關(guān)于柴油機(jī)EGR 中的微粒過(guò)濾器應(yīng)用
柴油發(fā)電機(jī)公司:
摘要:柴油機(jī)使用排氣再循環(huán)降低氮氧化物時(shí),采取措施降低微粒排放是必要的,其中使用微粒過(guò)濾器是一種行之有效的方法。本文詳細(xì)闡述了有關(guān)微粒過(guò)濾器種類、再生方式以及相關(guān)的排氣再循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)模式。
關(guān)鍵詞:排氣再循環(huán)(EGR) ;微粒過(guò)濾器;排氣再循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)
1 前言
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制,越來(lái)越引起人們的關(guān)注。排放物的類型和數(shù)量因機(jī)型、燃油系統(tǒng)和運(yùn)行條件而異。柴油機(jī)的排放物中HC、CO 的濃度比汽油機(jī)低得多,NOX 排放與汽油差不多,而微粒排放卻比汽油機(jī)高約30～70 倍。因此控制柴油機(jī)排放污染物的重點(diǎn)是降低柴油機(jī)NOX 排放及微粒排放。本文就利用EGR 降低NOX 時(shí)引起微粒排放增加的問(wèn)題提出相關(guān)的解決措施。
2 EGR 對(duì)柴油機(jī)性能的影響
排氣再循環(huán)就是將廢氣中的一部分引入燃燒室中,參與燃燒過(guò)程。由于排氣的主要成分是惰性氣體(CO2 ,H2O ,N2 等) ,它們具有較高的比熱,當(dāng)新混合氣與排氣混合,熱容量即隨之增大,降低最高的燃燒溫度;同時(shí)EGR 對(duì)新混合氣的稀釋,也相應(yīng)的降低了氧的濃度,從而使NOX 在燃燒過(guò)程中生成量受到抑制。
2. 1 EGR 對(duì)排放的影響
眾所周知, EGR (排氣再循環(huán)) 已經(jīng)在降低NOX 上取得了很大的成功,它在降低NOX 排放的同時(shí)往往會(huì)使其他排放物增加,尤其是微粒的排放。EGR 的稀釋作用使燃燒過(guò)程中的最高溫度降低,有效抑制了NOX 的形成,但是由于混合氣中氧氣濃度降低,燃燒反應(yīng)不完全,使未燃碳?xì)浠衔铩⒁谎趸己臀⒘５呐欧旁黾?微粒增加尤其明顯,對(duì)于環(huán)境的危害更嚴(yán)重。微粒和氮氧化物的同時(shí)控制是一個(gè)急待解決的問(wèn)題。
2. 2 EGR 對(duì)潤(rùn)滑油和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的影響
再循環(huán)的排氣中包含的微粒物質(zhì)進(jìn)入氣缸后會(huì)粘附在氣缸壁表面的潤(rùn)滑油油膜中,在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,活塞環(huán)將這些微料物質(zhì)刮入到曲軸箱中,使?jié)櫥椭械牟蝗苄晕镔|(zhì)增加,導(dǎo)致活塞環(huán)、氣門等零件的磨損,為此需要將回流排氣過(guò)濾,這對(duì)于安裝渦輪增壓器的柴油機(jī)尤為重要。如果安裝有渦輪增壓器的柴油機(jī)使用EGR 降低氮氧化物時(shí),至少應(yīng)除去EGR 氣體中99 %的微粒。
3 微粒過(guò)濾器及其再生
為此設(shè)計(jì)了再循環(huán)排氣過(guò)濾系統(tǒng)來(lái)控制氮氧化物,該系統(tǒng)就是在排氣進(jìn)入再循環(huán)線路之前(即進(jìn)入氣缸之前) ,利用捕集器將它過(guò)濾,然后進(jìn)行排氣再循環(huán)工作過(guò)程。
現(xiàn)在使用微粒對(duì)濾器有許多種,這些措施都沒(méi)有完全解決再循環(huán)排氣的微粒過(guò)內(nèi)燃機(jī),特別是安裝有渦輪增壓器的柴油機(jī)的損害。過(guò)濾再循環(huán)排氣系統(tǒng)在降低NOX 的同時(shí)要達(dá)到降低微粒目的,再循環(huán)排氣的過(guò)濾元件及其再生是關(guān)鍵。
3. 1 過(guò)濾器的簡(jiǎn)單介紹
微粒過(guò)濾器含有一個(gè)帶有微孔的獨(dú)立的過(guò)濾介質(zhì),來(lái)捕捉微粒。被收集的大部分是干的碳灰(SOOT) 和吸附有SOF 的碳灰。一般用陶瓷和金屬網(wǎng)制成過(guò)濾器,由于陶瓷能承受高溫并具有高的過(guò)濾效率,其成為主要的過(guò)濾介質(zhì)。
