關于柴油機EGR 中的微粒過濾器應用
柴油發電機公司:

摘要:柴油機使用排氣再循環降低氮氧化物時,采取措施降低微粒排放是必要的,其中使用微粒過濾器是一種行之有效的方法。本文詳細闡述了有關微粒過濾器種類、再生方式以及相關的排氣再循環過濾系統模式。
關鍵詞:排氣再循環(EGR) ;微粒過濾器;排氣再循環過濾系統
1 　前言
　　隨著發動機的排放物對環境的污染日益嚴重,對于發動機的排放控制,越來越引起人們的關注。排放物的類型和數量因機型、燃油系統和運行條件而異。柴油機的排放物中HC、CO 的濃度比汽油機低得多,NOX 排放與汽油差不多,而微粒排放卻比汽油機高約30～70 倍。因此控制柴油機排放污染物的重點是降低柴油機NOX 排放及微粒排放。本文就利用EGR 降低NOX 時引起微粒排放增加的問題提出相關的解決措施。
2 　EGR 對柴油機性能的影響
　　排氣再循環就是將廢氣中的一部分引入燃燒室中,參與燃燒過程。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EGR 對新混合氣的稀釋,也相應的降低了氧的濃度,從而使NOX 在燃燒過程中生成量受到抑制。
2. 1 　EGR 對排放的影響
　　眾所周知, EGR (排氣再循環) 已經在降低NOX 上取得了很大的成功,它在降低NOX 排放的同時往往會使其他排放物增加,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,燃燒反應不完全,使未燃碳氫化合物、一氧化碳和微粒的排放增加,微粒增加尤其明顯,對于環境的危害更嚴重。微粒和氮氧化物的同時控制是一個急待解決的問題。
2. 2 　EGR 對潤滑油和發動機零部件的影響
　　再循環的排氣中包含的微粒物質進入氣缸后會粘附在氣缸壁表面的潤滑油油膜中,在發動機工作過程中,活塞環將這些微料物質刮入到曲軸箱中,使潤滑油中的不溶性物質增加,導致活塞環、氣門等零件的磨損,為此需要將回流排氣過濾,這對于安裝渦輪增壓器的柴油機尤為重要。如果安裝有渦輪增壓器的柴油機使用EGR 降低氮氧化物時,至少應除去EGR 氣體中99 %的微粒。
3 　微粒過濾器及其再生
　　為此設計了再循環排氣過濾系統來控制氮氧化物,該系統就是在排氣進入再循環線路之前(即進入氣缸之前) ,利用捕集器將它過濾,然后進行排氣再循環工作過程。
現在使用微粒對濾器有許多種,這些措施都沒有完全解決再循環排氣的微粒過內燃機,特別是安裝有渦輪增壓器的柴油機的損害。過濾再循環排氣系統在降低NOX 的同時要達到降低微粒目的,再循環排氣的過濾元件及其再生是關鍵。
3. 1 　過濾器的簡單介紹
　　微粒過濾器含有一個帶有微孔的獨立的過濾介質,來捕捉微粒。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制成過濾器,由于陶瓷能承受高溫并具有高的過濾效率,其成為主要的過濾介質。
　　過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械強度和較好的抗熱沖擊性,熱膨脹系數小,它的弱點是耐高溫能力不足,一般不超過1200 ℃ ,導熱系數小,在再生時,內部燃燒產生的熱量不易傳出,致使濾芯燒熔或燒裂。碳化硅是一種比較好的新型過濾材料,它和堇青石相比孔徑更均勻,并具有通流性好,過濾效率高,耐高溫(超過1600 ℃) ,通過性好等特點,堇青石和炭化硅的合成陶瓷是通用的過濾介質。
　　一般過濾器分為表面過濾型和深層過濾型。表面過濾型是碳煙沉積于過濾器表面,但當碳煙越來越厚時,過濾器的壓力降增加過快,它的過濾效率主要受材料中孔隙尺寸的影響,孔隙尺寸影響過濾器的捕集效率。而深層過濾型中被捕集的微粒聚積在過濾材料的體內,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提高微粒捕集的效率起重要作用,這種過濾器的濾芯是由陶瓷或金屬纖維制成,有較穩定的捕集效率和壓力降,但捕集效率過低,需要高的壓力降和厚的過濾器。
3. 2 　過濾器的再生
　　清除沉積在過濾材料上微粒的過程稱為過濾器的再生。發動機過濾系統設計真正的挑戰是過濾器的再生。過濾系統的再生可以持續發生也可以周期發生,收集的微粒通過氧化成氣體(理想狀態是二氧化碳) 而被移走,微粒過濾器的再生過程受到總積累的顆粒量、顆粒儲存密度及分布情況、排氣流速、過濾器向外傳熱情況和顆粒的活化反應能力等的影響。
(1) 高溫加熱再生
　　為了能在多種工況下使顆粒發生氧化反應變成二氧化碳氣體,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實現微粒過濾器的再生。
　　如果再生不充分,過濾器就會微粒負載過重,發動機背壓升高。在極端的情況下過濾器被阻塞發動機停止運轉。另一方面如果一個碳煙負載過高的過濾器突然暴露在高溫排氣中而開始再生,在反應中會放出大量的熱,引起濾芯熱應力和影響過濾器的穩定性。在極端的情況下過濾器會融化或濾芯破裂。
　　在內燃機正常工作條件下,內燃機的排氣溫度一般在200～500 ℃,而微粒的燃點一般在500- 600 ℃,依靠內燃機的排氣的溫度很難使過濾器再生。要使捕集器再生必須降低微粒的燃點或提高排氣溫度。通過在燃油、排氣中加添加劑或在過濾材料表面涂催化層可以降低微粒的燃點。這種方法也叫被動再生。通過提高排氣溫度等使捕集器再生的方法也叫主動再生。該方法主要有電熱器加熱補燃和燃燒器加熱補燃。電熱器加熱補燃系統是在捕集器的前面加裝一個電加熱器,當電加熱器通電時,使捕集器入口溫度超過微粒的燃燒溫度,通電一段時間,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。燃燒器加熱補燃系統與電加熱方式不同,捕集器的再生是由燃燒器所供應的高溫燃氣來完成。
(2) 高壓氣脈沖再生
　　陶瓷過濾器(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迫柴油機廢氣穿過微孔壁面(壁流整體式) ,是表面過濾型。其過濾效率可以達到99 %。它的再生方式為避免加熱再生的弊端(再生時因進入捕集器的氣體的溫度過高,超過了材料的允許極限,捕集器就會發生熔損或龜裂) ,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,就是給捕集器逆向一個或幾個高壓氣脈沖,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,燃燒掉,從而使捕集器再生,見圖1。
　　工作過程為:當壓力信號達到預定值時,ECU發出指令將電磁閥2 ,4 關閉,打開電磁閥5 將廢氣直接通向大氣。同時,利用脈沖指令控制電磁閥1 ,3 產生脈沖高壓氣流,反吹捕集器,使其再生。反吹下來的微粒進入電加熱器中燃燒掉。
 
