摘要：探讨了泡沫金属的过滤机理,分析了不同因素对泡沫金属过滤材料的k下降率和排气背压的影响,进行了不同工况下泡沫金属过滤器的过滤试验,并模拟了其再生试验,为泡沫金属炭烟过滤器的设计提供了依据。
关键词：泡沫金属;DPF; k下降率;排气背压;再生
中图分类号：TK421. 5 文献标识码：A 文章编号：1673-6397(2010)02-0029-04
背 景
目前,针对柴油机微粒的净化技术措施主要有DPF过滤技术、等离子技术、电压和静电吸附技术以及重力旋风分离技术,相对而言,DPF技术被公认为是目前最有效的微粒后处理技术[1]。DPF技术中,直流式过滤法是最为简单的方法。过去,由于价格低廉、制作工艺简单,国内通常采用泡沫陶瓷材料作为过滤载体,但因k下降率低、机械性能差、回热不均、热再生易破裂等因素一直制约了其发展。泡沫金属作为新兴材料是近几年的研究热点。研究表明,具有一定孔隙尺寸的开孔金属泡沫体可用作高温气体和液体过滤材料[2]。
1 多孔金属材料性能与过滤机理分析
1. 1 泡沫金属材料和陶瓷材料的对比分析
与陶瓷材料相比,金属材料的强度、韧性、导热性方面更胜一筹,此外它还具有同等尺寸下重量轻、k下降率高、背压低等优点,特别适于越野车、农用机械设备、军用移动电站等经常在恶劣工况下作业的柴油机;再生方面,均匀的热度分布使其不会在加热过程中开裂或熔化,因其高热传导率还可用作热再生装置的辐射加热器;在成本上,应用粉末冶金技术,可以降低其成本。泡沫金属目前已有应用,HJS与SHW等公司采用该材料制成的过滤体由泡沫合金骨架焊接而成,与壁流式蜂窝陶瓷的结构相似,它们的k下降率相当;在铁铬铝与堇青石的对比试验中,同等尺寸下,铁铬铝制成的载体壁厚可减小1/3,大大降低了压力损失[3]。
1. 2 多孔泡沫金属炭烟过滤机理分析
对于多孔材料而言,对炭烟颗粒的捕集机理主要分为拦截、惯性碰撞、扩散及重力沉降等4种[4]。它们与微粒和过滤纤维之间的相对大小及相对速度有很大的关系。
4种过滤机理在柴油机排放微粒过滤中的作用是不尽相同的,较小的微粒由于扩散作用而在纤维上沉积;较大的微粒,则主要通过拦截和惯性捕集效应沉积;更大的微粒则以重力沉降方式沉积。事实上,柴油机排放微粒的过滤是几种机理综合作用的结果,而其中,惯性碰撞机理是主导方式,这是因为金属纤维及各节点的尺寸都相对较大,微粒的流速较高,重量较轻等特点,使得扩散、拦截、沉降的作用相对较小。
2 泡沫金属过滤性能试验研究
图1是4种不同孔径的铜、锰合金泡沫材料,单块尺寸为100mm×100mm×20mm,其平均孔径由大至小分别为6. 5mm、4. 5mm、2mm、1mm。图2是装满5块过滤材料的过滤器腔体, a~e表示5个不同槽位。采用岩棉材料填充过滤器内侧与上表面的空隙,并用耐高温橡胶在盖板4个贴合边进行密封防止漏气。下述各独立试验均采用干净的过滤材料进行,防止干扰。
试验选用某型号通用式小型柴油机,额定功率5kW,排量0. 39L。采用FTY-100不透光烟度计测量烟度值;采用水柱式U型管测试过滤器的排气背压;其他仪表用于柴油机各工况测试。
2.1 不同孔径、不同厚度金属过滤体的过滤特性分析
A、B、C、D表示孔径不同的4种材料,将不同数量的同种材料按表2规则装入过滤器槽位内分别进行5次试验,不同孔径材料按此法各进行1轮试验。
机组工况为带载3kW,转速1500转,每运行5min后改变一次过滤体数量,测试排气背压与k下降率。试验结果如图3、图4所示。
试验结果表明,D过滤体由于孔径过大,虽然其排气背压值很小,但在5块过滤体同时使用下, k下降率仍然未达到20%; A过滤体虽然k下降率较高,但从其背压曲线走向可知,在长时间工作后,有可能因堵塞影响发动机正常工作;B、C曲线平缓,测试值适中, 3块2mm与4块4. 5mm过滤体在机组运行一段时间后,排气背压均在0. 04kPa左右, k下降率也均接近40%。
由于时间较短,各参数值都较低,初步判定B、C的孔径较为适合过滤微粒,需要进行长时间参数特征试验作进一步判断。
2.2 长时间工作条件下排气背压与k下降率的变化规律分析
用A、B分别表示3块2mm与4块4. 5mm过滤体。机组工况为带载3kW,转速1500转,起动后,每半小时测试一次排气背压与k下降率。实验结果如图5、图6所示。
从图上可以发现,A、B在前2小时内,排气背压都随时间呈线性增长的趋势,后期走向不同,这是由于B孔径较大,金属纤维上附着的微粒不断被气流吹走,而新的微粒又不断附着,背压形成了一个动态平衡;而A过滤体由于其孔径较小,微粒附着阻力较大,因而背压不断上升,到达一定临界值后必须通过再生才能重复使用。
k下降率的变化曲线的走向与排气背压走向较为一致,A过滤体曲线后期有走缓趋势,这主要是因为开始阶段不断积累微粒减小了平均孔径,使k下降率不断增加,但排气背压的升高使柴油机排放的微粒增多。
2. 3 转速与气流速度对过滤特性的影响