過(guò)濾器主要為壁流式整體陶瓷(wall - flowmonolith) ,由堇青石和碳化硅的合成陶瓷制成的,堇青石具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和較好的抗熱沖擊性,熱膨脹系數(shù)小,它的弱點(diǎn)是耐高溫能力不足,一般不超過(guò)1200 ℃ ,導(dǎo)熱系數(shù)小,在再生時(shí),內(nèi)部燃燒產(chǎn)生的熱量不易傳出,致使濾芯燒熔或燒裂。碳化硅是一種比較好的新型過(guò)濾材料,它和堇青石相比孔徑更均勻,并具有通流性好,過(guò)濾效率高,耐高溫(超過(guò)1600 ℃) ,通過(guò)性好等特點(diǎn),堇青石和炭化硅的合成陶瓷是通用的過(guò)濾介質(zhì)。
一般過(guò)濾器分為表面過(guò)濾型和深層過(guò)濾型。表面過(guò)濾型是碳煙沉積于過(guò)濾器表面,但當(dāng)碳煙越來(lái)越厚時(shí),過(guò)濾器的壓力降增加過(guò)快,它的過(guò)濾效率主要受材料中孔隙尺寸的影響,孔隙尺寸影響過(guò)濾器的捕集效率。而深層過(guò)濾型中被捕集的微粒聚積在過(guò)濾材料的體內(nèi),纖維材料和微粒之間的吸附力及微粒和微粒之間的凝聚力對(duì)提高微粒捕集的效率起重要作用,這種過(guò)濾器的濾芯是由陶瓷或金屬纖維制成,有較穩(wěn)定的捕集效率和壓力降,但捕集效率過(guò)低,需要高的壓力降和厚的過(guò)濾器。
3. 2 過(guò)濾器的再生
清除沉積在過(guò)濾材料上微粒的過(guò)程稱為過(guò)濾器的再生。發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)真正的挑戰(zhàn)是過(guò)濾器的再生。過(guò)濾系統(tǒng)的再生可以持續(xù)發(fā)生也可以周期發(fā)生,收集的微粒通過(guò)氧化成氣體(理想狀態(tài)是二氧化碳) 而被移走,微粒過(guò)濾器的再生過(guò)程受到總積累的顆粒量、顆粒儲(chǔ)存密度及分布情況、排氣流速、過(guò)濾器向外傳熱情況和顆粒的活化反應(yīng)能力等的影響。
(1) 高溫加熱再生
為了能在多種工況下使顆粒發(fā)生氧化反應(yīng)變成二氧化碳?xì)怏w,使顆粒物的溫度高于最低氧化溫度是十分必要的。通常采用降低顆粒著火最低溫度或者提高排氣溫度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)微粒過(guò)濾器的再生。
如果再生不充分,過(guò)濾器就會(huì)微粒負(fù)載過(guò)重,發(fā)動(dòng)機(jī)背壓升高。在極端的情況下過(guò)濾器被阻塞發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面如果一個(gè)碳煙負(fù)載過(guò)高的過(guò)濾器突然暴露在高溫排氣中而開始再生,在反應(yīng)中會(huì)放出大量的熱,引起濾芯熱應(yīng)力和影響過(guò)濾器的穩(wěn)定性。在極端的情況下過(guò)濾器會(huì)融化或?yàn)V芯破裂。
在內(nèi)燃機(jī)正常工作條件下,內(nèi)燃機(jī)的排氣溫度一般在200～500 ℃,而微粒的燃點(diǎn)一般在500- 600 ℃,依靠?jī)?nèi)燃機(jī)的排氣的溫度很難使過(guò)濾器再生。要使捕集器再生必須降低微粒的燃點(diǎn)或提高排氣溫度。通過(guò)在燃油、排氣中加添加劑或在過(guò)濾材料表面涂催化層可以降低微粒的燃點(diǎn)。這種方法也叫被動(dòng)再生。通過(guò)提高排氣溫度等使捕集器再生的方法也叫主動(dòng)再生。該方法主要有電熱器加熱補(bǔ)燃和燃燒器加熱補(bǔ)燃。電熱器加熱補(bǔ)燃系統(tǒng)是在捕集器的前面加裝一個(gè)電加熱器,當(dāng)電加熱器通電時(shí),使捕集器入口溫度超過(guò)微粒的燃燒溫度,通電一段時(shí)間,然后將捕集器的入口閥打開并保持一定開度,引入部分排氣,利用排氣中富余的氧使捕集器中微粒燃燒除去。燃燒器加熱補(bǔ)燃系統(tǒng)與電加熱方式不同,捕集器的再生是由燃燒器所供應(yīng)的高溫燃?xì)鈦?lái)完成。
(2) 高壓氣脈沖再生
陶瓷過(guò)濾器(CERAMEM) ,沿軸向分布了許多小的平行管道。相鄰的管道在末端被交替封死以強(qiáng)迫柴油機(jī)廢氣穿過(guò)微孔壁面(壁流整體式) ,是表面過(guò)濾型。其過(guò)濾效率可以達(dá)到99 %。它的再生方式為避免加熱再生的弊端(再生時(shí)因進(jìn)入捕集器的氣體的溫度過(guò)高,超過(guò)了材料的允許極限,捕集器就會(huì)發(fā)生熔損或龜裂) ,而采用了一種高壓氣脈沖再生方法。該方法就是:在捕集器需要再生時(shí),就是給捕集器逆向一個(gè)或幾個(gè)高壓氣脈沖,將吸附或沉淀在捕集器上微粒吹掉,并將這些微粒收集起來(lái),燃燒掉,從而使捕集器再生,見圖1。
