柴油机微粒捕集器再生技术的分析和研究.docx

性能与净化柴油机微粒捕集器再生技术的分析和研究李忠华, 杜传进( 武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉 430070)摘 要: 柴油机微粒捕集器技术是柴油机微粒排放控制的有效手段, 其关键技术是过滤材料和再生方法。详细介绍了几种过滤材料和不同的再生技术, 指出了各种技术的特点和主要问题。 关键词: 柴油机; 微粒捕集器; 过滤材料; 再生技术中图分类号: TK421+.5文献标识码: A文章编号: 1001-4357( 2006) 06-0022-04The Ana lys is a nd S tudy of the Re ge ne ra tionTe chnology for Die s e l P a rticula te Filte rLI Zhonghua , DU Chua njin(School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, HubeiWuhan430070)Abs tra ct: The technology of diesel particulates filter (DPF) is the most effective technology to realize diesel exhaust partic-ulates emission control. The filter material and regeneration are the key technologies for diesel particulate filter. Some filter materials and several different kinds of regeneration technology are introduced. Their characteristics and main problems are analyzed and studied comparatively.Ke ywords : diesel engine; diesel particulate filter; filter material; regeneration technology引言度等因素影响。随着工作时间的增长, 过滤体内堆积的微粒增多, 发动机的背压将上升, 影响柴 油机的正常工作, 须用燃烧等方法将这些微粒除 去, 即过滤体的再生。DPF 的关键技术是过滤材 料及其再生方法的选择。1柴油机由于有较高的压缩比、稀混合气燃烧以及无进气节流损失等因素, 具有油耗低、功率 高、排放低等特点, 其燃油经济性明显好于汽油 机, 是今后车用发动机的一个主要发展方向。然2过滤材料过滤材料的结构与性能对整个微粒捕集系统而,柴油机的微粒(PM) 排放量却是汽油机的几十倍甚至更多, 给人类健康和环境带来巨大的危害,因此迫切需要控制柴油机的微粒排放1。柴油机微粒排放的控制分为机内控制和机外 控制。机内控制主要采用以下一些措施来改善柴 油在燃烧室内的燃烧状况, 以达到控制微粒排放 的目的。这些措施包括: 提高柴油喷射压力、改 善燃烧室的形状使燃油能充分地混合、减少机油 的用量、增大喷油提前角、增加点火延迟期内燃 油的喷射量、采用含硫量少的燃料。机外控制一 般指在柴油机排气管上安装微粒捕集器( DPF) 和 催化转化器来减少微粒的排放。的性能, 如压力降、过滤效率、强度、传热和传质特性等有很大的影响。DPF 对过滤材料的要求 是: 高的微粒过滤效率、低的排气阻力、高的机 械强度和抗振动性能, 并且还须具备抗高温氧化 性的耐热冲击性与耐腐蚀性。其中高的过滤效率 与低的排气阻力相互矛盾, 选择材料时要综合考 虑这两方面的性能。国外在过滤材料上的研究已 经 取 得 较 大 的 突 破 , 出 现 了 一 些 商 品 化 的 产 品 。 目前国内外研究和应用的过滤材料有陶瓷基、金 属基和复合基三大类2。微粒捕集器(DPF)过滤技术的机理主要有:2.1陶瓷基过滤材料目 前 研 究 和 应 用 最 多 的 是 陶 瓷 基 过 滤 材 料 ,排气通过时微粒经过扩散、截流、惯性碰撞、重力沉降等原理被过滤体捕集。