郭秀榮，劉躍雄，杜丹豐

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

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微米木纖維濾芯柴油機(jī)PM過(guò)濾裝置冷卻系統(tǒng)研究

郭秀榮1，劉躍雄1，杜丹豐2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：尾氣微粒捕集器(DPF)技術(shù)是目前控制柴油機(jī)尾氣PM(Particulate Matter)最有效的后處理技術(shù)之一。以微米木纖維作為DPF濾芯材料時(shí)，具有過(guò)濾效率高、排氣背壓小和容塵量多等優(yōu)點(diǎn)。但是不能長(zhǎng)時(shí)間承受尾氣300~400℃的高溫，需結(jié)合冷卻裝置使用。為此本文設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)制風(fēng)冷式冷卻器。該冷卻器基于單片機(jī)80C51設(shè)計(jì)冷卻控制系統(tǒng)，可根據(jù)尾氣溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的啟?？刂?，并在JX493ZLQ3A柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，柴油機(jī)在不同負(fù)荷下產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)冷卻器后，溫度都有大幅度的降低，且大多數(shù)工況下冷卻后的溫度都低于木纖維濾芯可耐受的220℃，滿(mǎn)足木纖維濾芯的使用要求。

關(guān)鍵詞：DPF；微米木纖維；風(fēng)冷式冷卻器；柴油機(jī)

0引言

柴油車(chē)具有較高的熱效率，較大的功率，良好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，但其碳煙顆粒(PM，Particulate Material)排放卻是汽油車(chē)的30～80倍[1]。PM表面附著的金屬氧化物、碳?xì)浠衔?、硫酸鹽、微細(xì)粒子和有致癌突變作用的多環(huán)芳烴，會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康帶來(lái)嚴(yán)重的危害[2-3]。目前，微粒捕捉器(Diesel Particulate Filter，DPF)技術(shù)是控制柴油車(chē)尾氣PM排放最為簡(jiǎn)單和有效的后處理技術(shù)之一，而濾芯的性能直接決定DPF的過(guò)濾效率[4-5]。微米木纖維(MWF，Micro Wood Fibre)將作為一種新型柴油車(chē)尾氣過(guò)濾材料應(yīng)用于DPF中，它具有過(guò)濾效率高、排氣背壓小、容塵量大、取材廣泛和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[6]。由于木材的自然屬性，當(dāng)木材處于270℃以上環(huán)境時(shí)，木材進(jìn)入碳化階段，首先在表面形成炭化層，而微米木纖維較實(shí)木相比，會(huì)更容易被炭化[7-8]。當(dāng)微米木纖維長(zhǎng)期處于220℃以上環(huán)境中時(shí)，會(huì)逐漸失去原有的韌性和強(qiáng)度，并最終導(dǎo)致過(guò)濾效率的喪失。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)溫度很高的熱源，即使在溫度較低的排氣尾管處，尾氣溫度也有可能高于220℃[9]。所以本文設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)冷式冷卻器，對(duì)尾氣進(jìn)行冷卻，并基于單片機(jī)80C51設(shè)計(jì)冷卻控制系統(tǒng)，控制冷卻器風(fēng)機(jī)的啟停，使得尾氣溫度在高于220℃時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；反之，風(fēng)機(jī)停止，達(dá)到合理有效使用冷卻器和節(jié)約能源的目的。

1微米木纖維濾芯

濾芯性能的好壞直接影響DPF的過(guò)濾效率和排氣背壓。微米木纖維濾芯(如圖1所示)具有過(guò)濾效率高、容塵量大、排氣背壓小和成本低廉等優(yōu)勢(shì)。它是利用精密加工技術(shù)生產(chǎn)出微米木纖維再進(jìn)行熱處理、揉絲和模壓等一系列工藝制作而成的。經(jīng)過(guò)高溫蒸汽熱處理后的微米木纖維，紋孔膜均被打開(kāi)，擴(kuò)大了過(guò)濾和吸附表面積，大大地增強(qiáng)了對(duì)PM的吸附作用[10]。微米木纖維材料的天然生物質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)以及大量木纖維堆疊時(shí)產(chǎn)生的孔隙保證了木纖維具有良好的氣體通透性及良好的容塵能力。但微米木纖維濾芯無(wú)法長(zhǎng)期處于超過(guò)220℃的高溫環(huán)境中，因此需要將尾氣在進(jìn)入DPF之前進(jìn)行冷卻。

