摘要:本文根据过滤器微粒过滤及再生的需要,提出了一种过滤体微粒沉积量实时检测技术。叙述了微粒检测原理;介绍了从功率容量的要求出发对检测天线进行设计的方法;并对实际测量结果及影响因素进行了分析。通过实验结果验证了这一技术的可行性。
关键词:微粒;过滤器;实时检测
中图分类号:TM935.111 文献标识码:A
1 引言
随着交通运输业的高速发展、柴油机的大量使用,柴油机排气中的微粒物质对车辆密集的城市环境造成了严重的污染,危害着人们的健康。限制柴油机微粒排放的后处理技术是内燃机学科的一个主要研究热点。采用多孔陶瓷过滤器除去柴油机排气中的微粒是微粒后处理技术中最具有代表性的方法。在过滤过程中,微粒会积存在过滤器内,导致柴油机排气背压增加。因此必须定期除去微粒,使过滤器获得再生。
在柴油机排气微粒过滤及过滤体再生技术中,过滤体微粒沉积量的实时检测是一个关键问题。它关系到过滤体的再生效率及使用寿命等问题。对一定的过滤体来说,它具有一个合适的微粒量沉积范围。在这个范围内,过滤器不会对柴油机的工作产生严重的影响,而又最适合于过滤体的再生。因此,在柴油机工作过程中,需要对过滤体中沉积的微粒量进行实时检测,以便对过滤体的再生进行控制。
传统的检测方法是通过对柴油机排气背压的测定间接地了解过滤体内微粒的沉积情况。它需要测定气流速度、温度、排气压力等多种参数。这些参数与柴油机工况密切相关,它们之间存在着复杂的相互制约关系和极大的随机性。这一检测方法在实际使用中困难很大。为此,找出一种方便的微粒沉积量检测方法就显得尤为重要。
本文结合研制的过滤体微波再生系统的特点,在前期可行性研究的基础上,提出了一种利用再生用微波发生器信号实现过滤体微粒沉积量实时检测技术,并对这一检测技术进行了系统的分析和研究。
2 过滤体微粒沉积量的实时检测原理
当高频电磁波通过有耗媒质时,由于极化和高频感应等原因,媒质对电磁波具有一定的衰减作用。衰减的程度取决于电磁波频率及有耗媒质的损耗系数。损耗系数越大,媒质对电磁波的衰减也越强[1]。
媒质对电磁波的衰减与媒质的长度及媒质的衰减常数有关。过滤体长度选定后,过滤体对电磁波的衰减随衰减常数变化。一般过滤体本身的衰减常数很小,而且变化不大;而碳烟微粒却对电磁波具有明显的衰减作用。随着微粒在过滤体上的积累,过滤体对电磁波的衰减逐渐增强,通过过滤体的电磁波强度逐渐减小。通过实时测量这种变化,即可有效地确定过滤体上微粒的沉积情况。
3 实时检测系统的组成及检测天线的设计
在过滤器微波再生系统中,微波发生器发出的是高频电磁波。根据这一特点,可以利用再生微波源达到对过滤体再生和微粒沉积量检测的双重目的。测试系统如图1所示,是在原微波再生系统的基础上加了一个信号检测装置和一个指示器。
实现微粒量实时检测的关键是检测天线的设计,由于微波再生系统的微波源主要用于过滤体的再生,功率较大,因此天线设计应重点考虑功率容量问题。
检测天线特性阻抗的计算方法有两种[2]:等效传输线法和格林函数法,这两种方法的侧重点各不相同。等效传输线法从功率容量的角度给出了等效电阻和等效电抗的计算公式;而格林函数法计算的表达式则侧重于检测天线的尺寸,因此可以通过不同表达式之间的联系,计算出天线的实际尺寸。检测天线的设计步骤如下:
(1)由检波功率要求给出天线最大耦合功率Ptmax,并由微波源输出功率确定功率比K,即检测天线最大耦合功率与微波源输出功率之比;
(2)根据传输线形式确定波导等效特性阻抗Z0,并由等效传输线法计算公式求出天线阻抗ZT;
(3)由已计算出的天线阻抗ZT,根据格林函数法计算天线的几何尺寸。