4 　再循環排氣過濾系統幾種模式
4. 1 對氮氧化物控制要求嚴格,對微粒排放要求不嚴的機型,考慮到捕集器的負擔問題,因而只對其再循環排氣進行過濾。
　　在進行過濾再循環的過程中,電磁閥2 關閉,電磁閥1 打開,在吸氣泵的作用下,一部分(由EGR 率決定的) 排氣經過捕集器過濾后通過再循環線路進入進氣管,以參加新的工作過程。
　　當捕集器需要再生(再生的時間由實驗確定,就是說再生過程按照一定周期進行) 時,將電磁閥1 關閉,由CPU UNIT按照一定頻率來控制電磁閥2 的開閉數次,進而產生一個或數個高壓反沖氣體脈沖,將吸附或沉淀在捕集器上微粒沖掉,實現捕集器的再生。(注意在此間,EGR 停止) 然后將電磁閥2 關閉,將電磁閥1 開啟,重新進行EGR ,重復不斷進行。為了實現不間斷EGR 工作,可以實現雙捕集器輪流工作,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的控制重點,因而二者可以通過過濾排氣再循環系統模式同時加以控制。將捕集器直接安裝在排氣管路上,然后將一部分過濾過的廢氣作為回流氣體重新引入內燃機中。如圖3 所示。

　　當進行排氣再循環工作過程中,電磁閥1、5、4 關閉,電磁閥2、3、6 開啟。從柴油機中出來的廢直接進入捕集器中,經過過濾后,通過電磁閥門3 通向大氣,一部分的過濾后的廢氣在吸氣泵的作用下進入再循環線路回到柴油機的進氣管中,參加柴油機的新工作循環。
　　當捕集器需要再生(再生的時機有壓力信號決定,就是說當背壓達到預定數值) 時,將電磁閥1 開啟,電磁閥6 關閉,以便廢氣直接排到大氣。關閉2、3 由CPU UNIT 按照一定頻率來控制電磁閥4 的開閉數次,進而產生一個或數個高壓反沖氣體脈沖,將吸附或沉淀在捕集器上微粒沖掉,實現捕集器的再生。(注意在此間,EGR 停止) 然后將電磁閥1、4 關閉,將電磁閥2、3、6 開啟,重新進行EGR ,重復不斷進行。為了實現不間斷EGR 工作和不將所有廢氣都過濾,可以實現雙捕集器輪流工作。具體情況在本文不予以說明了。
5 　結論
　　采用過濾排氣再循環來控制氮氧化物的方法有如下優點:
1. 解決了因潤滑油有再循環廢氣的微粒物而引起內燃機的磨損問題;
2. 達到了利用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氣管腐蝕問題也得以減輕。

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