柴油机EGR中的微粒过滤器应用

　柴油机使用排气再循环降低氮氧化物时,采取措施降低微粒排放是必要的,其中使用微粒过滤器是一种行之有效的方法。本文详细阐述了有关微粒过滤器种类、再生方式以及相关的排气再循环过滤系统模式。  
　　1 　前言 
　　随着发动机的排放物对环境的污染日益严重,对于发动机的排放控制,越来越引起人们的关注。排放物的类型和数量因机型、燃油系统和运行条件而异。柴油机的排放物中HC、CO 的浓度比汽油机低得多,NOX 排放与汽油差不多,而微粒排放却比汽油机高约30～70 倍。因此控制柴油机排放污染物的重点是降低柴油机NOX 排放及微粒排放。本文就利用EGR 降低NOX 时引起微粒排放增加的问题提出相关的解决措施。 
　　2 　EGR 对柴油机性能的影响 
　　排气再循环就是将废气中的一部分引入燃烧室中,参与燃烧过程。由于排气的主要成分是惰性气体(CO2 ,H2O ,N2 等) ,它们具有较高的比热,当新混合气与排气混合,热容量即随之增大,降低最高的燃烧温度;同时EGR 对新混合气的稀释,也相应的降低了氧的浓度,从而使NOX 在燃烧过程中生成量受到抑制。 
　　2. 1 　EGR 对排放的影响 
　　众所周知, EGR (排气再循环) 已经在降低NOX 上取得了很大的成功,它在降低NOX 排放的同时往往会使其他排放物增加,尤其是微粒的排放。EGR 的稀释作用使燃烧过程中的最高温度降低,有效抑制了NOX 的形成,但是由于混合气中氧气浓度降低,燃烧反应不完全,使未燃碳氢化合物、一氧化碳和微粒的排放增加,微粒增加尤其明显,对于环境的危害更严重。微粒和氮氧化物的同时控制是一个急待解决的问题。 
　　2. 2 　EGR 对润滑油和发动机零部件的影响 
　　再循环的排气中包含的微粒物质进入气缸后会粘附在气缸壁表面的润滑油油膜中,在发动机工作过程中,活塞环将这些微料物质刮入到曲轴箱中,使润滑油中的不溶性物质增加,导致活塞环、气门等零件的磨损,为此需要将回流排气过滤,这对于安装涡轮增压器的柴油机尤为重要。如果安装有涡轮增压器的柴油机使用EGR 降低氮氧化物时,至少应除去EGR 气体中99 %的微粒。 
　　3 　微粒过滤器及其再生 
　　为此设计了再循环排气过滤系统来控制氮氧化物,该系统就是在排气进入再循环线路之前(即进入气缸之前) ,利用捕集器将它过滤,然后进行排气再循环工作过程。 
　　现在使用微粒对滤器有许多种,这些措施都没有完全解决再循环排气的微粒过内燃机,特别是安装有涡轮增压器的柴油机的损害。过滤再循环排气系统在降低NOX 的同时要达到降低微粒目的,再循环排气的过滤元件及其再生是关键。 
　　3. 1 　过滤器的简单介绍 
　　微粒过滤器含有一个带有微孔的独立的过滤介质,来捕捉微粒。被收集的大部分是干的碳灰(SOOT) 和吸附有SOF 的碳灰。一般用陶瓷和金属网制成过滤器,由于陶瓷能承受高温并具有高的过滤效率,其成为主要的过滤介质。 
　　过滤器主要为壁流式整体陶瓷(wall - flowmonolith) ,由堇青石和碳化硅的合成陶瓷制成的,堇青石具有一定的机械强度和较好的抗热冲击性,热膨胀系数小,它的弱点是耐高温能力不足,一般不超过1200 ℃ ,导热系数小,在再生时,内部燃烧产生的热量不易传出,致使滤芯烧熔或烧裂。碳化硅是一种比较好的新型过滤材料,它和堇青石相比孔径更均匀,并具有通流性好,过滤效率高,耐高温(超过1600 ℃) ,通过性好等特点,堇青石和炭化硅的合成陶瓷是通用的过滤介质。 
　　一般过滤器分为表面过滤型和深层过滤型。表面过滤型是碳烟沉积于过滤器表面,但当碳烟越来越厚时,过滤器的压力降增加过快,它的过滤效率主要受材料中孔隙尺寸的影响,孔隙尺寸影响过滤器的捕集效率。而深层过滤型中被捕集的微粒聚积在过滤材料的体内,纤维材料和微粒之间的吸附力及微粒和微粒之间的凝聚力对提高微粒捕集的效率起重要作用,这种过滤器的滤芯是由陶瓷或金属纤维制成,有较稳定的捕集效率和压力降,但捕集效率过低,需要高的压力降和厚的过滤器。 
　　3. 2 　过滤器的再生 
　　清除沉积在过滤材料上微粒的过程称为过滤器的再生。发动机过滤系统设计真正的挑战是过滤器的再生。过滤系统的再生可以持续发生也可以周期发生,收集的微粒通过氧化成气体(理想状态是二氧化碳) 而被移走,微粒过滤器的再生过程受到总积累的颗粒量、颗粒储存密度及分布情况、排气流速、过滤器向外传热情况和颗粒的活化反应能力等的影响。 
　　(1) 高温加热再生 
　　为了能在多种工况下使颗粒发生氧化反应变成二氧化碳气体,使颗粒物的温度高于最低氧化温度是十分必要的。通常采用降低颗粒着火最低温度或者提高排气温度的方法来实现微粒过滤器的再生。 
　　如果再生不充分,过滤器就会微粒负载过重,发动机背压升高。在极端的情况下过滤器被阻塞发动机停止运转。另一方面如果一个碳烟负载过高的过滤器突然暴露在高温排气中而开始再生,在反应中会放出大量的热,引起滤芯热应力和影响过滤器的稳定性。在极端的情况下过滤器会融化或滤芯破裂。 
　　在内燃机正常工作条件下,内燃机的排气温度一般在200～500 ℃,而微粒的燃点一般在500- 600 ℃,依靠内燃机的排气的温度很难使过滤器再生。要使捕集器再生必须降低微粒的燃点或提高排气温度。通过在燃油、排气中加添加剂或在过滤材料表面涂催化层可以降低微粒的燃点。这种方法也叫被动再生。通过提高排气温度等使捕集器再生的方法也叫主动再生。该方法主要有电热器加热补燃和燃烧器加热补燃。电热器加热补燃系统是在捕集器的前面加装一个电加热器,当电加热器通电时,使捕集器入口温度超过微粒的燃烧温度,通电一段时间,然后将捕集器的入口阀打开并保持一定开度,引入部分排气,利用排气中富余的氧使捕集器中微粒燃烧除去。燃烧器加热补燃系统与电加热方式不同,捕集器的再生是由燃烧器所供应的高温燃气来完成。 
　　(2) 高压气脉冲再生 
　　陶瓷过滤器(CERAMEM) ,沿轴向分布了许多小的平行管道。相邻的管道在末端被交替封死以强迫柴油机废气穿过微孔壁面(壁流整体式) ,是表面过滤型。其过滤效率可以达到99 %。它的再生方式为避免加热再生的弊端(再生时因进入捕集器的气体的温度过高,超过了材料的允许极限,捕集器就会发生熔损或龟裂) ,而采用了一种高压气脉冲再生方法。该方法就是:在捕集器需要再生时,就是给捕集器逆向一个或几个高压气脉冲,将吸附或沉淀在捕集器上微粒吹掉,并将这些微粒收集起来,燃烧掉,从而使捕集器再生,见图1。 
　　工作过程为:当压力信号达到预定值时,ECU发出指令将电磁阀2 ,4 关闭,打开电磁阀5 将废气直接通向大气。同时,利用脉冲指令控制电磁阀1 ,3 产生脉冲高压气流,反吹捕集器,使其再生。反吹下来的微粒进入电加热器中燃烧掉。 
  

