CN101629505A - 柴油机多孔金属过滤器及涡流再生装置 - Google Patents

柴油机多孔金属过滤器及涡流再生装置 Download PDF

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Abstract

柴油机多孔金属过滤器及涡流再生装置在柴油机上应用，技术领域属于环境保护，产业领域属于机电行业。本产品主要以多孔金属制成柴油机碳烟过滤器，在过滤器外采用涡流再生技术。在发动机排气管道设置两个通道A和B，每个通道安装一套多孔金属过滤器及其再生装置，通过对再生温度及压力的反馈，调整涡流再生电流大小，优化再生过程。多孔金属柴油机碳烟过滤器用涡流技术实现再生及与电子动态反馈控制的结合，建立与车型相匹配的优化控制模型，主要对积碳量、废气压力、废气温度等参数动态优化控制达到最佳再生过程，即使再生温度及温度梯度低，再生效率高、再生时间短、再生能耗小、产品使用寿命长而且成本低。

Description

柴油机多孔金属过滤器及涡流再生装置
所属技术领域：
柴油机多孔金属过滤器及涡流再生装置在柴油机上应用，技术领域属于环境保护，产业领域属于机电行业。
背景技术：
目前柴油机尾气控制技术的研究已经得到国内外专家的广泛关注，高压喷射、电控、高增压中冷、多气门、EGR等技术的采用，使柴油机排放得到进一步改善。由于我国柴油机结构、柴油燃料高硫的特点，使以上技术难以满足日趋严格的微粒排放法规，尤其是超细微粒的净化更为困难。同时，由于中国柴油机制造技术落后，过量的润滑油消耗也大都形成碳烟微粒排放。因此，采用微粒捕集器是降低柴油机碳烟微粒排放的重要选择。
微粒捕集技术是否实用，再生技术是关键。在国外柴油机排放微粒捕集技术中，催化再生技术是公认最成功的一种，无论再生的效率、再生温度要求及再生的实用性都很好，我国香港公交车也采用，德国、韩国等国则采用燃油添加剂催化连续再生技术。但以上技术并不适合中国国情，催化再生技术要求柴油硫含量低于50ppm，超过限制将引起催化剂的硫中毒使催化再生不能实现，而我国的柴油硫含量大约在2000ppm左右，我国柴油要达到硫含量低于50ppm水平还需很长时间。因此，适合中国国情的柴油机微粒捕集技术及再生技术是非常迫切的。
目前，国内在微粒捕集滤芯材料的选择上主要是陶瓷材料，又分体积过滤型和表面过滤型滤芯。
体积过滤型微粒捕集滤芯是用泡沫陶瓷。泡沫陶瓷是将浸渍堇青石陶瓷浆体的聚胺酯泡沫塑料半成品，经过高温煅烧，塑料气化逸出，得出的陶瓷骨架。它们具有大致圆形的孔道，直径可在0.1～1.0mm范围内选择(取决于泡沫塑料原料的参数)，但大多在0.25～0.50mm之间，沿着深度弯弯曲曲，少量孔道是不贯通的。泡沫陶瓷DPF的过滤效率不高，一般在50％左右。泡沫陶瓷滤芯一开始效率较低，随着微粒的沉积过滤效率逐渐提高。不过当积聚微粒过多可能引起已吸附的微粒意外的剥离.结果使微粒排放突然增加，这是泡沫陶瓷滤芯的一大缺点。
表面过滤型滤芯是蜂窝陶瓷，其初始过滤效率可达87％，终止效率约为92％，平均过滤效率达到90％左右。
两种滤芯的共同缺陷是当压力过大时易碎。
国内外所采用的其它微粒捕集再生技术及其特点：
a、负荷再生
柴油机的排气温度是随其工况变化的。在高速大负荷时，排气温度可以达到500℃以上，在此温度下，沉积在过滤器内的微粒(通常在550℃以上温度才能燃烧)可自行燃烧，从而达到过滤体再生的目的。这种方法不用附加任何辅助系统，因此比较简单。然而柴油机排气温度只有在接近最高转速、最大负荷的工况时，在靠近气缸盖上排气口的位置，才能达到使过滤体内沉积的碳粒自燃的温度。而汽车柴油机实际使用中很少在这样的工况下工作，尤其是市内运行的汽车，基本是低速运行，柴油机的平均排气温度更低。因此大负荷再生技术对某些应用场合，尤其是车用是不合适的。
b、催化再生
