)造不同,可將顆粒過(guò)濾器分為整體式及非整體式兩大類。

整體式過(guò)濾器的濾芯為整體蜂窩狀,常用堇青石由,23及2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(guò)微小多孔的壁時(shí),顆粒被截住[1],如圖1[2]所示。

非整體式顆粒過(guò)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(guò)。

當(dāng)承受矩形截面的金屬線時(shí),一般在其外表包括一層γ-23,由于γ-23外表呈松枝狀結(jié)晶,比外表積大[1]。

對(duì)顆粒過(guò)濾器的要求過(guò)濾效率高顆粒過(guò)濾器的過(guò)濾效率為單位里程或單位時(shí)間在過(guò)濾器中收集到的顆粒質(zhì)量與單位里程或單位時(shí)間進(jìn)入過(guò)濾器的顆粒質(zhì)量之比。

顆粒過(guò)濾器的過(guò)濾效率一般為50%~80%。

可自行再生在排氣溫度和催化劑的作用下,燒掉積存在過(guò)濾器內(nèi)的顆粒,削減廢氣流淌阻力。

即在寬的負(fù)荷范圍內(nèi)有自行再生的力氣。

濾芯材料性能好當(dāng)進(jìn)展再生處理時(shí),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。

過(guò)濾器容積適當(dāng)在保證足夠的過(guò)濾效率和較小的流通阻力的前提下,應(yīng)盡可能減小形狀尺寸,并且應(yīng)具有確定的通用性。

壽命長(zhǎng)過(guò)濾器在排氣管路中,要受到熱脹、振動(dòng)以及由此產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用,因此應(yīng)有足夠的牢靠性。

顆粒過(guò)濾器的再生技術(shù)顆粒過(guò)濾器的容積有限,使用一段時(shí)間后,排氣背壓會(huì)增加,如不準(zhǔn)時(shí)地去除掉顆粒,柴油機(jī)性能會(huì)變壞,比油耗增加。

所以應(yīng)對(duì)過(guò)濾器進(jìn)展準(zhǔn)時(shí)的再生。

過(guò)濾器再生的原理是使顆粒發(fā)生氧化反響變成2氣體隨尾氣一起排入大氣。

能否進(jìn)展再生主要取決于以下三個(gè)方面:溫度是否大于開(kāi)頭著火燃燒的最低溫度。

氧濃度是否大于2%。

是否有足夠的反響時(shí)間。

柴油機(jī)在高速、大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),排氣溫度可以到達(dá)600℃以上,過(guò)濾器的顆粒能較快地氧化燃燒;而在局部負(fù)荷、小負(fù)荷時(shí),由于溫度低,不能進(jìn)展顆粒過(guò)濾器的再生。

為了能在多種工況下使顆粒物發(fā)生氧化反響變成2氣體,一般承受降低顆粒開(kāi)頭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(kāi)頭著火燃燒的最低溫度在濾芯材料外表涂催化劑如鉑、鈀、銅、鉛及錳等金屬化合物。

但這種方法只有與催化劑外表接觸的顆粒,才能在較低溫度下進(jìn)展催化燃燒。

在燃油中參與催化劑。

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。

,柴油中參與不同金屬化合物催化劑,能使整體式多孔陶瓷過(guò)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(shí)顆粒點(diǎn)燃溫度600~700℃,、鉛、錳時(shí),顆粒點(diǎn)燃溫度分別為400~450℃,450~500℃,500~550℃[1]。

提高排氣溫度承受進(jìn)氣節(jié)流、排氣節(jié)流、推遲噴油時(shí)間、加熱進(jìn)氣等方法提高排氣溫度,但這些方法都會(huì)產(chǎn)生燃油消耗增加等問(wèn)題。

設(shè)置燃燒器。

在過(guò)濾器入口前,設(shè)置一燃燒器,用噴油器向燃燒器噴入少量燃油,利用排氣的氧或另外供應(yīng)燃燒器的二次空氣,用火花塞或電熱塞點(diǎn)燃燃油,產(chǎn)生高溫燃?xì)?點(diǎn)燃過(guò)濾器中的顆粒。

一般經(jīng)過(guò)1~2后,即可完成再生過(guò)程。

逆向再生方式的顆粒過(guò)濾裝置帶電加熱器的顆粒過(guò)濾裝置這種裝置的特點(diǎn)是對(duì)收集在過(guò)濾器內(nèi)的顆粒承受從過(guò)濾器出口側(cè)到入口側(cè)進(jìn)展燃燒的逆向再生方式。

如圖2[1]所示,該裝置由一個(gè)過(guò)濾器和排氣旁通管組成。

其工作過(guò)程是:依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速推斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否處于怠速工況,假設(shè)處于怠速工況,再推斷過(guò)濾器壓降是否大于設(shè)定值,假設(shè)條件成立,即進(jìn)展再生處理。

過(guò)濾器捕集到的顆粒量不同,發(fā)動(dòng)機(jī)怠速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的壓差不同。

