铁铬铝纤维过滤毡在柴油车尾气排放装置中的应用

来源:博翔净化时间:2019-01-29

1.欧盟范围内货车的废气排放标准急剧加严,这使得有效的排气后处理系统必不可少的程序。现有的两个后处理方案是颗粒捕集器和选择催化还原系统。颗粒捕集器是设计用来减少80%以上的颗粒排放,而采用一种氨形成还原剂的SCR系统则能降低相近数量的NOx排放。基于这些方案的后处理系统的主要开发重点是系统的耐久性。特别是为了保证所有运行范围的功能,排气后处理系统和发动机控制两者之间的必要联系仍须加以研究开发。为了达到0.02g/kW·h水平,颗粒物保留在捕集器中并被氧化以使捕集器再生。颗粒氧化期间捕集器的结构可能承受极大负荷。

特别危险的是捕集器材料中的热应力,这种热应力归因于空间有限颗粒燃烧期间的局部最高温度。 

2.如果只单独采用颗粒捕集器而发动机的开发目标是要求将NOx排放限制在3.5g/kW·h的水平下,那么仅能满足欧标准的第一步要求。若将欧3标准作为参考点,这意味着总NOx排放要减少另外的30%。发动机上的传统解决办法,例如延迟燃油喷射,会导致颗粒排放增加。如果采用颗粒捕集器,则颗粒物能降低到要求水平。

具有高热容量和大热传导率的材料是一种优势材料。捕集器的设计较大地影响燃烧期间热量的散发。颗粒局部燃烧后,放热反应在捕集器中扩展开来,这导致扩展方向上温度升高,特别是当某处存在较多颗粒聚集时。因此,短火焰路径也是一种有利条件,它意味着捕集器中需要短的流动通道。

3 烧结金属制造捕集器

用烧结金属制成的捕集器具有高热容量和大热传导率,且它们证明了其实用价值,特别是在极端高温条件下。因此,多年来它们被成功地用于卡车比赛。特别坚实的金属捕集器是由各种单一的金属板制成的。金属板的形状多种多样,各种单一的金属板被焊接在捕集器外壳中。废气径向地由外向内流过捕集器,从而保持短火焰路径和低热应力。铁铬铝纤维毡就是其中一种金属滤板的材料。

4 捕集器再生过程

来自柴油机的颗粒物主要由固体物质组成(颗粒和灰尘),捕集器将这些物质几乎100%捕集下来。此外,HC和硫酸盐依赖于温度状况会不同程度地吸附在颗粒物上,然后被释放。这样捕集器的总有效程度取决于捕集器中颗粒物的成分和温度分布情况。然而大多数捕集器将10~100nm范围内的颗粒物减少90%以上。

若采用硫含量少于10ppm的燃油,试验证明在欧洲稳态循环,捕集器的总效果及其对其他污染物的转化率高于90%。这意味着通过安装一个捕集器,利用欧2标准认证的发动机能很容易达到欧4的颗粒排放标准。

同时,主要归因于CRT催化剂的氧化作用,排放物中HC和CO大约减少90%。

如同任何高负荷氧化催剂一样,这种CRT氧化催化剂可高效地将燃油中讨厌的硫转化成使颗粒排放物增加的硫酸盐。因此,当燃油的硫含量大约为30ppm时,单单由于硫酸盐的形成就会导致颗粒排放超过欧4限值。

5 排气背压

排气处理系统的背压值应该保持尽可能低,这样才不致影响燃油经济性。仅有单独的消声器时可以达到的50~100mbar的背压值只有采用容积很大的捕集器才能保持。这样就导致排气后处理系统变得巨大、笨重和昂贵。因此,对每种独特的应用,必须找到排气背压与系统大小及成本两者之间最可能的折衷。

在设计过程中不但必须考虑到某个新捕集器的排气背压,而且还必须考虑到捕集器中来自不可燃残渣的积灰的影响,特别是来自发动机润滑油添加剂积灰的影响。油灰主要由硫酸钙和磷酸锌组成。这些物质不能通过捕集器的正常再生来消除掉,这样就在捕集器中聚集起来。特别是用来延长机油更换周期的高质量润滑油通常含有大量添加剂成分,这样就生成更多的油灰。通常货车用发动机润滑油中成灰物质的成分大约为1%~2%。

燃烧1L机油生成大约15g灰,这意味着达到10万km距离后,当机油耗为1L/1000km时,捕集器捕到的灰单独来自发动机机油就有1500g。通常捕集器中的沉积灰呈粉末状,但根据不同的基本工况,熔化可能发生,这加大了任何可能的系统净化的程度。因此,除了后处理系统匹配发动机大小和应用工况之外,优化发动机机油耗和进气系统也是绝对必要的。

自1995年以来,带CRT再生的颗粒捕集器就一直被采用,特别是用在城市公共汽车上。再生通过CRT催化剂维持。比较试验清楚地表明,由于机油耗增大,捕集器保持低排气背压的10万km性能不能充分实现。

当前解决办法是将捕集器从系统上拆下来,然后单独清洁。即使在采用快速拆封装置的地方,这也是一项费钱的保养措施,它不可能避免地增加了货车的运行成本。此外必须预想到,即使捕集器清洁处理后,原来的排气背压值将再也不会达到。由于这个原因,捕集器进行某种设计以免除捕集器的清洁工作。

对低水平保养捕集器系统的要求是:在捕集器通路中不应长期积灰;灰的去除须在不将排气后处理系统从车辆上拆下来的条件下进行;灰能得到恰当处理。正因为这个原因,Purem公司将其系统设计从通道结构发展为金属板捕集器。废气由外及里径向地流过各个金属板,这样灰就不会在某个通道的一端聚集。采用烧结金属过滤器意味着灰能容易地通过,并在灰箱里聚积。 正在进行的耐久性试验是通过考查灰的形成和捕集器的清洁来达到进一步优化捕集器功能的目的。初步结果显示一部分灰粘结到烧结金属表面,一部分灰坠离。

6 声学特性

由于用了氧化催化剂,那么就不能采用减小噪声的吸收垫。然而声压强度能通过插入不同元件来减小。消声器外壳的设计容积能通过具有大金属板剖面的独特形状来开发,因为废气不必轴向流过捕集器。很多消声器所采用的进口和出口在同一侧的设计也能用在烧结金属捕集器上。


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