圖1　微米木纖維濾芯Fig.1 Micro wood fiber filter

2風(fēng)冷式冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于DPF通常安裝在排氣尾管處，距離發(fā)動(dòng)機(jī)較遠(yuǎn)，不宜利用發(fā)動(dòng)機(jī)水冷卻系中的水來(lái)進(jìn)行冷卻。因此本文采用風(fēng)冷式冷卻器，利用空氣作為冷卻介質(zhì)，對(duì)管內(nèi)高溫尾氣進(jìn)行冷卻。與水冷卻器相比，風(fēng)冷卻器經(jīng)濟(jì)性好，維護(hù)成本低，不存在結(jié)垢的問(wèn)題，且使用壽命長(zhǎng)。

2.1冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。冷卻器由多排翅片管組成，整體呈矩形。翅片管采用圓管作為基管，并在其上焊接多個(gè)圓形翅片，尾氣由管內(nèi)通過(guò)，增強(qiáng)冷卻效果[11]。翅片管固定在左右擋板之間，相鄰的翅片管交錯(cuò)布置。在多排翅片管中，隨著管排數(shù)增加，氣流阻力也會(huì)增加，導(dǎo)致到達(dá)內(nèi)部翅片管的冷空氣減少，影響內(nèi)部翅片管的冷卻效果。因此在冷卻器上下各布置一個(gè)風(fēng)機(jī)，固定在擋板和蓋板之間，使風(fēng)可以從上下兩面同時(shí)進(jìn)入到翅片管的間隙中，增加進(jìn)風(fēng)量，加大了冷風(fēng)與內(nèi)部翅片管的接觸，這樣能讓翅片管均勻散熱，增強(qiáng)冷卻效果。碗型管與右擋板之間形成氣室，可以使尾氣均勻分布到翅片管中。

注：1—左擋板；2—風(fēng)機(jī)；3—翅片管；4—蓋板；5—右擋板；6—碗型管；7—?dú)馐遥?—溫度傳感器1；9—尾氣入口；10—溫度傳感器2；11—DPF；12—尾氣出口。圖2　風(fēng)冷式冷卻器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of air-cooled cooler

2.2冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸理論計(jì)算

2.2.1散熱量

由于柴油車(chē)在多數(shù)工況下運(yùn)行時(shí)，排氣尾管處的尾氣溫度都低于450℃[9]，因此在計(jì)算中假設(shè)尾氣溫度為T(mén)max=450℃，并設(shè)冷卻后的尾氣溫度Tout=220℃，根據(jù)文獻(xiàn)[12]可計(jì)算冷卻器的散熱量：

Q=qVρicp(Tmax-Tout)。

(1)

式中：qV為尾氣的體積流量，m3/min；ρi為尾氣的密度，kg/m3；cp為尾氣比熱容，kJ/(kg·K)。

2.2.2總傳熱系數(shù)

以翅片管外表面積為基準(zhǔn)(包括基管外表面積及翅片面積)，有公式：[12]

(2)

式中：ri、r0分別為管內(nèi)和管外污垢熱阻，m2·℃/W；di、d0分別為基管內(nèi)徑、基管外徑，m；hi、h0分別為管內(nèi)側(cè)和管外側(cè)的換熱系數(shù)，W/( m2·℃)；λ為管材的導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m·℃)；η為翅片壁面總效率，公式：[13]

(3)

式中：ηf為翅片效率；Ab、Af、Ai、A0分別為管外無(wú)翅片部分表面積、管外翅片部分表面積、管內(nèi)表面積、管外表面積，m2。

(4)