工作過(guò)程為:當(dāng)壓力信號(hào)達(dá)到預(yù)定值時(shí),ECU發(fā)出指令將電磁閥2 ,4 關(guān)閉,打開電磁閥5 將廢氣直接通向大氣。同時(shí),利用脈沖指令控制電磁閥1 ,3 產(chǎn)生脈沖高壓氣流,反吹捕集器,使其再生。反吹下來(lái)的微粒進(jìn)入電加熱器中燃燒掉。
4 再循環(huán)排氣過(guò)濾系統(tǒng)幾種模式
4. 1 對(duì)氮氧化物控制要求嚴(yán)格,對(duì)微粒排放要求不嚴(yán)的機(jī)型,考慮到捕集器的負(fù)擔(dān)問(wèn)題,因而只對(duì)其再循環(huán)排氣進(jìn)行過(guò)濾。
在進(jìn)行過(guò)濾再循環(huán)的過(guò)程中,電磁閥2 關(guān)閉,電磁閥1 打開,在吸氣泵的作用下,一部分(由EGR 率決定的) 排氣經(jīng)過(guò)捕集器過(guò)濾后通過(guò)再循環(huán)線路進(jìn)入進(jìn)氣管,以參加新的工作過(guò)程。
當(dāng)捕集器需要再生(再生的時(shí)間由實(shí)驗(yàn)確定,就是說(shuō)再生過(guò)程按照一定周期進(jìn)行) 時(shí),將電磁閥1 關(guān)閉,由CPU UNIT按照一定頻率來(lái)控制電磁閥2 的開閉數(shù)次,進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)高壓反沖氣體脈沖,將吸附或沉淀在捕集器上微粒沖掉,實(shí)現(xiàn)捕集器的再生。(注意在此間,EGR 停止) 然后將電磁閥2 關(guān)閉,將電磁閥1 開啟,重新進(jìn)行EGR ,重復(fù)不斷進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)不間斷EGR 工作,可以實(shí)現(xiàn)雙捕集器輪流工作,如圖2 所示。
4. 2 如前文所述,由于氮氧化物和微粒排放控制都是柴油機(jī)的控制重點(diǎn),因而二者可以通過(guò)過(guò)濾排氣再循環(huán)系統(tǒng)模式同時(shí)加以控制。將捕集器直接安裝在排氣管路上,然后將一部分過(guò)濾過(guò)的廢氣作為回流氣體重新引入內(nèi)燃機(jī)中。如圖3 所示。
當(dāng)進(jìn)行排氣再循環(huán)工作過(guò)程中,電磁閥1、5、4 關(guān)閉,電磁閥2、3、6 開啟。從柴油機(jī)中出來(lái)的廢直接進(jìn)入捕集器中,經(jīng)過(guò)過(guò)濾后,通過(guò)電磁閥門3 通向大氣,一部分的過(guò)濾后的廢氣在吸氣泵的作用下進(jìn)入再循環(huán)線路回到柴油機(jī)的進(jìn)氣管中,參加柴油機(jī)的新工作循環(huán)。
當(dāng)捕集器需要再生(再生的時(shí)機(jī)有壓力信號(hào)決定,就是說(shuō)當(dāng)背壓達(dá)到預(yù)定數(shù)值) 時(shí),將電磁閥1 開啟,電磁閥6 關(guān)閉,以便廢氣直接排到大氣。關(guān)閉2、3 由CPU UNIT 按照一定頻率來(lái)控制電磁閥4 的開閉數(shù)次,進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)高壓反沖氣體脈沖,將吸附或沉淀在捕集器上微粒沖掉,實(shí)現(xiàn)捕集器的再生。(注意在此間,EGR 停止) 然后將電磁閥1、4 關(guān)閉,將電磁閥2、3、6 開啟,重新進(jìn)行EGR ,重復(fù)不斷進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)不間斷EGR 工作和不將所有廢氣都過(guò)濾,可以實(shí)現(xiàn)雙捕集器輪流工作。具體情況在本文不予以說(shuō)明了。
5 結(jié)論
采用過(guò)濾排氣再循環(huán)來(lái)控制氮氧化物的方法有如下優(yōu)點(diǎn):
1. 解決了因潤(rùn)滑油有再循環(huán)廢氣的微粒物而引起內(nèi)燃機(jī)的磨損問(wèn)題;
2. 達(dá)到了利用EGR 而控制氮氧化物的目的;
3. 有效地降低了微粒排放;
4. 由于部分除去排氣中硫酸鹽等進(jìn)氣管腐蝕問(wèn)題也得以減輕。
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