6110A柴油机排气微粒过滤器通过特性的研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

本文通过大量试验,对所设计的6110A柴油机排气微粒过滤器的背压随转速、过滤体孔隙率、过滤体长度的变化规律及排气背压对柴油机功率、油耗的影响进行了系统的研究。根据排气背压、过滤效率选择了适合6110A柴油机的过滤体。
关键词:柴油机微粒,过滤器,背压,过滤效率
引 言
用泡沫陶瓷捕集柴油机排气微粒是这方面研究所公认的手段。国外这方面的研究起步较早。国内这方面的研究是从80年代中期开始的,大多数试验主要针对小功率柴油机。随着研究的不断深入,有必要对我国用量较多的较大功率车用柴油机排气微粒加以重视,为泡沫陶瓷过滤器的实用化打下基础。
本文针对6110A柴油机设计了一种用微波再生的排气微粒过滤器,其原理和试验已另文发表[1]。过滤体材料的选择及其再生时机的确定是这方面研究最关心的两个关键性问题,国内外研究所确定的排气背压限值从16kPa到35kPa不等[2,3]。显然,不同的柴油机,其过滤体的再生时机也不同。
1 过滤材料对柴油机排气背压的影响
影响过滤体排气背压的因素很多,包括柴油机转速、过滤体微孔直径、孔隙率及过滤体几何尺寸等。本文对不同孔隙率(对应的微孔直径也不同)、不同尺寸的过滤体进行了大量试验。表1为所用过滤体的参数。

1.1 孔隙率对柴油机排气背压的影响
图1和图2是过滤体直径相同,微孔直径和孔隙率不同的两种过滤体排气背压随柴油机转速变化的实验结果。

从图上可以看出,各种过滤体的背压随转速的增长线性增加(计算表明:其线性度在0.97以上)。值得注意的是:微孔直径较大的1型过滤体的背压比2型过滤体的背压大,而且增长速度快。这一现象的出现主要是1型过滤体的孔隙率低,致使每个孔和周围的孔联系减少,甚至出现“死孔”。另外,2型过滤体是采用长度为20mm或30mm分片组合而成;而1型过滤体采用的是整体式,由于过滤体长度较长,给发泡加工带来一定困难,致使其内部“死孔”增多,因此其制作质量不如2型过滤体,这也是引起1型过滤体比2型过滤体背压大的原因之一。

1.2 过滤体长度对排气背压的影响
一般来说,过滤体的背压随着其长度的增大而增加,随着其有效截面的增大而减小。本文设计的过滤器由于实际需要,其直径和原柴油机消声器保持一致。因此,本文主要研究不同孔隙率的过滤体长度对背压的影响。例如,以2型过滤体为研究对象,在3个特定的转速下对6种不同长度过滤体的通过特性进行试验,结果如图2所示。
从图上可以看出,在3种转速下,排气背压都是随着过滤体长度的增大线性增加。3种转速下的线性度分别为0.985,0.996,0.998。这说明过滤体长度和柴油机排气背压的线性关系非常好,且随着转速的降低线性度增加。
2 排气背压对柴油机性能的影响
随着排气背压的增加,柴油机的充气效率下降,燃烧开始恶化,导致柴油机的功率下降、油耗上升。一般认为,柴油机排气微粒后处理装置对柴油机功率、油耗的影响不应超过3%~5%[4]。因此,应以此时的排气背压作为再生时的背压。本文规定最大的功率下降、油耗上升不应超过5%(额定工况下),这样在其它工况下的功率、油耗变化幅值应小于5%,特别是在中低速和小负荷工况下,其变化幅度远小于5%。
随着微粒在过滤体中的沉积,背压会逐渐增加,最终达到一种动平衡。但这种平衡不稳定,随着转速和负荷的变化,很快就会被破坏。由于国内过滤体研制水平较低,通过这种方法获得的背压范围比较小:阻力小的过滤体微粒不易沉积,背压上升速度慢,最终得到的平衡背压也比较低;阻力较大的过滤体,由于其初始背压大,同样使背压的变化范围变小。
为了获得准确的背压限值和较大的背压变化范围,本文通过改变过滤体的长度来获得排气背压同柴油机功率、油耗的关系。由于不需微粒的沉积过程,该方法比较经济、简便。
图3是在6110A柴油机额定工况下,功率、油耗随背压变化的实验结果。
从总体上看,随着背压的增加,功率呈下降趋势,油耗呈上升趋势。当背压达到18kPa时,功率下降了4.8%,油耗上升了4.35%,此时已接近背压限值的高线,应及时对过滤体再生。
表2为各种过滤体对应的柴油机外特性条件下最大功率下降、平均功率下降及平均油耗上升的对比统计。