(5)

Ai=πdi·l。

(6)

A0=Af+Ab。

(7)

式中：l為管長(zhǎng)，m；Sf為翅片間距，m；δ為翅片厚度，m；df為翅片直徑，m。

2.2.3冷卻器散熱面積計(jì)算[14]

(8)

式中：Δt為平均傳熱溫差[12]

(9)

式中：Ta為環(huán)境溫度，℃。

根據(jù)以上公式的計(jì)算結(jié)果以及考慮冷卻器安裝等問(wèn)題，采用的冷卻器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　冷卻器參數(shù)

為了更加有效合理的使用該冷卻器，設(shè)計(jì)了冷卻控制系統(tǒng)。在尾氣出入口放置兩個(gè)溫度傳感器，單片機(jī)根據(jù)溫度傳感器1的采樣信息控制風(fēng)機(jī)的啟停，溫度傳感器2采集尾氣被冷卻后的溫度。風(fēng)機(jī)由12 V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

3.1.1溫度傳感器測(cè)量電路

本文選用鉑熱電阻Pt100作為溫度傳感器，可以在-200～850℃的范圍之間工作[15]。圖3為Pt100的測(cè)溫電路圖，由于其阻值小，靈敏度高，所以引線的阻值不能忽略不計(jì)，采用三線式接法可以消除引線電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。電路中所需的4.096V參考電源由電位器VR1和TL431調(diào)節(jié)產(chǎn)生；采用R3、R4、VR2、Pt100構(gòu)成測(cè)量電橋(其中R3=R4，VR2為100Ω精密電阻)，當(dāng)Pt100的電阻值不等于VR2的電阻值時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級(jí)的壓差信號(hào)，通過(guò)LM324將壓差信號(hào)放大，經(jīng)芯片ADC0809轉(zhuǎn)換后則可直接被單片機(jī)讀取。溫度傳感器1和溫度傳感器2的信號(hào)分別通過(guò)P1.0和P1.1輸入單片機(jī)。

圖3　Pt100測(cè)溫電路Fig.3 The temperature measurement circuit of Pt100

3.1.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

冷卻器中的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采用12V直流電機(jī)，而單片機(jī)只能提供+5V電壓，故需用放大元件L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。1個(gè)L298N芯片有4個(gè)輸出口，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。圖4為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)的P3.0～P3.3引腳分別與L298N的IN1~IN4引腳相連，電機(jī)的啟停由P3.0~P3.3引腳上的高低電平控制。L298N的兩個(gè)使能端EnA和EnB輸入高電平時(shí)有效，分別控制OUT1和OUT2之間電機(jī)、OUT3和OUT4之間電機(jī)的啟停。為了避免電機(jī)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)影響L298N，在直流電機(jī)與L298N之間加入4對(duì)續(xù)流二極管并與電源正極或地相連，將反向電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流分流到電源正極或地。電容C6和C7是濾波電容，減少外界干擾，使電機(jī)穩(wěn)定工作。C8和C9是電源退耦電容。

圖4　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 The circuit of the driving DC motor

3.2軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主程序由初始化子程序、溫度信號(hào)采集子程序和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序等幾部分組成，在Keil51軟件上使用C語(yǔ)言編寫(xiě)并調(diào)試。其中，初始化部分包括I/O口初始化、看門(mén)狗模塊初始化、系統(tǒng)復(fù)位及時(shí)鐘初始化和AD的初始設(shè)置等。圖5為程序流程圖。

圖5　程序流程圖Fig.5 The flow chart of the program

溫度傳感器1測(cè)量尾氣的溫度采樣，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)P1.0口輸入到單片機(jī)。測(cè)量的溫度與系統(tǒng)設(shè)定的溫度值T0=220℃比較，當(dāng)溫度傳感器1檢測(cè)到尾氣溫度超過(guò)220℃時(shí)，尾氣需要被冷卻，此時(shí)，單片機(jī)通過(guò)P3口輸出信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，對(duì)尾氣進(jìn)行強(qiáng)制冷卻；當(dāng)溫度低于220℃時(shí)，風(fēng)機(jī)停止，尾氣經(jīng)冷卻器自然冷卻。