催化再生技术主要有两种：一种是将催化剂提前浸渍再过滤体上，以降低过滤体上微粒的活化能，但由于固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，因此很难进行完全再生。另外，由于柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的进行，催化剂的作用会逐渐减弱或完全消失，即催化剂中毒，从而影响到过滤体的有效再生和对其他有害气体的催化净化效果；另一种再生技术是采用燃油添加剂，即在燃油中加入金属有机物，燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作用，使微粒着火温度降低，从而在较低的排气温度下，不需外部能源，过滤体能自行再生。但是，燃料添加剂的燃烧产物金属氧化物随排气流经过滤器时，有一部分会沉积下来，积累在过滤体上的添加剂金属燃烧产物会堵塞过滤体空隙，缩短过滤器使用寿命。排入大气中的金属飘尘又会引起二次污染。催化剂的抗中毒性、热稳定性以及二次污染等问题目前还没有真正得到很好地解决。由于我国柴油中的硫含量在2000ppm以上，远高于金属催化剂所要求的硫含量(低于50ppm)标准，因此催化技术在我国的应用还需要一段时间。
c、喷油或喷燃气助燃再生
喷油或喷燃气助燃再生系统很复杂，造价昂贵，而且容易出故障。为保证过滤体的成功再生，要求再生燃烧器具有点火可靠、燃烧完全、火焰分布均匀等特点。如点火失败，将使燃料沉积在过滤体上，引起二次沉积和污染，并且容易引起爆燃。燃烧不完全会使再生时排气冒烟，也会导致二次污染。另外，在公交车上应用，燃烧系统的安全性有待进一步研究。
d、电加热再生
电加热再生是利用具有高导电性能的结晶SiC作为过滤材料，当需要再生时，将过滤体作为电加热组件直接对其通电加热，使沉积其上的碳烟微粒升温燃烧，实现过滤体自身的再生。因此这种再生技术系统比较简单，可控性好，并且在柴油机任何工况下都能对过滤体进行可靠的再生。电加热再生对车用电线源的要求很高，在车用过程中需要解决耗电量高的问题，结晶SiC的制造工艺复杂，成本高。
e、反吹再生
该再生过程的最大特点是能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂和烧熔等问题，另外也解决了不燃物质在过滤器内累积的问题。柴油机窜机油排放中存在胶质或在过滤体温度湿度大的情况下，陶瓷利用率小，如果压缩空气压力高，会引起陶瓷机械损坏。
f、微波加热再生
这种体积加热方式可以沉积在过滤体内部的微粒就地吸热、着火、燃烧，过滤体内的温度梯度小，因而减少了热应力引起过滤体破坏的可能，无疑这些对过滤体的安全有效再生十分有利的。正因为体积加热的特点使陶瓷内沉积的碳烟同时燃烧，放热速率加快，再生过程难以控制。另外，存在微波泄漏的安全问题。
发明内容：
本产品的目的是寻找一种兼有辐射加热特点又能克服微波再生系统复杂不足的再生方式。
本产品主要以多孔金属材料制成柴油机碳烟过滤器，采用涡流技术再生，通过对再生温度及压力的反馈，调整涡流再生电流大小，优化再生过程。
本产品的技术关键及创新点：
a、多孔金属材料制成柴油机碳烟过滤器；
采用镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)等材料，使用多孔技术制成过滤器，并利用涡流再生。其基本技术参数：
使用温度：1000℃±50℃
系统阻力：500Pa～5000Pa
除尘效率：95％
再生效率：100％
b、在过滤器外采用涡流再生技术；
c、动态再生控制：
建立与车型相匹配的优化控制模型，主要对积碳量、废气压力、废气温度等参数动态优化控制达到最佳再生过程，即使再生温度及温度梯度低，再生效率高、再生时间短、再生能耗小。
本产品解决其技术问题所采用的技术方案：