捕集效率主要受到 微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速、气流温它们通常由氧化物或碳化物组成, 具有多孔结构,在 700以上能保持热稳定, 比表面积大于 1m2/g,收修改稿日期: 2006-04-30作者简介: 李忠华(1982-) , 男, 硕士, 主要研究方向为发动机排放控制技术。 23 2006 年 11 月李忠华等: 柴油机微粒捕集器再生技术的分析和研究主要结构包括蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纤维毡。蜂窝陶瓷常用热膨胀系数低、造价低廉的堇青石 制成, 这种材料开发最早, 使用最广, 有壁流式、 泡沫式等多种结构。目前在 DPF 过滤体研究和使 用 较 多 的 是 壁 流 式 蜂 窝 陶 瓷 。 它 具 有 多 孔 结 构 , 相邻两个通道中, 一个通道进口被堵住, 而另一 通道的出口被堵住, 为保证其机械强度和耐热强 度, 孔道密度一般约为 16 孔 /cm2, 孔道截面约为2mm 2mm, 壁 厚 约 为 0.4 mm, 这 种 结 构 迫 使 排 气由入口敞开的通道进入, 穿过多孔的陶瓷壁面进入相邻的出口敞开通道, 而微粒就被过滤在通道壁面上, 这种 DPF 对微粒的过滤效率可达 90% 以上, 可溶性有机成分 SOF 也能被部分捕集。近 年来在制造技术上取得明显的突破, 蜂窝陶瓷壁 厚减薄, 开口横截面积增大, 从而降低了背压损 失 , 扩 大 了 使 用 范 围 。 目 前 应 用 最 广 的 美 国 Corning 公司和日本 NGK 公司生产的 DPF 采用的 就是壁流式蜂窝陶瓷。但这种滤芯受温度影响较 大, 排气温度较低时沉积在壁面的 HC 成分将在排 温升高时重新挥发出来, 并排向大气; 发动机工 作的热循环引起过滤体尺寸的交替振动, 会导致 过滤材料的持续退化; 若采用热再生, 导热系数 小的堇青石容易因受热不均而局部烧融或破裂。泡沫陶瓷是将浸渍堇青石陶瓷浆体的聚氨酯 泡沫塑料半成品经过高温锻烧, 塑料气化逸出得 到的陶瓷骨架。与蜂窝陶瓷相比, 泡沫陶瓷可塑 性大大增强, 孔隙率大(80%90%)且孔洞曲折, 材 料的热膨胀系数各向同性, 具有更好的热稳定性, 但捕集效率较低(50%左右), 烟灰吹除困难。陶瓷纤维材料不受固定尺寸的限制, 过滤体的孔形状和孔分布有广泛的选择余地, 通过改变 各种设计参数可使应用达到优化。陶瓷纤维毡具 有高度表面积化的特点, 过滤体内纤维表面全是 有效过滤面积, 过滤效率可高达 95% 。但陶瓷纤合金, 合金表面结构牢固。如一种 -Al2O3 可在800的高温下静置 200h 基本不受侵蚀。这种泡沫 合金具有高的热导率, 可兼作热再生装置的辐射加热器, 热度分布均匀, 再生时过滤体不会开裂 与熔化。泡沫合金的主要优点包括: 具有大孔径 和薄骨架结构, 泡沫合金表面容易被熔融铝液浸 透并覆盖, 退火处理后得到保护层; 由于合金骨 架的机械强度高, 可大大改善过滤材料的耐振性 能; 应用粉末冶金技术制造泡沫合金, 可以降低 生产成本。金属纤维毡与陶瓷纤维毡过滤材料相比, 具 有强度高、使用寿命长、容尘量高等特点; 与金 属丝网过滤材料相比, 具有过滤精度高, 透气性 好, 比表面大和毛细管功能等特点, 尤其适于高 温、有腐蚀介质等恶劣条件下的过滤, 因此是一 种很有前途的柴油机微粒过滤材料。2.3复合基过滤材料陶瓷基过滤材料和金属基过滤材料都有不可避免的缺陷, 因此开始考虑复合基增强过滤材料,目前研究与应用主要集中在纤维毡结构上。为了 解决在再生过程中燃烧引起的局部过热导致过滤 材 料 熔 融 破 裂 或 残 留 烟 灰 粘 附 在 过 滤 材 料 上 使 DPF 失效的问题, NHK Spring 公司发明了一种新 型过滤材料, 这种过滤体的单元由叠层金属纤维 毡 和 氧 化 铝 纤 维 毡 组 成 。 金 属 纤 维 毡 材 料 是 Fe-18C-3A1, 最高耐热温度 1100, 氧 化 铝 纤 维毡材料是 70A12O3-30SiO2, 最高耐热温度 1400。 