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1、青青衣衣柴油机单元块旋转式过滤体DPF微波再生研究青青衣衣 微粒微粒(PM)是柴油机主要的排放污染物是柴油机主要的排放污染物,随着柴油车随着柴油车日益广泛的应用和柴油车排放标准的日益严格日益广泛的应用和柴油车排放标准的日益严格,仅靠机仅靠机内净化技术已不能满足日趋严格的排放法规内净化技术已不能满足日趋严格的排放法规,必须同时必须同时采用后处理装置。微粒集器采用后处理装置。微粒集器(DPF)是解决柴油机排放是解决柴油机排放PM污染最有效和最具有发展前景的后处理技术污染最有效和最具有发展前景的后处理技术,在在DPF技术研究中技术研究中,过滤体的再生是其关键技术。微粒捕过滤体的再生是其关键技术。微粒
2、捕集器过滤体的再生技术是限制微粒捕集器广泛使用的集器过滤体的再生技术是限制微粒捕集器广泛使用的瓶颈瓶颈,微波再生方式利用了陶瓷材料过滤体对微波的吸微波再生方式利用了陶瓷材料过滤体对微波的吸收能力较差收能力较差,微粒对微波的吸收能力很强的特点来对微微粒对微波的吸收能力很强的特点来对微粒捕集器进行再生。粒捕集器进行再生。青青衣衣 采用微波对采用微波对DPFDPF进行加热时进行加热时, ,微粒是主要的被加热对微粒是主要的被加热对象象, ,微波加热再生具有能提高能量利用率、延长过滤体微波加热再生具有能提高能量利用率、延长过滤体寿命、提高再生效率且加热均匀等优点。但由于微波功寿命、提高再生效率且加热均匀
3、等优点。但由于微波功率源即实用车载电瓶的问题率源即实用车载电瓶的问题, ,使得这一再生技术实施的使得这一再生技术实施的难度极大。针对微波再生的这一技术瓶颈难度极大。针对微波再生的这一技术瓶颈, ,改变传统微改变传统微波再生方式中对过滤体进行整体加热的方法波再生方式中对过滤体进行整体加热的方法, ,提出过滤提出过滤体的单元化设计以及旋转式再生方案体的单元化设计以及旋转式再生方案, ,以减小过滤体再以减小过滤体再生加热时的体积生加热时的体积, ,降低微波源的消耗功率降低微波源的消耗功率, ,实现一般车载实现一般车载电源可直接使用。本文对这一方案所提出的微粒捕集器电源可直接使用。本文对这一方案所提出
4、的微粒捕集器的工作过程及过滤机理进行阐述的工作过程及过滤机理进行阐述, ,对其主要性能指标进对其主要性能指标进行研究。行研究。青青衣衣一、单元块旋转式过滤体DPF的结构及原理 青青衣衣 微波再生过程中过滤体内部空间存在很强的电磁场,利用热电偶测量过滤体温度不仅会影响电磁场的空间分布和加热再生效果,还会影响热电偶测温的准确性;另外,微波再生具有加热均匀的特点,且外圆面气流出口面,加热再生时温度极高。为此采用抗微波红外测温探头对再生过程中过滤体表面不同点的温度进行测定,测试位置分布如图所示,测试值取三者最大值。过滤体温度测试点位置过滤体温度测试点位置青青衣衣二、试验装置与方法 柴油机微粒捕集器的性
5、能指标主要有过滤体的捕集效率、再生效率和整个微粒捕集器的气流阻力特性等,而捕集效率主要与过滤体采用的材料有关,本文提出的微粒捕集器过滤为泡沫陶瓷材料制成的通流式过滤体。 为了验证单元块旋转式过滤体微粒捕集器的可行性及性能,进行了试验验证。试验系统如图 1.柴油机柴油机2.气阀气阀3.压力计压力计4.烟度仪烟度仪5.排气口排气口6.捕集捕集器器7.步进电动机步进电动机8.步进电动机控制器步进电动机控制器9.整流器整流器10.变压变压器器11.电源电源12.发动机控制器发动机控制器13.微波源微波源14.温度仪温度仪青青衣衣 再生试验过程中再生试验过程中, ,过滤体单元依次进入再生腔过滤体单元依次
