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柴油机壁流式陶瓷过滤体的开发与性能分析
作者:管理员    发布于:2016-01-12 17:02:50    文字:【】【】【

  体进r了改进;同时,根据过滤体反吹再牛。的技术特点。探索性地开发了新型金属涂层壁流式陶瓷过滤体。对改进后的壁流式过滤体和金属涂层壁流式过滤体的阻力特性、过滤特性以及再生特性等进行了试验和分析,试验结果表明。改进后的过滤体的各方面性能有了很大的提高,金属涂层过滤体表现出良好而的性能-:柴油机壁流式过滤体金属涂层性能0刖目在目前各种柴油机微粒捕捉技术中,微粒过滤技术是公认的为有效的微粒净化技术。

  柴油机排气微粒过滤捕捉技术中采用的过滤体主要是壁流式陶瓷过滤体。我国虽在“八五”和“九五”期间成功开发出壁流式陶瓷过滤体,但与国外同类产品相比,过滤体在各方面性能还有相当差距。

  根据柴油机排气微粒净化的需要,并结合开发的过滤体反吹再生技术的特点,对壁流式陶瓷过滤体的制造工艺、原料配方及微观结构参数进行了改进,同时探索性地开发出新型金属涂层壁流式陶瓷过滤体。

  对过滤体的基本要求是:较高的过滤效率、较低的排气阻力和较好的再生特性等对改进后的壁流式过滤体和金属涂层壁流式过滤体的阻力特性、过滤特性以及再生特性等进行了分析和研究。试验结果表明,改进后的过滤体的各方面性能有了很大的提高:金属涂层过滤体表现出良好而的性能,更加适合于反吹再生。

  1原有壁流式过滤体的性能分析过滤效率和排气阻力是柴油机排气微粒过滤体的两个重要的性能指标。

  所示为原有壁流式过滤体与CORNING公司的壁流式过滤体的排气阻力和过滤效率的比较t从图可以看到,原有过滤体的气流阻力明显高于CORNING过滤体;原有过滤体的过滤效率在*国家863计划(2001AA643020)和国家自然科学基金(40475048愤助项「1.2004122〗收到初稿。20051101收到修改稿柴油机中低转速时高于CORNING过滤体,高转速时则要略低于CORNING过滤体。根据目前柴油机微粒排放状况及对微粒净化的要求,微粒过滤效率只要超过80即可满足需要。因此,过滤体排气阻力高是原有过滤体所存在的为主要的问题。

  原有过滤体与CORNING过滤体的性能比较通过使用OLYMPUSPMG3金相显微镜对过滤体的微观结构进行观察和分析可以发现,原有过滤体的平均微孔径和孔隙率比CORNING过滤体略小,而微孔孔径方差则要大于CORNING过滤体;原有过滤体的过滤壁面厚度比CORNING过滤体略大。过滤体的平均微孔径小、孔隙率低、微孔径分布均匀性差以及过滤壁面厚度大是原有过滤体排气阻力大的重要原因。

  2原有过滤体的改进及金属涂层过滤体的开发2.1壁流式陶瓷过滤体的改进原有过滤体的改进主要从以下几个方面入手。

  过滤体原料颗粒度分布的选择。对相同配方的熟料进行分组试验,以此确定过滤体的基准颗粒粒度分布。滑料颗粒及堇青石熟料的粒度集中在50-85(xm的范围内,中位径控制在67径为0.045mm的石英砂以扩大过滤体的微孔孔径。

  加入3~5的石英砂,可有效增大微孔孔径12nm.调整生熟料比例,生料比例为25~30(质量比)。将过滤体孔隙率严格控制在48°/<52范围内,平均微孔孔径控制在14nm左右。

  造孔剂的选择。选用碳颗粒和有机高分子颗粒作为造孔剂。试验表明,有机高分子颗粒的粒度可控,且产生的气孔孔径比较均匀。综合多次试验结果,决定选择直径为0.080~0.125mm的有机高分子颗粒作为过滤体的造孔剂,造孔剂掺量为5 7(质量比)。