4 　再循环排气过滤系统几种模式  
　　4. 1 对氮氧化物控制要求严格,对微粒排放要求不严的机型,考虑到捕集器的负担问题,因而只对其再循环排气进行过滤。 
　　在进行过滤再循环的过程中,电磁阀2 关闭,电磁阀1 打开,在吸气泵的作用下,一部分(由EGR 率决定的) 排气经过捕集器过滤后通过再循环线路进入进气管,以参加新的工作过程。 
　　当捕集器需要再生(再生的时间由实验确定,就是说再生过程按照一定周期进行) 时,将电磁阀1 关闭,由CPU UNIT按照一定频率来控制电磁阀2 的开闭数次,进而产生一个或数个高压反冲气体脉冲,将吸附或沉淀在捕集器上微粒冲掉,实现捕集器的再生。(注意在此间,EGR 停止) 然后将电磁阀2 关闭,将电磁阀1 开启,重新进行EGR ,重复不断进行。为了实现不间断EGR 工作,可以实现双捕集器轮流工作,如图2 所示。 
  

　　4. 2 　如前文所述,由于氮氧化物和微粒排放控制都是柴油机的控制重点,因而二者可以通过过滤排气再循环系统模式同时加以控制。将捕集器直接安装在排气管路上,然后将一部分过滤过的废气作为回流气体重新引入内燃机中。如图3 所示。 
  

　　当进行排气再循环工作过程中,电磁阀1、5、4 关闭,电磁阀2、3、6 开启。从柴油机中出来的废直接进入捕集器中,经过过滤后,通过电磁阀门3 通向大气,一部分的过滤后的废气在吸气泵的作用下进入再循环线路回到柴油机的进气管中,参加柴油机的新工作循环。 
　　当捕集器需要再生(再生的时机有压力信号决定,就是说当背压达到预定数值) 时,将电磁阀1 开启,电磁阀6 关闭,以便废气直接排到大气。关闭2、3 由CPU UNIT 按照一定频率来控制电磁阀4 的开闭数次,进而产生一个或数个高压反冲气体脉冲,将吸附或沉淀在捕集器上微粒冲掉,实现捕集器的再生。(注意在此间,EGR 停止) 然后将电磁阀1、4 关闭,将电磁阀2、3、6 开启,重新进行EGR ,重复不断进行。为了实现不间断EGR 工作和不将所有废气都过滤,可以实现双捕集器轮流工作。具体情况在本文不予以说明了。 
　　5 　结论 
　　采用过滤排气再循环来控制氮氧化物的方法有如下优点: 
　　1. 解决了因润滑油有再循环废气的微粒物而引起内燃机的磨损问题; 
　　2. 达到了利用EGR 而控制氮氧化物的目的; 
　　3. 有效地降低了微粒排放; 
　　4. 由于部分除去排气中硫酸盐等进气管腐蚀问题也得以减轻。