摘 要:柴油机排气微粒过滤器再生净化是汽车柴油发动机排气净化的有效方法之一。论述了柴油机排气微粒过滤器微波再生净化系统的构成、过渡器结构分析、再生腔结构分析,以及如何对过滤器再生效果的间接性评价指标。对设计制造柴油机排气微粒过滤净化装置具较好的指导意义。
关键词:柴油机;排气微粒;再生;净化过滤器
中图分类号:TK421文献标识码:A
汽车环保是当今发动机技术发展的重点之一。
微粒作为柴油机最主要的排放污染物,对环境和人体所造成的危害极大,微粒过滤是降低发动机特别是柴油机微粒排放物最有效的机后处理方法,具有很大的发展前途。包括过滤材料和过滤体再生两大关键技术。然而任何过滤材料在使用一段时间之后,都存在排气微粒堵塞过滤体,使过滤性能下降,发动机排气背压增大等问题。因此过滤体再生技术的研究与开发在微粒过滤净化技术中占有重要地位。
过滤体再生技术的研究,目前主要有对过滤器的红外线加热再生;丝网捕集器的逆向反吹再生和收集;电加热再生;喷油助燃加热器再生;微波加热再生等。利用微波再生是一种具有较高实用价值和发展前途的再生技术。因为红外线加热、电加热需要分区加热,容易导致过滤体受热不均匀;燃油助燃加热对过滤体加热不完全,容易导致局部高温过热产生裂纹;丝网捕集器的逆向反吹再生和收集,其再生过程繁琐,效率低且不彻底。与其它再生方法相比,微波加热再生则避免了这些问题,使再生过滤体上的微粒能更迅速地加热、更完全彻底地燃烧,且再生过程迅速彻底,再生效率较高。
1 柴油机排气微粒过滤器再生净化系统
柴油机排气微粒过滤器再生净化是利用微波基于微波与物质间相互作用而产生的热效应,加热柴油机排气微粒过滤器,使其实现再生。水分子和碳分子是典型的能够吸收微波的吸收性介质,能强烈吸收微波,达到排气微粒着火温度。柴油机排放微粒其主要成分是碳化合物,因此其过滤器加热再生适宜于用微波加热,实现其再生。
1. 1 微波再生系统模型分析
排气微粒过滤系统主要包括:微波功率发生器、微波疏导平滑过渡器、过滤器、再生腔、截止衰减器、控制器等,其结构框图如图1所示。过滤器可采用壁流式蜂窝状泡沫陶瓷过滤体;设置于柴油机排气管。在过滤过程中,排气微粒经泡沫陶瓷过滤器,阻隔沉积于过滤体进口通道的壁面上,在过滤体通道一侧形成微粒吸附层。过滤体再生计算,需对多维过滤工作过程作相应的条件假设,即一维简化处理:把过滤体视为其面积、厚度与实际过滤体过滤面积、厚度相同的平面过滤体;微粒在平面过滤体上均匀分布;排气气流速度及气流中的氧气浓度在整个过滤体的表面上是均匀的。
再生过程中具有一定温度、速度、氧气浓度的发动机排气通过微粒层和过滤体。当排气温度超过一定值之后,微粒开始氧化燃烧;氧化后所放出的热量使微粒层温度不断升高,并通过导热与热对流的方式将热量传递给过滤体和气流。
微波平滑过渡器采用发散型渐变截面过渡结构,使微波产生的矩形波能有效地传输到过滤器与再生腔。过渡器的作用除保证排气顺利进入过滤体外,更主要的是使微波源与再生腔之间具有良好的匹配,以尽可能减少微波能量的反射和损耗。过滤器与再生腔是工作装置的主要工作部位,兼顾排气微粒过滤和过滤体再生功能。可采用圆柱形波导行波加热再生腔;在再生腔内,过滤体吸收微波功率升温,其结构性能与匹配的好坏直接影响整个系统的加热效率、再生效果。再生系统采用圆柱形波导行波加热形式。再生时,微波能量从再生腔一端馈入,逐渐向另一端传输。为了防止微波沿排气管向外泄漏,在过滤器与再生腔出口端设置有一段截止衰减器,用以吸收和反射微波功率。截止衰减器结构为一几何尺寸不满足微波传输条件的一段排气管。
1. 2 过渡器
将微波平滑过渡器视为渐变阻抗变换器,它是将再生腔波导等效阻抗变换为馈电波导的等效阻抗,以使馈电波导工作处于行波状态[1-6]。图2为过渡器传输线等效电路简图。
由式(5)可知,过渡器输入端反射系数与阻抗变换比、过渡器长度有关。根据公式(5)可分析过渡器对系统驻波特性的影响及计算反射功率、传输功率。经计算分析可知,微波平滑过渡器输入端反射系数的振幅随过渡器长度变化呈起伏变化,过渡器长度越短,反射系数振幅越大;电压驻波比的变化规律与反射系数相同。随过渡器长度增加,驻波比逐渐下降,并且起伏趋于平稳,当达到一定值时再增加过渡器长度,驻波比变化将不明显。因为过渡器长度越短,阻抗变换比越大,而等效阻抗直接决定着反射系数的大小。反射系数的起伏变化是由于过渡器上各个微分长度的输入端引起的相位迭加形成的。在实际装置中,驻波比一般取小于1.5。当过渡器长度一定时,阻抗变换比越大,驻波比也越小;所以在装置设计中应尽量使再生腔尺寸与激励波导尺寸接近,以便减小阻抗变换比,从而降低过渡器能量反射。一般过渡器长度可按1/2波导波长的整数倍选取,这样可以有效降低反射系数和电压驻波比。
1.3 再生腔
过滤器与再生腔位于装置同一个位置,再生腔是微波能量作用于被加热介质的空间。再生腔是一种行波式加热器,微波能量从再生腔一端馈入,逐渐向另一端传输。在传输过程中微波能量不断地被微粒介质所吸收,转换成介质的升温。