4試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為JX493ZLQ3A柴油機(jī)，其額定功率85kW，額定轉(zhuǎn)速3600 r/min，通過(guò)FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩。試驗(yàn)用冷卻器根據(jù)上文的計(jì)算值采用套片式翅片管加工而成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在室內(nèi)完成，室內(nèi)溫度20℃，相對(duì)濕度45%±10%。柴油機(jī)在2000 r/min、160 N·m的工況下運(yùn)行，分別對(duì)DPF前加冷卻器和不加冷卻器時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。本文中試驗(yàn)所用濾芯的尺寸均為直徑120 mm，高140 mm。圖6為尾氣不經(jīng)過(guò)冷卻時(shí)，運(yùn)行32h后微米木纖維濾芯的狀態(tài)，柴油機(jī)在該工況下運(yùn)行時(shí)，尾氣溫度已經(jīng)超出了微米木纖維濾芯的可承受范圍，長(zhǎng)期處于高溫尾氣中，使得濾芯已經(jīng)被嚴(yán)重炭化；圖7是DPF前加裝了冷卻器，工作32h后的微米木纖維濾芯，此時(shí)的濾芯依然完好。通過(guò)圖6和圖7對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，冷卻器對(duì)濾芯起到了很好的保護(hù)作用。

圖6　尾氣不經(jīng)冷卻過(guò)濾32h后的濾芯Fig.6 The filter material when the tail gaswas not cooled and filtered after 32h

圖7　尾氣經(jīng)冷卻過(guò)濾32h后的濾芯Fig.7 The filter material when the tail gaswas cooled and filtered after 32h

本試驗(yàn)中還在不使用濾芯的情況下對(duì)冷卻器進(jìn)行了單獨(dú)的測(cè)試，檢驗(yàn)冷卻器在柴油機(jī)不同工況下的冷卻效果。開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，將柴油機(jī)冷啟動(dòng)后，怠速運(yùn)行15 min，再通過(guò)FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)至所需工況。每一工況下的數(shù)據(jù)都穩(wěn)定運(yùn)行8 min后開(kāi)始記錄，并隔30 s記錄一次，共記錄6次，取平均值作為該轉(zhuǎn)速時(shí)尾氣冷卻前后的溫度。為了方便調(diào)試和實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)組態(tài)王軟件與上位機(jī)聯(lián)系。圖8和圖9為上位機(jī)截圖。

圖8　轉(zhuǎn)速1200 r/min上位機(jī)截圖Fig.8 The screenshot of PC at 1200 r/min

從圖8中可以看出，轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，冷卻前的尾氣溫度為203℃，低于系統(tǒng)設(shè)定溫度(可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定)。此時(shí)，風(fēng)機(jī)不工作，尾氣由冷卻器自然冷卻，溫度傳感器2不采集冷卻后的溫度值；在圖9中，轉(zhuǎn)速到達(dá)2000 r/min時(shí)，尾氣溫度升高至310℃，超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定溫度。此時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，使得尾氣流經(jīng)冷卻器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。冷卻過(guò)后的尾氣溫度為138℃，低于220℃，達(dá)到了冷卻要求，可以安全通過(guò)DPF。

圖9　轉(zhuǎn)速2000 r/min上位機(jī)截圖Fig.9 The screenshot of PC at 2000 r/min

在此次試驗(yàn)中，將柴油機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度依次設(shè)置為25%、50%和75%，改變柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，記錄在不同轉(zhuǎn)速下的尾氣溫度。表2~表4為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2　節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為25%時(shí)冷卻器測(cè)試結(jié)果

表3　節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為50%時(shí)冷卻器測(cè)試結(jié)果

表4　節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為75%時(shí)冷卻器測(cè)試結(jié)果