  成分配方的改进。考虑从热膨胀系数和强度两方面提高过滤体的耐反吹冲击性能。

  在以往过滤体生产时,在原料中添加低膨胀系数的锂辉石。由于锂辉石熔点较低,从而抑制了锂辉石的加入量。试验发现,钛酸铝熔点高,加入量一般可在10~30.试验同时发现,还可在堇青石基质中加入5左右的熔融石英。熔融石英加入量越多,过滤体热膨胀系数越小。但熔融石英加入量过多时,混合料的塑性变差,蜂窝体易出现层裂,所以以5的加入量为宜。

  研究表明,在堇青石中添加15纳米级的氧化铝,可使蜂窝体强度增加20左右。纳米氧化铝容易团聚。通过采用电磁波振荡的方式将氧化铝分散形成浆料,以浆料形式加入,可取得较好的增强蜂窝体强度的效果。

  烧结工艺的选择。试验表明,随烧结温度及保温时间增加,粒子的扩散能力增强,致密化程度提高;同时,随着坯体中液相量的增加,粒子更易拉紧靠拢,冷却后玻璃相质量分数较多,烧结后坯体的孔隙率减小。为保持过滤体的高孔隙率、较大的微孔孔径和较低的热膨胀系数,烧结工艺确定为:2.2新型金属涂层壁流式陶瓷过滤体的开发除应具有较高过滤效率和较低排气阻力外,过滤体还应与所采用的再生技术相适应。

  过滤体反吹再生技术将过滤体的再生和微粒的燃烧分开,避免了微粒在过滤体中燃烧及不可燃微粒在过滤体内的积存。反吹再生技术是我国“十五”863计划项目中开发的一种过滤体再生技术。

  根据过滤体反吹再生技术的需要,尝试开展了新型金属涂层壁流式过滤体的开发与研究。

  金属涂层壁流式过滤体开发的思路是,增大壁流式蜂窝陶瓷的壁面微孔尺寸,减小过滤壁面厚度,在过滤通道面涂覆致密的金属附着层。由于金属附着层致密且厚度小,真正起微粒过滤作用的主要是金属涂层,而陶瓷壁面主要起支撑作用和辅助的微粒捕集作用。致密光滑的金属涂层既有利于滤饼层的快速形成,又便于微粒的反吹分离。而极薄的金属涂层和较大的陶瓷壁面微孔尺寸及较小的过滤壁面厚度,则可以有效地降低排气阻力。陶瓷壁面厚度减小之后的强度则通过金属涂层来保证。

  金属涂层壁流式过滤体开发的关键主要是解决金属涂层的成分及涂覆工艺。由于过滤体反吹再生技术避免了微粒在过滤体中燃烧,因此对金属涂层的耐高温要求降低。金属涂层成分的关键是提闻其抗腐蚀性。而涂覆工艺则需保证金属涂层表面形态均匀规则和均匀且薄的涂层厚度。

  在反复试验的基础上,先后开发出多批金属涂层壁流式过滤体。金属涂层过滤体陶瓷过滤壁面厚度在0.2 ~0.3mm,壁面微孔孔径在25nm以内;金属涂层厚度在50pm以内,微孔径小于1nm. 3改进后过滤体及金属涂层过滤体的性能分析这里选择有代表性的两种改进后的壁流式陶瓷过滤体(分别定义为改进1号和改进2号过滤体)和两种金属涂层过滤体(分别定义为涂层1号和涂层2号过滤体),对其性能进行试验对比分析。

  改进1号过滤体的孔隙率、平均微孔孔径及过滤壁面厚度基本与原有过滤体相同,但微孔孔径分布均匀性有较大改善。改进2号过滤体在对微孔孔径分布均匀性进行改进的同时,适当增加了过滤体的孔隙率和平均微孔孔径,并减小过滤壁面厚度。