在发动机排气管道设置两个通道A和B，每个通道安装一套多孔金属过滤器及其再生装置，其中包括温度传感器、压力传感器及涡流再生多孔过滤器。
其过滤再生原理设计是：根据排气道压力差的大小决定是否启动涡流再生系统，根据多孔过滤器温度的高低决定通电时间的大小、次数及涡流频率，即控制涡流发热量的程度，烧去过滤器内的沉积排气微粒。
当A通道ΔP＝P1-P2＝500～10000Pa时，排气切换阀(由电机驱动)将排气切换到B通道，同时启动A通道涡流再生系统，通过涡流发热使多孔金属过滤器的温度上升到使积碳燃烧的温度，并维持一定时间，烧去A通道过滤器的沉积微粒实现再生；A通道再生结束等待B侧通道再生过程，当B通道ΔP＝P1-P2＝500～10000Pa时，排气切换阀将排气切换到A通道同时启动B通道涡流再生系统，通过涡流发热使多孔金属过滤器的温度上升到使积碳燃烧的温度，并维持一定时间，烧去B通道过滤器的沉积微粒实现再生。在排气过程中，A、B两个通道交替进行过滤及再生。
本产品的有益效果：
柴油机多孔金属碳烟过滤器用涡流技术实现再生及与电子动态反馈控制的结合，使涡流再生柴油机微粒捕集器过滤效率高、再生效率高、再生过程可控、产品使用寿命长而且成本低，不仅在性能上达到国际先进水平而且能够适应中国的燃油品质(中国的优质柴油含硫量为2000ppm左右)，为柴油机微粒捕集器在我国的实际应用解决了关键性技术难题。
附图说明：
附图是：柴油机多孔金属过滤器及涡流再生装置结构图
图中：1.排气通道A，2.再生切换阀，3.排气通道B，4.压力传感器，5.温度传感器，6.多孔金属过滤器，7.涡流线圈，8.排气出口，9.排气进口
图中(5)温度传感器和(4)压力传感器均与控制器相连，将其检测信号输入控制器，(7)涡流线圈也与控制器相连，由控制器控制，(2)再生切换阀的驱动电机的电流方向由控制器控制。
结合附图说明柴油机多孔金属过滤器及涡流再生装置工作原理：
在发动机排气管道设置两个通道A和B，每个通道安装一套多孔金属过滤器及其再生装置，其中包括温度传感器、压力传感器及涡流再生多孔金属过滤器。
其过滤再生原理设计是：
根据排气道压力差的大小决定是否启动涡流再生系统，根据多孔金属过滤器温度的高低决定通电时间的大小、次数及涡流频率，即控制涡流发热量的程度，烧去过滤器内的沉积排气微粒。
当A通道ΔP＝P1-P2＝500～10000Pa时，排气切换阀(由电机驱动)将排气切换到B通道，同时启动A通道涡流再生系统，通过涡流发热使多孔金属过滤器的温度上升到使积碳燃烧的温度，并维持一定时间，烧去A通道过滤器的沉积微粒实现再生；A通道再生结束等待B侧通道再生过程，当B通道ΔP＝P1-P2＝500～10000Pa时，排气切换阀将排气切换到A通道同时启动B通道涡流再生系统，通过涡流发热使多孔金属过滤器的温度上升到使积碳燃烧的温度，并维持一定时间，烧去B通道过滤器的沉积微粒实现再生。在排气过程中，A、B两个通道交替进行过滤及再生。

Claims (3)

1.柴油机多孔金属过滤器及其再生装置，其特征是：用多孔金属制成过滤器，过滤器外绕有涡流线圈。该装置装在柴油机排气管管道内。
2.柴油机多孔金属过滤器及其再生装置，其特征是：用多孔金属制成过滤器；过滤器外部绕有线圈，线圈内通以交变电流而产生涡流；在过滤器前后各安装一个压力传感器，并在过滤器前再安装一个温度传感器；排气管道上设置一个切换阀(由电动机驱动)；在排气管道外设置一个控制器。
3.柴油机多孔金属过滤器及其再生装置：温度与压力传感器的信号输入控制器，通过控制器决定切换阀驱动电动机的电流方向(从而决定转动方向)及涡流线圈的工作状态(涡流的频率、电流大小、作用时间)。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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