6、进入再生腔, ,保持静止并被加保持静止并被加热一定时间后热一定时间后, ,步进电动机在电机控制器的控制下旋转步进电动机在电机控制器的控制下旋转4545, ,进行下进行下一个过滤体单元块的加热一个过滤体单元块的加热, ,单个单元块的加热时间由本文中的分析单个单元块的加热时间由本文中的分析结果确定。试验时结果确定。试验时, ,不同发动机转速与负荷采用同样的再生方法不同发动机转速与负荷采用同样的再生方法, ,但但不同转速及负荷下的排气气流特征不同不同转速及负荷下的排气气流特征不同, ,排气气流速度、温度等特排气气流速度、温度等特征对加热再生会有重要影响。征对加热再生会有重要影响。青青衣衣三、试验结果
7、与分析 为了评价旋转式过滤体微粒捕集器的阻力特性,将单元块旋转式结构的捕集器与传统整体式结构的微粒捕集器进行比较。试验中采用的整体式碳化硅陶瓷过滤体,尺寸为144mm205mm圆柱形过滤体,体积约为3.34 L,物性参数与单元块旋转式过滤体一致。31过滤体阻力特性分析过滤体阻力特性分析传统整体式过滤体DPF青青衣衣单元块旋转式过滤体与整体式过滤体单元块旋转式过滤体与整体式过滤体DPFDPF不同工况下的背压变化不同工况下的背压变化(a) 50%(a) 50%负荷负荷, 1 200 r/min, 1 200 r/min(b) 50%(b) 50%负荷负荷, 1 600 r/min, 1 600 r
8、/min(c) 75%(c) 75%负荷负荷, 1 600 r/min, 1 600 r/min（b）青青衣衣 可见两种不同结构的过滤体排气背压值保持着一定的差值可见两种不同结构的过滤体排气背压值保持着一定的差值,整体式过滤体的整体式过滤体的排气背压要高于单元块旋转式过滤体的排气背压排气背压要高于单元块旋转式过滤体的排气背压;随着发动机转速和负荷的增加随着发动机转速和负荷的增加,背压均增大。整体式过滤体较快的排气背压上升速率说明其再生频率相比于单背压均增大。整体式过滤体较快的排气背压上升速率说明其再生频率相比于单元块旋转式过滤体会更高元块旋转式过滤体会更高,从而对微粒捕集器的寿命和再生能量利用
9、造成不利影从而对微粒捕集器的寿命和再生能量利用造成不利影响。造成以上现象的原因是传统整体式过滤体微粒捕集器采用轴向过滤响。造成以上现象的原因是传统整体式过滤体微粒捕集器采用轴向过滤,气流通气流通过的有效过滤面积小过的有效过滤面积小,过滤阻力大过滤阻力大,而单元块旋转式过滤体过滤面为其内侧弧形而单元块旋转式过滤体过滤面为其内侧弧形面面,气流作径向流动。在过滤体总体积相同的情况下气流作径向流动。在过滤体总体积相同的情况下,单元块旋转式过滤体过滤单元块旋转式过滤体过滤面积大面积大,排气阻力减小排气阻力减小,排气背压上升速率减小。排气背压上升速率减小。青青衣衣32 过滤体微粒捕集特性分析 计算微粒捕集
10、器的捕集效率,采用AVL烟度计对微粒捕集器过滤体前后的烟度进行测量,捕集效率为式中Ga、Gb过滤前、后的烟度青青衣衣 图中给出了同体积的整体式过滤图中给出了同体积的整体式过滤体和单元块旋转式过滤体的微粒捕集体和单元块旋转式过滤体的微粒捕集效率在效率在50%50%负荷下随转速变化的情况负荷下随转速变化的情况青青衣衣 在发动机低速工况下在发动机低速工况下, ,微粒在两种过滤体内都能被较高效率微粒在两种过滤体内都能被较高效率地捕集地捕集, ,由于整体式过滤体轴向尺寸更长由于整体式过滤体轴向尺寸更长, ,显然微粒滞留时间也显然微粒滞留时间也更长更长, ,有利于微粒的扩散捕集有利于微粒的扩散捕集, ,因
11、此整体式过滤体捕集效率略高。因此整体式过滤体捕集效率略高。在发动机高速工况下在发动机高速工况下, ,当排气气流的速度超过一定值后当排气气流的速度超过一定值后, ,由于单由于单元块旋转式过滤体的有效过滤面积远大于整体式过滤体的元块旋转式过滤体的有效过滤面积远大于整体式过滤体的, ,对对高速工况下的排气气流具有较大的减速作用高速工况下的排气气流具有较大的减速作用, ,高速气流进入单高速气流进入单元块旋转式过滤体捕集器后元块旋转式过滤体捕集器后, ,流速减低流速减低, ,对扩散捕集效率影响小对扩散捕集效率影响小, ,因而在高速工况时其捕集效率高于整体式过滤体。因而在高速工况时其捕集效率高于整体式过滤