  涂层1号和涂层2号过滤体的陶瓷壁面厚度、壁面微孔孔径及孔隙率基本相同;不同的是涂层1号过滤体的金属涂层更加致密,厚度也更大一些。

  /讲泷塍3.1过滤体阻力特性分析给出的是在气流阻力试验台上测定的不同过滤体气流阻力的比较。则给出了在柴油机试验台上测定的不同过滤体排气背压随柴油机工作时间的变化。中的柴油机试验工况为,转速2000r/min,负荷从中可以看到,尽管改进1号过滤体的孔隙率、平均微孔孔径及过滤壁面厚度与原有过滤体基本相同,但微孔孔径分布均性的改善显著地降低了过滤体的气流阻力。

  从改进1号过滤体与改进2号过滤体气流阻力的比较上看,增加过滤体孔隙率和平均微孔孔径,并减小过滤壁面厚度,可进一步降低过滤体气流阻力,但会相应地降低过滤体的过滤效率,这一点从后面的试验结果中可以看到。

  对于金属涂层过滤体来说,涂层的致密程度和厚度对过滤体的气流阻力有重要的影响。从中可以看到,由于金属涂层过于致密,同时涂层厚度较大,因此涂层1号过滤体的气流阻力显著高于涂层2号过滤体。涂层1号过滤体的气流阻力与原有过滤体基本相当,甚至略高于原有过滤体。

  过滤体排气背压随柴油机工作时间的变化规律与过滤体的气流阻力特性密切相关,但同时与过滤体的微观结构也有很大关系。从中可以看到,改进1号和改进2号过滤体的排气背压随柴油机工作时间的增加幅度明显低于原有过滤体。

  尽管涂层1号过滤体的气流阻力与原有过滤体基本相当,但其排气背压随柴油机工作时间的增加幅度却明显低于原有过滤体和改进后的过滤体。柴油机工作100min后,涂层1号过滤体的排气背Hi已低于改进1号过滤体;工作150min时,排气背压已与改进2号过滤体的排气背压基本相当。

  从过滤体的阻力特性上看,改进2号过滤体和涂层2号过滤体较为理想。从过滤体排气背压的变化上看,涂层2号过滤体好于改进2号过滤体。

  3.2过滤体过滤特性分析给出的是柴油机按负荷特性(转速2 000r/min)和全负荷速度特性运行时,原有过滤体与改进过滤体及金属涂层过滤体过滤效率的比较。

  柴油机按负荷特性(转速2000r/min)和速度特性运行时不同过滤体过滤效率的比较对比改进1号过滤体和原有过滤体的过滤效率可以看到,由于微孔孔径分布均匀性的改善,改进1号过滤体的过滤效率在试验的柴油机负荷和转速范围内普遍好于原有过滤体。由于孔隙率和平均微孔孔径较大且过滤壁面厚度较小,改进2号过滤体的过滤效率低于改进1号过滤体和原有过滤体。由于金属涂层的致密程度和厚度不同,涂层1号过滤体的微粒过滤效率高于涂层2号过滤体。

  从中可以看到,柴油机按负荷特性运行时,原有过滤体和改进1号过滤体的过滤效率随负荷的增加而提高;改进2号过滤体的过滤效率随负荷的增加,在低负荷时升高,高负荷时却有所降低;涂层1号和涂层2号过滤体的过滤效率随负荷的增加有下降的趋势,尤其在高负荷时,下降的趋势比较明显。过滤体微观结构参数和结构形式会直接影响过滤体的过滤特性。

  柴油机按速度特性运行时,改进后的过滤体和金属涂层过滤体的过滤效率随柴油机速度的增加而提高,但原有过滤体的过滤效率却有所下降,这可能是由于过滤体微孔孔径分布均匀性较差造成的。

  从过滤特性上看,改进2号和涂层2号过滤体的过滤效率普遍低于改进1号和涂层1号过滤体。但即使如此,在试验的柴油机负荷和转速范围内,过滤体的过滤效率基本都在90以上。比较而言,涂层2号过滤体的过滤特性好于改进2号过滤体。