由于B的k下降率仍然有限,选择单块A作进一步试验。机组工况为带载3kW,机组稳定运行1小时后,每隔5min调整一次转速,使其从1800转均匀改变到2600转。试验结果如图7所示。
提高转速,排气背压随之线性增长,这主要是由于动压与转速平方成正比,这个过程中微粒同时在过滤层积累。在转速达2600转后再调整回2200转,实测排气背压为2kPa,低于原先3kPa的测试值。究其原因,主要是高转速与高流速下,部分附着微粒被高速气流带走,从而降低了排气背压。相应的k下降率曲线则较为复杂,转速到2200转前k下降率不断上升,之后则下降,这可能是因为前期排气流速下微粒的附着量大于吹走量,后期随着气流速度增加,导致吹走的微粒量增加。
2. 4 负载与温度对过滤特性的影响
采用3块2mm过滤体进行负载试验,在机组额定转速下,使阻性负载从1~5kW调节,过滤器的过滤特性如图8所示。
在负载增大后,过滤体的排气背压不断上升,但速度不断趋缓,前期快速上升主要是因为微粒排放量的增多,后期主要是因为温度上升使PM减小,同时流速的增加,使被吹散的微粒量增多。
k下降率则随负载增大不断减小,但走势较为平坦,这可能是因为在微粒随负载增加而增多的前提下,一方面温度升高增大了附着微粒的粘性,使其不易被吹散;另一方面排气流速也在提高,两方面有一定程度的抵消作用。
2. 5 冷、热起动与怠速工况下过滤器过滤性能分析
使用两个过滤器及旁通阀形成两个支路,在起动(3分钟左右)与正常工况下切换至相应支路,其中起动支路使用5×2mm过滤材料,正常支路使用3×2mm过滤材料,系统净化方案如下图所示:
2. 5. 1 起动工况
柴油机冷起动时,由于缸内压压缩温度很低,燃油的雾化、气化条件差,很难发展为扩散燃烧,使黑烟的排放量很大,由于时间短,排放量大,此时对炭烟的净化最为困难。采用5块2mm进行对PM的净化,可以达到较好的效果。光吸收系数从净化前1.79m-1下降到0. 58 m-1。热起动由于缸内温度升高,燃烧条件有所改善,采用过滤器可使光吸收系数从0. 96 m-1下降到0. 27 m-1。
2. 5. 2 怠速工况
柴油机在怠速工况下喷油量为怠速油量,排放量相对较小,此时,由于工况较为稳定,加装过滤器对其碳烟过滤效果显著。采用3块2mm进行对PM的净化,可以达到较好的效果。光吸收系数从净化前0. 22m-1下降到0. 08 m-1。
2. 5. 3 加载工况
柴油机在加载后,特别在高负载下,由于供油量迅速增加,而转速与供气量如果不能及时跟上,将使混合气变浓,燃烧条件恶化,从而产生大量黑烟。采用3块2mm进行对PM的净化。光吸收系数从净化前1. 44m-1下降到0. 32 m-1。
2. 6 泡沫金属材料的再生试验
2. 6. 1 热再生模拟试验
用柴油浇于使用过的泡沫金属材料表面,点燃用热电偶测试实时温度,其平均值约350℃,燃烧30s左右完成,待泡沫金属冷却后进行观察,并用毫克天平进行燃烧前后称重对比。
2. 6. 2 反吹再生模拟试验
采用1500W电吹风进行反吹再生模拟试验,测试风速为10m/s,从泡沫金属出气一侧连续吹风1min,并用毫克天平进行燃烧前后称重对比。两个实验结果如下表所示:
由于柴油燃烧过程中产生了新的炭颗粒,因而再生率计算结果偏低,若能以清洁的助燃剂或以电加热方式进行,再生率将会进一步提高。反吹再生对泡沫金属过滤体的再生作用一般,主要原因在于一方面附着在金属纤维上的碳粒在高温下有很强的粘性,另一方向在于电吹风的功率偏小,若能以大功率冷风进行反吹,可能对泡沫金属的再生有一定效果。
3 小 结
在一定的横截面积下,泡沫金属材料的厚度、孔径大小等对k下降率及排气背压均有较大的影响。为提高过滤体的k下降率和降低排气背压,应对其厚度、孔径大小及横截面积作综合考虑。平均孔径2mm的泡沫金属过滤体过滤性能良好。
柴油机的转速、排气流速、负载、温度等对泡沫金属的过滤性能影响较大;柴油机不同工况下,要选择不同的组合方式才能发挥泡沫金属的最佳过滤性能,通过对以不同厚度过滤体组成的过滤体的两路切换,可以实现良好的微粒净化效果。
热再生模拟试验结果较为理想,可作为泡沫金属材料再生方式使用。反吹再生方案的可行性有待进一步论证。
开孔泡沫金属材料作为新兴过滤材料必将在柴油机尾气净化领域发挥更为重要的作用。
参考文献:
[1]宁智,资新运等.微粒捕集器对柴油机性能影响的研究.机械工程学报. 2002(1): 154-158
[2]MichaelF.Ashby ect《MetalFoams: A Design Guide》泡沫金属设计指南,冶金工业出版社.北京. 2006
[3]龚金科.汽车排放污染及控制.人民交通出版社.北京.2005: 123-125
[4]张吉军等,柴油机微粒捕捉器的研究现状及发展趋势.内燃机. 2005(6): 47-50
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