12、体。青青衣衣四、过滤体微波再生分析 微粒捕集器再生试验时,柴油机的工况稳定在转速1500 r/min、负荷50%下,排气流量21 kg/h,排气温度为573 K,柴油机废气中的氧含量在不同负荷下为8% 15%,负荷越高,含量越低,当废气中含氧量在10%以上时能保证微粒充分燃烧。每个过滤单元块须在有隔板的再生腔中停留一定时间后由步进电动机旋转45,带动下一块过滤单元块进入再生腔加热,过滤单元块一次加热时间是影响微粒捕集器整体再生效率和能量消耗的重要因素。再生效率或再生质量由再生前、后过滤体中微粒沉积质量来评价。过滤体能否良好再生,是整个DPF正常使用的关键。通常用再生效率来评价过滤体再生性能,过
13、滤体再生效率为式中m1、m2再生前、后过滤体内捕集PM质量41再生时间分析再生时间分析青青衣衣 由于柴油机运行过程中,m1和m2不能直接测量,而柴油机排气微粒过滤器其再生前、后微粒质量会直接影响到排气管的排气背压,随着微粒沉积量的增加,排气管的排气背压会逐渐上升,因而评估DPF工作时的再生效率,可通过检测过滤体工作时的背压变化,间接地获得过滤体吸附和沉积的排气微粒的量,过滤体再生效率为式中p1、p2、p0再生前、再生后与洁净过滤体的排气背压再生效率随过滤单元块再生时间的变化曲线青青衣衣4 42 2过滤体初始温度的影响过滤体初始温度的影响(A)过滤体初始温度对过滤壁面峰值温度变化历程的影响(B)
14、过滤体初始温度对再生效率变化历程的影响青青衣衣 综上可知综上可知, ,当过滤体初始温度过低时当过滤体初始温度过低时, ,尤其是冷却后尤其是冷却后, ,由于微粒吸附柴油机排气中冷凝的水蒸气由于微粒吸附柴油机排气中冷凝的水蒸气, ,再生缓慢再生缓慢, ,再生再生效率低效率低, ,这对微波源以及车载电源的容量的要求更严。相这对微波源以及车载电源的容量的要求更严。相反反, ,过滤体初始温度越高过滤体初始温度越高, ,则再生越容易则再生越容易( (即预热时间短即预热时间短) )、再生速率越快、再生效率越高再生速率越快、再生效率越高, ,而且车载电源消耗的能量而且车载电源消耗的能量越少。尤其是当过滤体初始
15、温度超过越少。尤其是当过滤体初始温度超过500 K500 K时时, ,进一步提高进一步提高初始温度还可以降低过滤体峰值温度。因此初始温度还可以降低过滤体峰值温度。因此, ,从优化微波从优化微波再生过程的角度出发再生过程的角度出发, ,应尽量将过滤体初始温度保持在应尽量将过滤体初始温度保持在500K500K以上。在实际应用过程中以上。在实际应用过程中, ,可通过在排气管外加装隔可通过在排气管外加装隔热罩、在微粒捕集器外壳包裹石棉砂布等方法来保证过滤热罩、在微粒捕集器外壳包裹石棉砂布等方法来保证过滤体有较高的初始温度体有较高的初始温度青青衣衣五、结论(1)将微粒捕集器过滤体分割成单元块,气流从轴向
16、通入后从侧面流出实现径向过滤,在过滤体体积相同的情况下,径向过滤的过滤面积比横向过滤高,因此其排气背压与过滤阻力小,有利于发动机性能的提高。(2)发动机低速度与低负荷工况时,单元块旋转式过滤体排气阻力上升速率与整体式过滤体相当;高速与高负荷工况下,传统整体式过滤体排气阻力上升速率更大;单元块旋转式过滤体排气阻力小于整体式过滤体。(3)发动机低速工况时,单元块旋转式过滤体的捕集效率略低于整体式的捕集效率,高速工况时前者高于后者;两者捕集效率都随发动机转速增加而降低,整体式过滤体下降速率更快。(4)单元块旋转式微粒捕集器能实现分时段加热再生,可有效解决车载电瓶电量不足的技术瓶颈,加热38min时,单个过滤块再生效率达80%以上。(5)过滤体初始温度越高,则再生越容易进行、且再生速率快、再生效率高,车载电源消耗的能量少。尤其是当过滤体初始温度超过500K时,进一步提高初始温度还可以降低过滤体峰值温度。