从排气进口到出口, 叠层纤维毡的密度越来越细,保 证 了 微 粒 的 均 匀 捕 获 , 过 滤 效 率 可 达 到 80%90%, 同时能起到消声器的作用。再生技术当排气背压超过一定值后, 柴油机性能开始 恶化, 因此需要定期清除沉积在过滤体中的微粒, 使排气背压降至原有水平, 这就是过滤体的再生。 微粒捕捉器的捕集效果已不再是技术难题。相对 过滤体材料而言, 捕集器再生技术有些滞后, 至 今仍未研究出简单可靠的再生技术。因此, 微粒 捕集器实用化的技术关键是过滤体的再生技术。根据再生原理不同可分为主动再生和被动再 生。主动再生是利用外加能源使排气温度达到微3维是一种脆性的耐高温材料,易损坏。2.2金属基过滤材料生产工艺较复杂且金属在材料的强度、韧性、导热性等方面有陶瓷无法比拟的优势。目前研究较多的是泡沫合 金和金属纤维毡。泡 沫 合 金 是 一 种 具 有 三 维 网 络 骨 架 的 材 料 , 日本住友电工公司将泡沫合金用于制备微粒过滤 体已有数年, 曾采用泡沫镍作为过滤材料, 但镍 的抗蚀性差, 为改善其在高温环境和含硫气氛中 的抗蚀性, 采用耐热耐蚀的镍铬铝和铁铬铝高温粒的着火温度(500600)而进行再生。被动再生是利用燃油添加剂或催化剂等降低微粒的着火温度, 使微粒在正常的柴油机排气温度下燃烧进 行再生。目前, 主动再生方法主要有燃油助燃再 24 柴 油 机第 28 卷第 6 期生、电加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生、红 外 加 热 再 生 等 。 被 动 再 生 有 燃 油 添 加 剂 再 生 、 连续再生、催化剂辅助再生等。3.1主动再生系统( 1) 燃气再生。燃气再生技术是在发动机排 气不旁通的情况下, 将燃气通入排气中, 直接利 用排气中剩余的氧气和燃气混合燃烧, 对沉积在 过滤体中的微粒进行加热, 达到着火温度燃烧实 现再生3( 见图 1) 。避免了过滤体再生时旁通排气 造成的污染。这种再生方式与催化再生相比, 适 合在高硫条件下使用, 符合我国燃油含硫量较高 的国情, 同时, 由于采用气体燃料, 与排气同为 气相, 容易形成均匀的混和气, 加热再生时燃烧 比较充分。计算得出排气中的氧气完全满足各工 况下燃气燃烧需要。试验研究发现, 燃气流量具 有较大的范围, 其再生效率基本不变, 可达 80% 以上。过滤体内的微粒沉积量对再生效果没有显 著的影响, 在较小的微粒沉积量下, 燃气再生仍 可以进行, 即再生时机的选择范围较大。再生时 间与再生效率、燃气流量以及过滤体微粒沉积情 况密切相关, 随着再生时间的增加, 排气背压下 降, 而过滤体温度升高。需要根据各种因素, 选 取合理的再生时间。由于气流速度大, 火焰难以 形成, 容易熄灭。这样进入的燃气会造成更大的 污染。再生时间控制不当, 会导致过滤体的烧坏。 燃油喷气再生由于可靠性、安全性相对较差, 逐 渐被其它方法所取代。滤器的再生。其难点主要有: 首先要消耗大量的电能, 增加了油耗和蓄电池的负担, 其次再生过 程影响因素较多, 系统稳定性差。因此需要对电 器元件的选择和绕制、电阻丝的布置方案、再生 顺序、通电加热时机、微粒积存量的多少、过滤 器温度等方面进行考虑和研究。2J14AS1S213J21- 发动机J1- 调节阀2- 电加热控制系统 3- 空气压缩机 4- 过滤器J2- 旁通阀图 2S1- 电阻丝 S2- 热电偶 A- 补气孔电加热再生系统6mm调节阀图 3旁通阀补气节流阀门( 3)逆向喷气反吹再生。逆向喷气反吹再生是利用压缩空气与过滤时气流流动反相来清洁过滤体5 (图4) 。它将过滤体的再生和微粒的燃烧分开, 避免微粒在过滤体中燃烧, 使过滤体的使用寿命和可靠性得到保证; 另外再生时间短, 不可燃物 质不会在过滤体内积存。逆向喷气再生要解决的关 键技术是: 进一步减少喷气再生时压缩空气的消 耗量; 开发针对喷气再生的专用微粒过滤材料和 过滤体结构型式; 优化气路设计; 微粒的二次 收集与燃烧; 再生控制。(2)电加热再生。电加热再生是利用置于过点火燃烧室 燃气 火花塞 燃气燃气过滤体排气主燃烧室图 1 燃气加热再生系统大气电磁阀燃烧器控制单元滤体前部的电阻丝点燃其周围的微粒, 再靠这部压力开关3分微粒燃烧的能量引燃其余的微粒, 实现再生414排气( 图 2) 。 