在再生腔后部设有一截止衰减器,以防止微波能量的泄漏,吸收负载及截止波导的存在,它对再生腔特性影响较大[1-6]。截止衰减器实际上即为一段一端封闭的圆形管,在此圆管内,截止波长不满足微波传输条件。图3为再生腔传输线等效电路。Z0为再生腔空气段等效阻抗,Z0′为再生腔内过滤体段等效阻抗,ZL为终端截止衰减器等效输入阻抗。根据截止波导理论,当截止波导壁无耗损时,其输入阻抗为:
综上分析可知,过滤体前端面的反射系数与再生腔和截止波导的几何尺寸,以及过滤体的特性有关。一般反射系数的极小值出现在过滤体厚度为1/2波导波长的整数倍处,所以从微波能量有效利用考虑,过滤体的厚度应按1/2波导波长的整数倍进行选取。
2 柴油机排气微粒过滤器再生时间与再生效率
在过滤器过滤工作过程中,随着排气微粒的吸附沉积,柴油机的排气阻力会不断上升。当排气背压上升到一定值以后,会导致燃烧恶化,使柴油机的耗油率、功率和排放恶化,从而使柴油机的动力性和经济性受到较大影响[5,7-9]。一般认为柴油机排气微粒过滤器对柴油机油耗、功率的影响不应超过3% ~5%。
柴油机排气微粒过滤器再生效果一般是以再生效率和再生时间作为其评价指标。再生效率取决于再生前后过滤体中微粒沉积质量的多少,以此评价其再生效率和再生优劣;而如何测量过滤体微粒质量是一个难度较大的问题。柴油机排气微粒过滤器其再生前后微粒质量会直接影响到排气管的排气背压。随着微粒沉积量的增加,排气管的排气背压会逐渐上升。因此采用检测过滤体工作时的背压变化,即可间接地获得过滤体吸附和沉积的排气微粒的质量大小,既而可确定过滤体再生效率。即:
3 汽车柴油发动机排气微粒过滤器再生净化试验
柴油发动机排气微粒过滤器再生净化试验的过滤体采用壁流式蜂窝状泡沫陶瓷过滤体, 2450MHz频率的微波功率发生器, CA6DL1-26型工程机械柴油机,缸径110 mm、标定功率191 kW、标定转速2300 r/min、排量7. 7 L。在过滤过程中,当过滤体排气背压达到规定值Pb时系统开始再生,并以此作为再生开始时间Tb;当过滤体排气背压下降到规定值Pa时,再生结束。
图4为不同厚度过滤体的再生试验。图中试验1为在试验3厚度上增加100%,试验2为在试验3厚度上增加50%,试验3为过滤体厚度为50 mm。
由图4再生开始时由于再生体温度没有达到排气微粒着火温度450℃,过滤体处于一个比较稳定的过渡温度区域。当微波加热使排气微粒达到一定能量值时,排气微粒迅速燃烧,在较短时间内达到560℃,实现过滤体的再生净化。其后过滤体温度又趋于稳定。而当过滤体厚度较大时,虽然过滤净化的效果较好,吸附微粒的能力强,但微波加热所需能量相对较多,加之过滤体的散热面积相对较大所以再生时间趋长(试验1),再生后期稳定温度相对较低,且再生效率相对较低。因此再生过滤体厚度值不应为追求过高的净化效果而过度增大过滤体厚度值。而且当过滤体厚度增大到一定值后,再生时间变化趋缓,再生效果变化不明显。
改变再生净化器结构尺寸,可实现再生时间和再生效率的改变。图5为不同结构尺寸变化的再生试验结果。图中,试验1为散型渐变截面过渡器尺寸改变前,试验2为散型渐变截面过渡器尺寸改变后。
由图5,增加过渡器长度尺寸和改变再生腔内过滤体长度尺寸,均使其为1/2波导波长的整数倍,可使过渡器输入端反射系数减小,从而使微波源与再生腔之间的匹配良好,微波能量的反射和损耗减小,再生时间缩短,再生效率得到提高(试验2)。反之,再生时间与效率降低。从理论分析和试验结果比较可知,改变再生净化器结构尺寸,能很好地实现良好的匹配和提高再生效率。因此过渡器和过滤体尺寸应取1/2波导波长的整数倍为最佳长度值。图6为不同微波发生器的再生试验结果。试验1为300W微波发生器试验,试验2为1000W微波发生器试验。
由图6,增大微波发生器功率,可使再生时间缩短,微粒再生燃烧迅速;但过大的微波发生器会使过滤体温度上升过快过高,容易导致过滤体因为受热过快和温度过高而产生裂纹甚至烧熔等问题。因此在再生效率不好的情况下,可适当增大微波发生器的功率,从而可改善过滤体的再生效果和缩短再生时间;但过度增大微波发生器功率,反而会使过滤体出现过热的裂纹甚至烧熔。所以微波发生器的功率不应过大,一般以400~650W为宜。
4 结 论
柴油机排气微粒过滤器微波再生净化是降低柴油机排放微粒最有效的方法之一。采用发散型渐变截面过渡微波平滑过渡器,可使微波产生的矩形波能有效地传输到过滤器与再生腔,可使微波源与再生腔之间实现良好的匹配。采用圆柱形波导行波加热再生腔,在过滤器与再生腔出口端设置一段几何尺寸不满足微波传输条件的截止衰减器,可用以吸收和反射微波功率。过滤器的再生效果可以用再生效率和再生时间作为其评价指标。采用检测过滤体工作时的背压变化,即可间接地获得过滤体的再生效率。
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