4 微粒沉积量的实时检测及影响因素分析为了验证过滤体微粒沉积量实时检测技术的可行性以及研究各种因素对测量结果的影响,本文利用设计的检测系统在几种柴油机上进行了大量的测试,下面给出其部分结果及分析。
在柴油机运行工况一定(排气温度、流量、排气微粒组成不变)的条件下,实时检测排气背压及微波检测信号随柴油机运行时间的变化规律,检测结果如图2所示。由图可见,随着柴油机工作时间的增加,微粒沉积量逐渐增多,排气背压单调上升,检测信号ln(Iout/Iin)单调下降。在过滤的后期,由于过滤体被逐渐堵塞,过滤效率提高,排气背压上升速率加快,检测信号ln(Iout/Iin)也同时快速下降。说明微波检测信号的变化完全能够反映过滤体微粒沉积情况。
对同一过滤体在柴油机同一个稳定工况下过滤,根据过滤时间的不同,可以得出不同的过滤体微粒沉积量。对含有不同微粒沉积量的过滤体在常温下进行测定,可以得出过滤体微粒沉积量与检测信号的关系,如图3所示。测试结果表明,检测信号ln(Iout/Iin)与微粒沉积量呈线性的变化关系,随着过滤体微粒沉积量的增加,检测信号ln(Iout/Iin)线性下降。
对含有不同微粒沉积量的过滤体在不同的气流速度下进行测定(气流温度控制恒定),测试结果如图4所示。从检测信号与气流速度的测试结果中可以看出,检测信号ln(Iout/Iin)只与过滤体微粒沉积量有关,而与气流速度的大小没有直接的关系。图5给出了测试温度对过滤体微粒沉积量检测结果的影响。从图中可以看出,在相同的过滤体微粒沉积量下,检测信号随温度升高略有变化。但在检测温度范围内,检测信号变化很小,且基本上是随温度线性变化。如果需要准确检测,则可以通过标定对温度进行补偿。
柴油机排气微粒组成非常复杂,它是由含碳物质凝聚和吸附一定的高分子有机物、硫化物、含金属成分的灰分等物质组成,一般可分成两大部分,即固态碳粒及吸附在碳粒表面的可挥发性和可溶性物质(SOF)。柴油机排气微粒的组成随柴油机工况的不同也有很大的差异。利用过滤体在柴油机稳定工况及两种不同的变工况下对微粒进行过滤,然后在常温条件下对微粒进行检测,检测结果如图6(a)所示。从测试结果中可以看出,稳定工况下过滤的微粒,微粒沉积量与检测信号的关系线性度很好,但变工况时,检测信号比较分散。其主要原因是由于在柴油机不同的工况下,其排气中微粒的成分有很大的不同,从而导致过滤微粒的微波衰减常数发生变化。
文献[3]经过大量的研究分析指出,凝聚在碳粒表面的SOF在高于210℃的条件下将挥发变成气态物质。为此,对在不同柴油机工况下过滤的过滤体先进行加热至250℃,然后再在常温条件下进行微粒的检测。结果表明不同柴油机工况下过滤的过滤体微粒沉积量与检测信号的关系比较一致,如图6(b)所示。因此,在实际应用中,只要使过滤器靠近柴油机,排气温度一般可以达到或超过250℃,排气微粒成分的变化对测量结果不会有大的影响。
5 结 论
本文结合所研究的微粒过滤器微波再生系统的特点,提出了一种利用再生用微波发生器信号实现过滤体微粒沉积量的实时检测方法。实验结果表明,微波检测信号完全可以反映过滤体微粒的沉积情况;当排气温度超过250℃后,检测信号基本不受微粒成分的影响;气流速度对检测结果没有影响;在一定的温度范围内,检测信号ln(Iout/Iin)仅是过滤体微粒沉积量的线性函数。大量的实验验证了这种过滤体微粒沉积量实时检测方法的可行性,它避免了传统的检测方法需要测试的参数多、测试计算复杂、对检测传感器要求高等问题给实际应用带来的困难。
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