由 于 车 用 24V 蓄 电 池 受 电 功 率 的 限 制 ,目 前 采 用 分 区 布 置 再 生 , 试 验 已 证 明 其 可 行 性 。 影响电加热再生效果的主要因素有再生时机、再 生废气量、加热器结构和功率、再生策略等因素。 再生方法中补气节流再生是成熟的再生方法, 它 利用两个蝶形阀( 图 3) , 再生开始时, 旁通阀完 全打开, 调节阀完全关闭, 补充空气利用调节阀 上的小孔通入部分排气, 直至再生结束, 补气节 流再生可在不同转速和负荷任意工况下, 实现过储气罐25燃烧器图 4逆向吹气再生系统( 4)微波加热再生。在微波加热再生系统中,微 粒 能 以 60% 70% 的 能 量 效 率 吸 收 频 率 为210GHz 的微波。因陶瓷的损耗系数很低, 对微波 来 说 实 际 上 是 透 明 的 , 所 以 微 波 不 会 加 热 陶 瓷 , 25 2006 年 11 月李忠华等: 柴油机微粒捕集器再生技术的分析和研究DPF 的金属壳体会约束微波, 防止微波外逸并把它反射回滤芯。微波加热再生利用微波独具的选 择加热及体积加热特性, 在过滤体内部形成空间 分布的热源, 使微粒就地吸热、着火、燃烧。试 验表明, 再生过程中过滤体内部温度梯度小, 热 应力引起的过滤体损坏的可能性减小, 再生窗口 宽, 过程易于控制。微波再生效率高, 没有二次 污染, 是目前研究较多的一种再生技术。可 靠 性 。 研 究 重 点 在 于 寻 找 更 为 有 效 的 催 化 剂 ,以使 PM 在尽可能低的温度下起燃, 并能同时兼 顾其他有害气体的排放。该类技术要求燃油中硫 的质量含量一般在 15010-6 以下, 目前被动再生 主要有以下几种方式:( 1) 催化剂涂层再生。在微粒捕集器进口通 道的表面涂一层带有金属元素的微粒氧化催化涂 层, 可以降低微粒的自燃温度。但在这种方法中, 若微粒和活性金属的接触程度不够, 微粒自燃温 度的降低效果就不显著。一般可降到 450左右, 仍不能保证微粒捕集器再生放热正常进行。( 2) 排气添加剂。在排气中加入添加剂, 以 降低微粒捕集器再生温度的方法在重型汽车中有(5)外加热再生。红外加热再生首先由加热器加热具有较强辐射能力的红外涂层, 然后由红外 涂 层 通 过 辐 射 方 式 加 热 过 滤 器 中 捕 集 的 微 粒 , 它兼具有电加热结构简单和加热高效能的优点6。 试 验 发 现 : 过 滤 器 再 生 分 为 加 热 和 燃 烧 两 阶 段 , 径向燃烧不同步, 存在温度梯度。再生气流对再 生过程有很大的影响, 再生气流的氧浓度对燃烧 的影响和气流流动对热量传输的影响很大。大连 理工大学高希彦等人6的试验研究发现, 柴油机微 粒陶瓷过滤器红外再生方法的主要影响因素有再 生用废气量、加热器的功率及结构和再生策略等。 再生废气量从两方面影响再生: 一方面, 废气提 供微粒再生时所需的氧气, 氧气充足时再生速度 快, 氧气缺乏时不仅再生速度慢, 而且容易生产 大量 CO; 另一方面, 废气将产生的热量带走, 从 而影响再生的最高温度。加热器功率也从两方面 影响再生: 首先, 它决定着陶瓷体加热到微粒着 火 温 度 的 时 间 ; 其 次 , 当 废 气 从 加 热 器 流 过 时 , 会受到加热器的加热。因此, 加热器功率在一定 程度上影响再生废气的温度, 从而间接影响了最 高再生温度, 并在一定程度上限制了废气量的变 化范围。再生过程中所用废气量的变化决定了过 滤器不同部位再生过程中氧气供给速率和废气带 走热量的速率, 从而影响再生过程中过滤器内最 高温度出现的位置。红外加热再生比微波再生等加热再生技术具 有结构简单、成本低和再生可靠的优点。红外加 热 器 的 结 构 和 材 料 可 以 进 一 步 改 进 以 提 高 能 效 , 降低功率消耗, 可以利用车用功率完成再生。3.2被动再生系统被 动 再 生 是 是 利 用 化 学 催 化 的 方 法 降 低 PM 的反应活化能, 使 PM 在柴油机正常排气温度下燃 烧以实现再生。一些催化剂可以降低 PM 的起始所 应 用 。 所 用 的 添 加 剂 中 含 有 HC,且 消 耗 量 很大, 实际上, 它是一种附加能源的方法。