從表2~表4中可以看出，當(dāng)柴油機(jī)以低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尾氣溫度有可能低于220℃，此時(shí)風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)，尾氣由冷卻器自然冷卻，溫度傳感器2不采集尾氣溫度。尾氣溫度隨著柴油車(chē)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而逐漸升高，當(dāng)柴油車(chē)到達(dá)一定工況時(shí)，尾氣溫度就會(huì)超過(guò)微米木纖維濾芯可承受的溫度，此時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。表2、表3、表4中可以看出，根據(jù)上文理論計(jì)算的參數(shù)設(shè)計(jì)的冷卻器，對(duì)尾氣具有良好的冷卻效果，符合冷卻要求，且冷卻效率在55%左右。尾氣經(jīng)過(guò)冷卻器后，溫度都有大幅度下降，在大部分工況下都低于220℃，只有當(dāng)柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下工作時(shí)，冷卻后的尾氣溫度稍大于220℃。

5結(jié)論

試驗(yàn)研究表明，根據(jù)理論計(jì)算的參數(shù)設(shè)計(jì)的冷卻器具有良好的冷卻效果，該冷卻器的冷卻效率為55%左右，在柴油機(jī)大部分工況下都能滿(mǎn)足微米木纖維濾芯的要求，只有在高負(fù)荷高轉(zhuǎn)速等工況下，有可能超過(guò)220℃，此時(shí)，尾氣將不經(jīng)過(guò)DPF直接排入大氣中。本設(shè)計(jì)中基于80C51設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單有效，能合理的控制風(fēng)機(jī)的啟停，避免尾氣溫度低于220℃時(shí)使用強(qiáng)制風(fēng)冷，一定程度上節(jié)省能源。該冷卻裝置的使用，能對(duì)微米木纖維濾芯起到很好的保護(hù)作用，延長(zhǎng)它的過(guò)濾時(shí)間，同時(shí)能更好的促進(jìn)和確保微米木纖維DPF的實(shí)車(chē)應(yīng)用。但在實(shí)際情況中，柴油機(jī)運(yùn)行的工況更加復(fù)雜，產(chǎn)生的尾氣溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)更高，冷卻器的冷卻能力有限，冷卻后的尾氣溫度仍有可能稍高于220℃，因此需要在后續(xù)工作中對(duì)冷卻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Study on Cooling System of PM Filter Deviceof Micron Wood Fiber Filter Element

Guo Xiurong1，Liu Yuexiong1，Du Danfeng2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2.Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：DPF is one of the most effective techniques for purifying diesel exhaust.Micron wood fiber is a kind of new and green filter material.When it is used as the DPF filter，the filter possesses high efficiency，low backpressure and large holding capacity of dust.But it can’t withstand the high temperature exhaust(300~400℃)with long time and should be used with cooling device.In this paper，a forced air-cooled cooler was designed.According to the actual application situation，the cooling control system based on 80C51 was designed.The system can control fan start-stop based on tail gas temperature.In this way，the cooler can be used reasonably and effectively.Finally，the performance of the cooler was tested in JX493ZLQ3A diesel engine.The results showed that the diesel exhaust which produced under different load was cooled and the temperature had a substantial decline，below 220 ℃ under most conditions.Therefore，the cooler with wood fiber filter can meet the use requirements.

Keywords：DPF；micron wood fiber；air-cooled cooler；diesel engine

中圖分類(lèi)號(hào)：S 781；TS 642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)02-0053-06

作者簡(jiǎn)介：第一郭秀榮，副教授，博士。研究方向：汽車(chē)排放控制。E-mail:guoxiurong2014@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51378096)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2572014EB04-03)；2014年哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2014RFQXJ068)

收稿日期：2015-10-09

引文格式：郭秀榮，劉躍雄，杜丹豐.微米木纖維濾芯柴油機(jī)PM過(guò)濾裝置冷卻系統(tǒng)研究[J].森林工程，2016，32(2)：53-57.