摘 要] 研制了一种有电加热再生装置的柴油机排气微粒过滤器，并对其特性进行了试验研究。结果表明，系统所采用的分区电加热再生技术可靠有效，过滤体的再生效率在70%左右，根据排气背压的变化控制再生装置的工作，再生装置起到了预期的效果。
[关键词] 柴油机；微粒过滤器；再生
1 前言
随着我国经济的快速发展，汽车和各种农业机械的保有量迅速增加，柴油机的微粒排放越来越严重地污染大气环境，影响人们的身体健康。特别自2000 年9 月1 日起实施了新的《中华人民共和国大气污染防治法》后，把机动车排放控制问题摆到一个重要位置。因此，有必要加快研究步伐，将机动车排放控制技术提高到新的水平。
对柴油机微粒排放的控制是机动车排放控制的一项重要内容，带有再生装置的微粒过滤器是国内外研究的热点问题之一。目前，研究和使用的再生方法可分两大类：一是利用柴油机自身能量进行再生，如节流再生（强力再生）、大负荷再生、催化再生；二是借助外界能量进行再生,如电加热再生、喷油助燃再生、过滤器逆向喷气进化再生、微波再生等技术。利用电加热再生是近些年提出的一种新设想，大量研究都已证明了电加热过滤体再生的可行性和有效性。
本文介绍了自行研制的一种以电能为外部再生能源的柴油机排气微粒后处理系统，并对所开发的微粒后处理系统电热元件的选择、绕制及分区等技术问题做了论述，介绍了过滤器的柴油机台架试验研究，系统地研究了过滤体电加热再生的完善性和再生能力，为进一步改善排放性能提供了依据。
2 系统的总体结构及工作原理
系统主要由柴油机排气微粒后处理收集器（过滤器）、过滤体再生电加热器、车用电源及控制系统等组成。系统简图如图1 所示。
柴油机排出的废气通过过滤器的滤芯之后，废气中的部分微粒被过滤体捕集，而被净化后的废气由排气管尾管排入大气中。但随着时间的推移，滤芯上堆积的微粒逐渐增加，使柴油机排气系统阻力增大，排气背压增大，发动机性能下降。因此，必须定期清除已沉积在过滤体中的微粒，使排气背压恢复到正常的水平，即实现过滤体的再生。
本文研制的柴油机排气微粒后处理系统过滤体采用了陶瓷滤芯。过滤体上缠绕电阻丝通过电加热，对沉积在过滤体上的微粒进行加热、着火、燃烧，使排气背压恢复正常。再生时，阀门1 关闭，同时打开阀门2，以避免再生时气流对过滤体的直接冲击，以确保过滤体再生稳定、有效地进行。
3 过滤器及再生装置的研制
柴油机排气微粒捕获装置主要由过滤体、玻璃纤维等构成，本装置所用过滤体载体为蜂窝陶瓷。因为车载蓄电池功率较低，所以必须采取分区电加热，即将过滤体分为几个区，分别进行加热再生。分区电加热再生的缺陷是再生时间较长，滤芯内部温度高且温度梯度大。由于热应力较大，容易造成滤芯烧掉和热冲击破裂事故。为了解决这个问题，在滤芯上涂敷促进剂以提高再生温度、缩短再生时间，从而以较大的再生速率达到完好的再生效果。
试验中所用的过滤材料是高硅氧玻璃纤维，它有良好的耐高温和耐烧蚀性能，可以在900癈 下长期使用，在1200癈 下短期使用。为提高过滤效率，通过一种特殊工艺，将其绕制成绳状，再用石蜡浸润绕置于陶瓷中。柴油机的排气温度为2000°～500癈 左右，作为过滤材料的高硅氧玻璃纤维在这一温度下能长期安全地工作。
电加热系统由于再生简单、成本较低，是一种较理想的方案。但在实际应用中，要解决电源功率有限、分区较多和引线较复杂等问题。
车用蓄电池额定电压一般为24V，但工作一段时间后，电压常降低到只有20V 甚至更低。同时，其最大工作电流一般为20A 左右。这就要求对电热元件进行分区，以限制加热时的功率。由以上论述可知，同一时间内的加热功率不能超过480W。
为了便于绕制成能满足需要的特定形状的电阻丝，我们选用的电阻丝材料为比铁铬硅要软的铁铬铝。本装置中所用过滤载体为截面直径150mm、厚50mm 的圆柱体，过滤微孔为边长1.3mm 的正方形，共约6000 个孔。为合理选择电阻丝的直径，对各种直径的电热丝通电，观察使其被加热到发红时所需电流（电阻丝只要发红，其温度就可使碳烟微粒着火），这个电流当然越小越好。经过实验，选择电热丝直径为0.6mm,使其被加热发红的电流为3A。为保险起见，将过滤体分为5 个区，每区由5 根电热丝绕制组成，总电流为15A。另外，过滤体上有很多微孔,将每个孔都穿入电热丝的工作量是非常大的,且这样加热时将消耗太多的电量,所以只能选择部分微孔让电热丝穿过,本装置中电热丝穿过1/5 的微孔。
