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1、随着能源危机和环境污染的日益严重,人们逐渐认识到提高柴油机技术水平是当今保持汽车大批量、低成本生产,解决环保与节能双重压力的最有效、最经济的手段之一。但柴油机颗粒物的排放较严重,颗粒过滤器是减少颗粒排放的最有效的装置,将现代电子技术运用于颗粒排放控制,提高颗粒过滤器的过滤效率是技术的关键。 1 柴油机排气的有害成分 柴油机排气的有害成分主要有CO,HC,NOx和硫化物、颗粒物及臭味等。因为柴油机混合气较稀,平均空燃比大于理论空燃比(α=14.8),其CO,HC的排放明显低于其他类型车辆。但柴油机NOx
2、、颗粒物排放却很突出,特别是颗粒物的排放远高于其他类型车辆,有试验表明柴油机颗粒物的排放是汽油机的数十倍。 2 颗粒物的危害 颗粒物上凝聚和吸附了相当多的有机物和无机物,包括有毒重金属、酸性氧化物等,这些颗粒可在空气中漂浮多达几十天,有害物质随颗粒物进入人体肺部,并有可能透过肺泡进入血液,引起呼吸系统生病、损伤肺、致癌、使人视力下降等。 3 颗粒物的生成机理 由燃烧室排放出的颗粒物(ParticulateMatter)有三个来源,一是不可燃物质;二是可燃但未进行燃烧的物质;三是燃烧生成物。
3、燃烧过程中排出颗粒物的组成中大部分是固态碳(碳黑),另外还有碳氢化合物、硫化物和含金属成分的灰分等[1]。在燃烧纯气体燃料和液体燃料时都能形成碳黑,燃烧液体燃料时形成得更多一些。含金属成分的颗粒物主要来自于燃料中的抗爆剂、润滑油添加剂以及运动产生的磨屑等[1]。发动机的工况、柴油机燃料供给系结构、柴油的成分都会影响颗粒物的形成。概括起来有以下几个方面。 3.1 壁面激冷 未燃混合物与燃烧壁面接触,由于壁面激冷产生微粒排放。壁面激冷的原因有三:①喷油时间和喷油延迟不当、喷雾不良、涡流强度过低等;②缸内气
4、体温度以及壁面温度;③柴油机工况改变时,温度场的延迟效应。 3.2 局部燃油过浓 在高负载下,局部燃油过浓将导致固体碳粒和黑烟的产生。燃烧开始时,喷束中心的油滴大于周围的油滴,局部空燃比小,产生不完全燃烧,生成大量微粒;喷油终了时,由于喷油压力和缸内的压差较小,油滴较大,易形成局部燃油过浓。 3.3 着火延迟期长 低负荷工况的着火延迟期长,容易产生局部燃油过稀,造成局部失火,引起大量的SOF(可溶性物质)和HC的产生。 3.4 柴油质量 如果燃油中芳香族成分多、燃油粘度大以及蒸
5、馏温度高,都会增加固体碳粒的产生。燃油中,硫化物含量对颗粒物的生成量也有很大关系。 4 颗粒物过滤器 4.1 颗粒过滤器的作用 过滤器的作用是拦截并储存颗粒。当过滤器收集到的颗粒物太多影响柴油机工作时,用更换过滤器或对收集的颗粒采用氧化或燃烧的方法进行清洁,使颗粒过滤器恢复原状重新工作。 4.2 颗粒过滤器的结构和分类 颗粒过滤器通常为圆筒形,直接串联在排气管路中。根据过滤器的结构不同,可将颗粒过滤器分为整体式及非整体式两大类。 整体式过滤器的滤芯为整体蜂窝状,常用堇青石(由M
6、gO,Al2O3及SiO2组成)制成。两端面孔道的进、排气孔间隔地用陶瓷塞堵住。排气经过细微多孔的壁时,颗粒被截住[1],如图1[2]所示。 非整体式颗粒过滤器的滤芯是由耐高温的金属丝网或陶瓷纤维等构成,排气从弯曲的微小孔道中通过。当采用矩形截面的金属线时,一般在其外表包括一层γ-Al2O3,由于γ-Al2O3表面呈松枝状结晶,比表面积大[1]。 4.3 对颗粒过滤器的要求 1)过滤效率高 颗粒过滤器的过滤效率为单位里程(或单位时间
7、)在过滤器中收集到的颗粒质量与单位里程(或单位时间)进入过滤器的颗粒质量之比。颗粒过滤器的过滤效率一般为50%～80%。 2)可自行再生 在排气温度和催化剂的作用下,烧掉积累在过滤器内的颗粒,减少废气流动阻力。即在宽的负荷范围内有自行再生的能力。 3)滤芯材料性能好 当进行再生处理时,由于颗粒的燃烧,要释放出大量热量,温度可高达1000℃以上。因此,滤芯材料应能承受高温及热冲击,应具有足够的强度、化学稳定性、抗热裂等性能。 4)过滤器容积适当 在保证足够的过滤效率和较小的流通阻
8、力的前提下,应尽可能减小外形尺寸,并且应具有一定的通用性。 5)寿命长 过滤器在排气管路中,要受到热胀、振动以及由此产生的机械应力和热应力作用,因此应有足够的可靠性。 4.4 颗粒过滤器的再生技术 颗粒过滤器的容积有限,使用一段时间后,排气背压会增加,如不及时地清除掉颗粒,柴油机性能会变坏,比油耗增加。所以应对过滤器进行及时的再生。 过滤器再生