值得注意的是:对同一种过滤体,中低速时对柴油机的性能影响较小;当柴油机的转速升高时,其性能下降幅值增大。这对实际应用中的汽车是很有利的。因为实际车用柴油机很少工作在最大负荷、最高转速工况下,特别是城市公共汽车,绝大多数时间工作在低速范围。图4是一种典型的(2型过滤体,长度为60mm)功率、油耗随转速变化的规律。为了便于比较,图上还给出了原机带消声器时的外特性。

3 柴油机排气微粒过滤规律的研究
追求高过滤效率、低排气背压是柴油机排气微粒过滤器的最佳设计目标。一般来说,过滤体的过滤效率越高,其背压也就越高。因此,目前只能综合考虑过滤效率和过滤体背压,选择适当的过滤体,寻求最佳综合效益。
为了评价过滤体的过滤效果,定义过滤效率为


分析得出,T1-60和T1-80的过滤效率比T2-60和T2-80的过滤效率高。这种结果和图1的结论是一致的。T1-60和T1-80的背压较高,排气和过滤体的接触面积增大;致使被捕集的微粒增多。值得注意的是:由于排气背压增大,导致柴油机燃烧恶化,微粒排放增加。因此,过滤体后端的微粒浓度相对原机下降不多,甚至在某些转速下,个别过滤体后端的微粒浓度比原机还略高。可见,1型过滤体由于背压过高不能满足实际需要。为此,本文通过加长2型过滤体的长度进一步试验。图6和图7是长度分别为90mm,120mm的2型过滤体的过滤效果。

从图中可以看出,两种过滤体的过滤效率都有所提高。T2-120在中速时的过滤效果最好。但在额定转速下,由于其背压过大,柴油机燃烧恶化,致使过滤体前端的微粒浓度增加,虽然经过滤后有所下降,但仍比T2-90后端的微粒浓度高。因此,综合对柴油机的性能影响和微粒的过滤效果,T2-90是较为理想的过滤体。为了研究过滤效率与微粒浓度的变化关系,保持柴油机的转速不变,改变柴油机的负荷以改变排气的微粒浓度。图8是T2-90在柴油机转速为2000r/min时的过滤效果。
可以看出,负荷减小,微粒浓度降低,过滤效率提高。当负荷减小为18.4kW时,过滤体前端的微粒浓度为2.2mg/m³,而后端几乎没有检测到微粒,因此可以认为其过滤效率为100%。这种现象可以解释为:在一定的转速下,过滤体捕集微粒的能力一定,当总体的微粒浓度降低时,单个微粒被捕集的概率增加。

4 结 论
(1) 过滤体的排气背压随柴油机转速的提高呈线性增长。过滤体的孔隙率越低,其阻力越大,随转速提高其阻力增加的幅值越大。
(2) 过滤体截面一定时,在各种转速下,柴油机排气背压都随过滤体长度的增长线性增大。因此,可以预测在某一截面下,某一长度的过滤体在某一转速下的背压。
(3) 对6110A柴油机在2800r/min转速下,当背压达到18kPa时,功率下降和油耗上升已接近限值高线。根据对柴油机性能的影响和微粒过滤效率,T2-90较为理想。但要满足实际应用的需要,必须研制出背压更低、过滤效率更高的过滤材料。
(4) 过滤体的过滤效率不仅同过滤材料有关,而且排气流速、微粒浓度对其影响也很明显。当排气流速增大时,过滤效率呈上升趋势;当微粒的浓度下降时,过滤效率上升。

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