还有一种排气添加剂的方法是连续再生( CRT) , 是在微 粒捕集器前增加一个特殊的氧化催化剂器。利用 涂覆贵金属的氧化催化转化器的性质, 可将排气 的 NO 转化为 NO2, 这种化学活性很大的 NO2 能使 微 粒 捕 集 器 中 的 微 粒 在 200的 排 气 温 度 下 点燃。缺点是需要采用无硫的柴油, 而且在 400以 上的排气温度条件下, 化学平衡趋于 NO , 不能 产 生 NO2, 也 就 不 能 点 燃 微 粒 捕 集 器 中 的 微 粒 ,即在这个温度以上, 这个系统将失效。( 3) 燃油添加剂再生。在燃油中加入添加剂, 添 加 剂 中 的 活 性 金 属 在 气 缸 内 和 微 粒 紧 密 结 合 , 可将微粒的自燃温度降到 200以下, 柴油中的硫 对催化剂有毒害作用, 采用贵金属型柴油添加剂 的实质是不断补充排气系统中的催化剂使得排气 连续得以净化7。试验研究发现, 柴油添加剂配比 对于微粒再生有显著影响, 添加剂配比越浓, 催 化剂在过滤器上附着量加多, 再生时间间隔减少, 排气阻力减少。柴油添加剂配比一定时, 发动机 排气温度提高, 再生时间缩短, 但排气阻力有所 增大。其主要问题是: 再生时机难以控制, 容易 造成捕集器的过热损坏; 添加剂过多会造成捕集 器的慢性堵塞; 在涡轮增压柴油机中应用效果较 差。结论4微粒捕集器技术被认为是彻底减少柴油发动机微粒排放的最有效方法, 许多类型的微粒捕集 器净化效率达 99% 。当前面临最大的挑战是再生 技术, 虽然目前再生方法很多, 但每种再生方法 ( 下转第 32 页)200300) , 只要排气达到一定温度,着火温度(就可以利用排气能量进行再生。采用这种方式过滤体受到的热负荷较小, 提高了过滤体的寿命和 32 柴 油 机第 28 卷第 6 期表 3R4102 柴油发动机有关部件强度检验作用下被压入环槽,部的压力差别很大,故在第一活塞环槽顶部和底所以它的弯曲应力和剪切应力都很大, 作用在活塞顶部的膨胀压力可直接影响这两种应力, 分别计算起动和额定工况下第一 活塞环底部的弯曲应力、剪切应力和总应力, 结果在表 3 中给出,定工况。表明起动工况时的应力大于额4) 起动工况对其它部件的影响除以上分析外, 还要考虑曲轴的强度和主轴 承的磨损。刚一起动时, 发动机润滑情况并不好, 在低速和高冲击载荷下磨损很严重, 所以在轴承 的设计中也应考虑到起动敲缸的影响。结论4从以上试验结果可看出, D.L 型柴油发动机在起动时, 第一次循环的最高燃烧压力非常高, 比 额定工况时要高出 15% , 会影响发动机主要部件 的强度, 而且轴承磨损也很严重, 在设计中应考 虑到这些因素。提高起动性能, 降低起动时气缸 压力对发动机平稳性和延长使用寿命有着重要意 义。参考文献1 Huang Yiliang et al. An Investigation on Transient RotationalSpeed of Internal Combustion EngineC. SAE paper 911821,1991.2 Zhang Limei et al. Development of the Multifunction Analyzer for IC EngineC. Transactions of CSICE ,1991,(9)2:163168.3 Steven g .el al.A Photography Study of Cold Start Characteristic of a Spark Assisted Diesel Engine Operating on Broad Cut Diesel FuelC. SAE Paper 871674.4 杨 连 生. 内 燃 机 设 计M. 北 京 : 中 国 农 业 机 械 出 版 社 ,1980.2) 活塞销和活塞销孔的刚度和强度检验工作时活塞顶部气体压力通过活塞销孔作用 在活塞销上, 气体压力影响着活塞销的强度和刚 度。分别计算活塞销在起动时和额定工况两种情 况下的应力, 结果表明, 起动工况时的弯曲应力 要比额定工况时大。3)第一活塞环强度检验在做功冲程开始时, 第一活塞环在膨胀压力( 上接第 25 页)都 有 自 己 的 优 缺 点 : 催 化 再 生 时 过 滤 体