4 实验结果与分析
试验所用发动机为无锡柴油机厂生产的6110-1B 柴油机，其标定功率和转速分别为117kW和2900r/min。
4.1 负荷特性试验
为了测试加装了本装置的柴油机在各种负荷下的特性，分别测量了1800r/min 和2400r/min 时的负荷特性。实验中,通过观察排气背压来控制过滤体的再生。当背压增大到影响发动机的功率时，通电加热进行再生；当背压降到起始背压时，停止再生过程。
发动机起动一段时间后，将发动机转速依次调整为1800r/min 及2400r/min，待其油温、水温等达到正常后，测其负荷特性。测量时，先慢慢打开过滤器前阀门1，再慢慢关上旁通阀2，观察过滤器背压变化以控制再生装置的工作。随后，测定过滤器前后的烟度并计算出过滤器的再生效率。试验结果如图2 和图3 所示。
从实验结果可以得出以下结论：
(1) 除全负荷时烟度稍高外，所有部分负荷烟度均较低，微粒后处理系统净化功能良好。
(2) 过滤器效率基本在70%左右且可长时间工作，说明系统运转正常、再生良好。
4.2 柴油机外特性
由上面的负荷特性实验可见，在每一固定转速下，接近全负荷时柴油机排气烟度大幅度增加，同时过滤效率有所下降。这是因为在油门全开时，排气量很大，排气流速高，从而过滤器效率降低，所以非常有必要测量柴油机的外特性，从而分析极限情况下过滤器的工作情况。外特性试验结果如图4和图5 所示，过滤器在实验前彻底进行了再生。
转速r/min
图4 柴油机外特性、烟度及过滤效率
转速/r·min-1
图5 柴油机外特性、功率
试验结果分析如下：
(1) 全负荷时，烟度普遍较高。其原因是燃烧温度高，而氧浓度较低，燃油裂解所致。在柴油机最高转速2900r/min 时，由于充气系数低，在很短的时间内要组织良好的混合气及燃烧过程比较困难，燃烧不彻底，因而烟度大。在1200r/min 低速工作时，由于缸内温度低、喷油速度较低、雾化不好，因而烟度也大。其他转速下烟度值较为稳定，过滤后为2Rb 左右。
(2) 加装过滤器后，功率损失随转速升高而升高，这是由于转速上升，使排气流量增加，过滤器背压升高，对功率影响增大之故。
4.3 其它实验
为了说明加装再生装置的必要性，在固定工况下，测量装有无再生装置过滤器柴油机的排气背压随时间的变化情况。实验发现，随时间的增长，排气背压升高很快。经过约3m 后，排气背压升高到一个很高的水平后反而有所下降。经分析,这种下降是由于过滤器某些微孔损坏造成的。实验说明，在过滤器上加装再生装置是十分必要的。
另外，在前述负荷特性试验中，在油门全开时还测量了发动机噪声。从实验可知，在1800r/min时，不加过滤器时噪声为110.5dB；加过滤器后108dB，下降了2.5dB，同时功率下降了0.2%。在2400r/min 时，不加过滤器时旁通噪声为113dB；加过滤器后为108dB，下降了5dB，同时功率下降了约1%。故可以认为，以较小动力损失而获得较高的净化与降噪功能是可取的，说明研制的后处理系统是成功的。
5 结论
(1) 本文通过试验分析，证明利用分区电加热对柴油机排气微粒过滤器进行再生技术的可行性和有效性。分区电加热再生技术简单、可靠、有效。装有电加热装置的过滤器过滤效率一般在70%左右。为实现过滤体的安全、有效再生，需根据过滤体的性质合理选择加热功率和再生腔内电加热分区，选择合适的再生腔结构和过滤体尺寸。
(2) 过滤体电加热再生时间一般在2min 左右，再生延续时间适中，可避免过滤体在再生时出现较高的温度峰值，使过滤体的使用寿命得到提高。
(3)再生时，过滤体内的微粒沉积量对电加热再生效果没有明显影响，系统有效再生范围较宽。
(4) 电加热再生是一个简单可靠的柴油机微粒过滤器再生技术。该方法可以很大程度上克服此前其它再生方法的一些缺点和不足。如果再增加再生自动控制装置，利用过滤器中压差来控制再生时间，虽然成本有所提高，但可以提高其精度，减少操作的不便。
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