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、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。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。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。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mgo,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。
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。
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)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。
过滤器再生的原理是使颗粒发生氧化反应变成co2气体随尾气一起排入大气。能否进行再生主要取决于以下三个方面:
1)温度是否大于开始着火燃烧的最低温度。
2)氧浓度是否大于2%。
3)是否有足够的反应时间。
柴油机在高速、大负荷运转时,排气温度可以达到600℃以上,过滤器的颗粒能较快地氧化燃烧;而在部分负荷、小负荷时,由于温度低,不能进行颗粒过滤器的再生。为了能在多种工况下使颗粒物发生氧化反应变成co2气体,一般采用降低颗粒开始着火燃烧的最低温度或提高排气温度的方法。
1)在滤芯材料表面涂催化剂(如铂、钯、铜、铅及锰等金属化合物)。但这种方法只有与催化剂表面接触的颗粒,才能在较低温度下进行催化燃烧。
2)在燃油中加入催化剂。其中一种方法是预先调制成混合燃料,另一种是边混合边使用。
在排量为4.3l柴油机上的试验表明,柴油中加入不同金属化合物催化剂,能使整体式多孔陶瓷过滤器的颗粒物发生催化燃烧的最低温度(也称点燃温度)明显降低。如未加催化剂时颗粒点燃温度600～700℃,当分别加入0.13g/l的铜、铅、锰时,颗粒点燃温度分别为400～450℃,450～500℃,500～550℃[1]。
1)采用进气节流、排气节流、推迟喷油时间、加热进气等方法提高排气温度,但这些方法都会产生燃油消耗增加等新问题。
2)设置燃烧器。在过滤器入口前,设置一燃烧器,用喷油器向燃烧器喷入少量燃油,利用排气的氧或另外供给燃烧器的二次空气,用火花塞或电热塞点燃燃油,产生高温燃气,点燃过滤器中的颗粒。一般经过1～2min后,即可完成再生过程。
1)带电加热器的颗粒过滤装置
这种装置的特点是对收集在过滤器内的颗粒采用从过滤器出口侧到入口侧进行燃烧的逆向再生方式。
如图2[1]所示,该装置由一个过滤器和排气旁通管组成。其工作过程是:根据发动机负荷和转速判断发动机是否处于怠速工况,如果处于怠速工况,再判断过滤器压降是否大于设定值,如果条件成立,即进行再生处理。过滤器捕集到的颗粒量不同,发动机怠速连续运转时的压差不同。当捕集的颗粒达到一定量后,过滤装置控制系统提醒驾驶员对过滤器进行再生。驾驶员停车并判断时间超过10min时,合上再生开关,此时所有排气从过滤器旁通管通过,电加热器自动启动,二次空气由鼓风机送入过滤器,以加速过滤器内颗粒的燃烧。整个再生过程仅需几分钟。
与传统再生方式相比逆向再生的优点为:
①在过滤器出口侧的颗粒比进口侧的多,容易点燃累积的颗粒并易于初始燃烧。②有利于将颗粒燃烧温度控制在较低水平,扩大过滤器内累积颗粒安全再生的上下限。
③在逆向再生中,二次空气流可将颗粒燃烧产生的热量从过滤器壁带走。而传统再生产生的热量直接传给过滤器壁,造成温度过高,损坏或烧坏过滤器壁。
④缩短所需的再生时间。
2)带逆向喷气净化器的颗粒过滤装置
该装置的特点是将过滤器与颗粒燃烧部分隔开。所以该装置解决了以下两个问题:①再生时由于颗粒燃烧放热使过滤器产生裂缝和熔化;②因颗粒燃烧留下灰烬并在过滤器内累积。
图3[1]是带有四块横流过滤器的过滤系统。含有颗粒的废气从过滤器上部流入过滤颗粒的圆柱形通道,没有颗粒的废气从侧壁缝隙排出。急速喷射的压缩空气从与排气流相反的方向喷入,清除掉柱形通道表面的颗粒,掉下来的颗粒落到漏斗里,由其中的铠装电加热器燃烧掉。蝶形阀的作用是控制排气,提高逆向喷气净化的效果。
蝶形阀在进行逆向喷气净化的瞬间关闭,防止压缩空气反向流动。
该装置的优势在于不管发动机处于什么工况,随时都可进行净化。如果在发动机工作时进行净化,过滤装置的压降要增加一倍,但因为仅需0.45s时间就可完成逆向喷气净化,所以不会给发动机工作带来任何影响。
4.5 a6l3.0i-v6-tdi型柴油发动机颗粒过滤器
如图4所示,该颗粒过滤器的滤芯为陶瓷材料,陶瓷壁上涂有一层铑和氧化陶瓷的混合物。滤芯的结构与传统的催化转化器相似,二者的区别在于该颗粒过滤器的通道在进气和排气方向上是交替锁闭的,这样含有炭烟的废气必须得穿过透气的氧化硅层,才能流到排气系统出口,炭烟则滞留在陶瓷壁上。
温度传感器g488的作用是调节第二次补充喷油的喷油量,使过滤器前的温度达到620℃,以提高炭烟颗粒的燃烧速度。
压差传感器作用是监控颗粒过滤器前后的压力差、识别过滤器是否被炭烟堵塞。
被动还原(即不由发动机管理系统控制):当温度是350～500℃时,颗粒过滤器中所含的炭烟被缓慢而仔细地转化成co2;
主动还原:当温度达580℃时,涂层中的氧化陶瓷成分可利用氧气来加速热还原反应。方法是通过补充喷油(与主喷油接近)、加大喷油量、延迟喷油时刻、关闭废气再循环、阻塞节气门等多种方法来将涡轮增压器的温度提高到约450℃。
发动机控制单元中有一个预先编制好的模拟程序,该程序根据使用者的驾驶风格和压差传感器获得的信号来判断过滤器的吸附饱和程度,在必要时执行主动还原程序。对于常见的城市循环工况,每行驶1000～2000km应通过发动机管理系统来进行一次主动的还原过程。
当催化转化器的温度超过350℃时,进行第二次补充喷油。由于补充喷油时刻与主喷油有段时间差,燃油仅被汽化,而尚未燃烧。这些燃油蒸汽在催化转化器处发生反应,将气体温度提高到750℃,于是炭烟颗粒就开始燃烧。
机油燃烧后的剩余物(机油灰)无法除掉,累积在过滤器内,从而导致过滤器失效。因此,当行驶里程达到150000～200000km时,必须更换过滤器[3]。
5 结论试验证明:在柴油机上使用颗粒过滤器能收到良好的减少颗粒物排放的效果,电控技术的应用为颗粒过滤器工作效率的提高和工作过程的优化提供了技术上的保证。