當(dāng)捕集的顆粒到達(dá)確定量后,過(guò)濾裝置把握系統(tǒng)提示駕駛員對(duì)過(guò)濾器進(jìn)展再生。

駕駛員停車并推斷時(shí)間超過(guò)10時(shí),合上再生開(kāi)關(guān),此時(shí)全部排氣從過(guò)濾器旁通管通過(guò),電加熱器自動(dòng)啟動(dòng),二次空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入過(guò)濾器,以加速過(guò)濾器內(nèi)顆粒的燃燒。

整個(gè)再生過(guò)程僅需幾分鐘。

與傳統(tǒng)再生方式相比逆向再生的優(yōu)點(diǎn)為:①在過(guò)濾器出口側(cè)的顆粒比進(jìn)口側(cè)的多,簡(jiǎn)潔點(diǎn)燃累積的顆粒并易于初始燃燒。

②有利于將顆粒燃燒溫度把握在較低水平,擴(kuò)大過(guò)濾器內(nèi)累積顆粒平安再生的上下限。

③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(guò)濾器壁帶走。

而傳統(tǒng)再生產(chǎn)生的熱量直接傳給過(guò)濾器壁,造成溫度過(guò)高,損壞或燒壞過(guò)濾器壁。

④縮短所需的再生時(shí)間。

帶逆向噴氣凈化器的顆粒過(guò)濾裝置該裝置的特點(diǎn)是將過(guò)濾器與顆粒燃燒局部隔開(kāi)。

所以該裝置解決了以下兩個(gè)問(wèn)題:①再生時(shí)由于顆粒燃燒放熱使過(guò)濾器產(chǎn)生裂縫和熔化;②因顆粒燃燒留下灰燼并在過(guò)濾器內(nèi)累積。

圖3[1]是帶有四塊橫流過(guò)濾器的過(guò)濾系統(tǒng)。

含有顆粒的廢氣從過(guò)濾器上部流入過(guò)濾顆粒的圓柱形通道,沒(méi)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,去除掉柱形通道外表的顆粒,掉下來(lái)的顆粒落到漏斗里,由其中的鎧裝電加熱器燃燒掉。

蝶形閥的作用是把握排氣,提高逆向噴氣凈化的效果。

蝶形閥在進(jìn)展逆向噴氣凈化的瞬間關(guān)閉,防止壓縮空氣反向流淌。

該裝置的優(yōu)勢(shì)在于不管發(fā)動(dòng)機(jī)處于什么工況,隨時(shí)都可進(jìn)展凈化。

假設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)進(jìn)展凈化,過(guò)濾裝置的壓降要增加一倍,,所以不會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶來(lái)任何影響。

-6-型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒過(guò)濾器過(guò)濾器構(gòu)造如圖4所示,該顆粒過(guò)濾器的濾芯為陶瓷材料,陶瓷壁上涂有一層銠和氧化陶瓷的混合物。

濾芯的構(gòu)造與傳統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器相像,二者的區(qū)分在于該顆粒過(guò)濾器的通道在進(jìn)氣和排氣方向上是交替鎖閉的,這樣含有炭煙的廢氣必需得穿過(guò)透氣的氧化硅層,才能流到排氣系統(tǒng)出口,炭煙則滯留在陶瓷壁上。

溫度傳感器488的作用是調(diào)整其次次補(bǔ)充噴油的噴油量,使過(guò)濾器前的溫度到達(dá)620℃,以提高炭煙顆粒的燃燒速度。

壓差傳感器作用是監(jiān)控顆粒過(guò)濾器前后的壓力差、識(shí)別過(guò)濾器是否被炭煙堵塞。

復(fù)原反響被動(dòng)復(fù)原即不由發(fā)動(dòng)機(jī)治理系統(tǒng)把握:當(dāng)溫度是350~500℃時(shí),顆粒過(guò)濾器中所含的炭煙被緩慢而仔細(xì)地轉(zhuǎn)化成2;主動(dòng)復(fù)原:當(dāng)溫度達(dá)580℃時(shí),涂層中的氧化陶瓷成分可利用氧氣來(lái)加速熱復(fù)原反響。

方法是通過(guò)補(bǔ)充噴油與主噴油接近、加大噴油量、延遲噴油時(shí)刻、關(guān)閉廢氣再循環(huán)、堵塞節(jié)氣門等多種方法來(lái)將渦輪增壓器的溫度提高到約450℃。

把握過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)把握單元中有一個(gè)預(yù)先編制好的模擬程序,該程序依據(jù)使用者的駕駛風(fēng)格和壓差傳感器獲得的信號(hào)來(lái)推斷過(guò)濾器的吸附飽和程度,在必要時(shí)執(zhí)行主動(dòng)復(fù)原程序。

對(duì)于常見(jiàn)的城市循環(huán)工況,每行駛1000~2023應(yīng)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)治理系統(tǒng)來(lái)