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摘 要:本文设计了两种内部有曲折气流通道的柴油机排气微粒过滤器滤芯结构,并进行了柴油机台架实验。结果表明:改进过滤器滤芯的几何结构可以大大降低过滤器的排气背压,减小过滤器对发动机输出功率的影响,改善微粒在滤芯内部分布的均匀性,提高滤芯的有效过滤体积。
关键词:柴油机 过滤器 滤芯 几何结构 排气背压 过滤效率
中图分类号:TB32 文献标识码:A 文章编号: 1671-0630(2007)-05-0058-03
引言
以微粒过滤器为核心的排气后处理技术是控制柴油机排气微粒排放的有效措施[1, 2],对于普通结构的过滤器滤芯,当排气通过时,微粒过滤主要集中在滤芯入口端,使排气背压上升过快,必须在使用过程中频繁再生,影响过滤器的使用寿命;另一方面,也使得滤芯长度不能有效地用于微粒过滤。
增加过滤器滤芯横截面积可以降低排气背压,但是单纯增加滤芯横截面积并不能改善微粒在滤芯内部分布的均匀性,不能合理利用滤芯的长度,并且实际应用中过滤器的横截面积受车辆安装空间的限制。本文通过优化设计过滤器滤芯的几何结构,基本克服了普通过滤器的这些缺点。
1 试验
1. 1 试验用滤芯材料
本实验使用三维连通网状结构碳化硅泡沫陶瓷作为柴油机过滤器滤芯材料,如图1所示,碳化硅泡沫陶瓷孔隙率为80%,线性孔密度为11孔/cm。
1. 2 台架试验装置
台架实验在南京依维柯发动机厂进行,将设计的碳化硅泡沫陶瓷滤芯装配成微粒过滤器与发动机排气管连接。柴油机起动运行稳定后,将气路切换至过滤支路,测量发动机排气烟度、功率、进气流量、燃油消耗量、转速及排气背压等。实验中所用的发动机为8140.45型柴油机,排量为3.0L,转速为1100~3600r/min,排气温度为400~550℃。试验的测试系统为AVL415型Varialbe Sampling SmokeMeter(奥地利产), FBY-2A型全自动烟度计(佛山分析仪器厂)。
2 滤芯结构设计
本文设计了两种过滤器滤芯结构(称之为A、B型)。A型滤芯过滤器尺寸为155mm×220mm,横截面积为2. 40×10-2m²,其内部有曲折的孔道,在中间直通孔的后部用小孔碳化硅泡沫陶瓷封装,见图2。B型滤芯是将表面呈“锯齿”状的泡沫陶瓷采用啮合方式组装,过滤器尺寸为210mm×140mm×150mm,其横截面积为2. 94×10-2m²,见图3。
实验中按照A、B型滤芯结构将碳化硅泡沫陶瓷组装成柴油机微粒过滤器,并按照A、B型滤芯结构过滤器的尺寸,采用单片碳化硅泡沫陶瓷叠加组装成普通整体结构过滤器,分别将其过滤效率、排气背压和与之相对应的A、B滤芯结构的过滤器做对比。
3 测试结果与讨论
A、B型滤芯结构过滤器的台架测试结果见图4和图5。A型滤芯结构过滤器对排气微粒的平均过滤效率约为40%,比同体积普通整体结构的下降了43. 2%,在额定转速(3600r/min)点的排气背压为34kPa,比普通整体结构的下降了51. 4%,发动机额定功率下降了3. 4%; B型滤芯结构过滤器的平均过滤效率达到51.1%,仅比同体积普通整体结构的下降19. 5%,在额定转速时的排气背压为21. 3kPa,比同体积普通整体结构的下降了52. 7%,额定功率下降了2. 4%。
与单片叠加滤芯结构相比,A型滤芯曲折的气流通道可以减小排气阻力,降低过滤器的排气背压。当排气流经过滤芯时,微粒在与滤芯气流通道表面的不断碰撞接触过程中沉积在滤芯内部,但由于通道的存在减少了过滤体积,导致过滤效率比单片叠加滤芯结构低。
同理,B型结构滤芯中的“锯齿”状气流通道也有同样作用但气流多次转向过滤效果更好。B型结构滤芯虽然在过滤体积上也比普通整体结构滤芯有所减少,但是从实验结果看,其过滤效率下降的要比A型结构滤芯少,这说明B型结构滤芯与A型结构滤芯相比,在降低排气背压的同时,具有更高的过滤效率。B型的排气背压低是由于B型的横截面积增加的结果。
从以上分析可以看出,在滤芯结构的设计中增加一些曲折的通道,可以大大减小气体流经时的阻力,降低过滤器的排气背压。曲折通道使排气流经的路线发生改变,也影响了过滤器对微粒的过滤性能。实验后解剖过滤器滤芯发现,从进气端到出气端,微粒比较均匀地沉积在滤芯孔筋表面,与单片叠加滤芯结构微粒在进气端大量沉积相比,说明滤芯结构改变使微粒在滤芯内部均匀分布,提高了滤芯的有效过滤体积,也避免了在过滤器工作一段时间后由于进气端滤芯被微粒堵塞,导致排气背压迅速升高的弊端。
4 结论
本文设计的内部有曲折气流通道的碳化硅泡沫陶瓷滤芯几何结构对柴油机过滤器的过滤性能有显著改善。合理的滤芯结构可以在过滤器的过滤效率降低不大的情况下,大幅度降低排气背压,并能改善微粒在滤芯内部分布的均匀性,提高滤芯的有效过滤体积,较好地兼顾过滤器的过滤效率和排气背压,满足过滤器的实用化要求。
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