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基于碳纖維過濾器的柴油微粒非催化后處理試驗驗證
柴油車具有低油耗、高耐用性的特點,并能減少溫室氣體CO2排放。然而,柴油車對環(huán)境的污染也十分嚴(yán)重,其中包括煙塵等在內(nèi)的微粒物質(zhì)(PM)是主要污染物。在2013~2014年,歐6標(biāo)準(zhǔn)對PM的要求從傳統(tǒng)的以質(zhì)量為基礎(chǔ)變?yōu)橐灶w粒數(shù)量為基礎(chǔ)。因此,除了對柴油機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒進(jìn)行改善之外,采用后處理技術(shù)如柴油微粒過濾器(DPF)等也是十分必要的。
目前,市場上商用DPF一般都是陶瓷蜂窩狀過濾器,然而隨著顆粒物的累積,過濾器的背壓變大,導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性變差且過濾效果也變壞。研發(fā)出可再生DPF的再生原理主要分為三類:①基于空氣動力學(xué)再生;②基于催化機(jī)理再生;③基于空氣動力學(xué)原理再生。其中,基于空氣動力學(xué)原理再生的DPF處理效果不好;而基于催化機(jī)理再生的DPF對催化基底材料的耐久性要求十分嚴(yán)格,而基底材料一般為稀有金屬,因此迫切需要一種無催化作用的PM后處理技術(shù)。
主要對碳纖維微粒過濾器進(jìn)行了研究,目前這種過濾器被廣泛應(yīng)用在航天航空工業(yè),其具有很高的耐熱性。這種過濾器的孔隙率是0.8,而普通的DPF孔隙率在0.4左右,因此碳纖維過濾器的背壓很低。為了防止孔隙阻塞,在過濾器的側(cè)壁中加入熱電偶,并通過引入高壓空氣實現(xiàn)過濾器的再生。將碳纖維過濾器安裝在一輛馬自達(dá)MPV柴油車上,并進(jìn)行了實車試驗。通過激光誘導(dǎo)可見光技術(shù)(LII)測量車輛的煙塵排放,利用X射線電腦掃描技術(shù)對過濾器內(nèi)部情況進(jìn)行觀測,并利用數(shù)學(xué)模型來模擬過濾器的再生原理。
通過對試驗車輛發(fā)動機(jī)的背壓、煙塵濃度以及轉(zhuǎn)速等的監(jiān)測,得出以下結(jié)論。
(1)當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加時,煙塵顆粒體積變大,導(dǎo)致DPF背壓升高。觀察無熱電偶加熱的過濾器表面,發(fā)現(xiàn)附著于碳纖維的煙塵顆粒直徑不斷變大,可到達(dá)其厚度的2倍以上。由于煙灰顆粒的沉積,因此DPF的平均孔隙率從0.8降至0.4。
(2)裝備過濾器會使背壓升高和增加廢氣中的煙塵排放。為了與安裝過濾器的背壓一致,對發(fā)動機(jī)排氣管進(jìn)行填充。當(dāng)過濾器在相同的壓力條件下進(jìn)行測試時,系統(tǒng)的有效性可以得到證實。
(3)煙塵顆粒的尺寸減小,數(shù)量濃度大大降低,大多數(shù)煙塵顆粒被截留并在過濾器內(nèi)燃燒,處理過后重新形成小于30μm的更小顆粒,這是因為在燃燒過程中更小的納米顆粒聚集折疊形成的。
(4)在過濾器內(nèi)部,廢氣中煙灰首先被沉積,然后再被氧化。隨著過濾器壁溫度升高,煙灰的氧化程度也大幅上升。因此,過濾器壁溫度是促進(jìn)煙灰氧化、減少更小顆粒的關(guān)鍵因素。
刊名:Tribology International(英)
刊期:2014年第72期
作者:Kazuhiro Yamamoto et al
編譯:郭明超