  给出的是过滤体的过滤效率随柴油机工作时间的变化。中的柴油机试验工况为,转速2000r/min,负荷从中可以看到,过滤体的过滤效率一般随柴油机工作时间的增加而上升,其中金属涂层过滤体的过滤效率具有更加明显的上升趋势,这表明金属涂层过滤体具有更强的表面过滤特性。

  3.3过滤体再生特性分析过滤体的再生特性对过滤体的应用具有直接影响。再生特性可以用再生效率表示。由于柴油机排气背压与过滤体微粒沉积量具有很好的比例关系,因此这里用一定工况下过滤体再生后的排气背压与清洁过滤体排气背压计算过滤体的再生效率。

  下表给出的是采用反吹再生技术时,过滤体再生效率的比较。

  表不同过滤体不同再生次数时再生效率的比较原有过滤体再生改进号过滤体再生改进2号过滤体再生涂层1号过滤体再生涂层2号过滤体再生1次5次10次1次5次10次1次5次10次1次5次10次1次5次10次再生效率从表中可以看到,对不同的过滤体,多次再生后的再生效率与次再生时的再生效率相比都有不同程度的下降;但随着再生次数的增多,再生效率都基本保持在一定的范围内。

  原有过滤体与改进1号过滤体的再生效率及变化趋势基本相同,说明微孔孔径分布均匀性对再生效率影响不明显。改进2号过滤体的再生效率高于原有过滤体和改进1号过滤体,说明增大过滤体的孔隙率和平均微孔孔径或减小过滤体壁面厚度有利于提高过滤体的反吹再生效率。

  金属涂层过滤体的反吹再生效率明显高于原有过滤体和改进后的过滤体,且多次再生后再生效率的下降幅度也要明显低于改进1号和改进2号过滤体。金属涂层过滤体表面的金属涂层薄且致密,金属涂层的基底一陶瓷壁面的微孔孔径较大、厚度较薄,因此更适合于反吹再生。相比较,由于金属涂层过于致密,同时厚度也大,因此涂层1号过滤体的再生效率略低于涂层2号过滤体。

  给出的是清洁过滤体及多次再生后的改进2号和涂层2号过滤体排气背压随工作时间的变化。

  从中可以看到,相比较而言,由于微观结构参数和结构形式不同,多次再生后的改进2号过滤体,其排气背压随工作时间的增加幅度明显大于多次再生后的涂层2号过滤体。的结果也表明,相对而言,金属涂层过滤体更适合于反吹再生。

  3.4过滤体强度分析过滤体反吹再生时,会受到强烈的高压空气冲击,因此过滤体必须具有一定的耐反吹冲击性能。

  在过滤体冲击考核试验台上对过滤体的耐反吹冲击性能进行了试验。试验时,排气温度控制在300r左右,反吹再生气体压力为0.6MPa,反吹脉宽0.5s,反吹周期30s.每反吹1000次,对过滤体的状况进行一次检查。

  nJ靠性考核试验结果表明,进行3000次冲击考核后,过滤体整体保持完好,表面没有发现裂纹,也没有发生过滤体端头堵塞物脱落情况。但有个别过滤体的1~4个反向通道颜色较深。其原因很可能是由f这些通道孔壁在某处出现了脱落或破裂,产生较大的孔隙,从而造成排气未经过滤而直接进入相邻通道,使该通道的颜色变深。因此,尚需对过滤体壁厚的均匀性以及耐冲击强度做进一步提高。

  4结论过滤效率和排气阻力是柴油机排气微粒过滤体的两个重要的性能指标。排气阻力高是原有过滤体存在的为主要的问题。除了应具有较高的过滤效率和较低的排气阻力外,柴油机排气微粒过滤体还应与所采用的再生技术相适应。

  根据柴油机排气微粒净化的需要和目前生产的壁流式陶瓷过滤体的性能状况,并结合过滤体反吹冉生技术的特点,对壁流式陶瓷过滤体的生产工艺、原料配方及微观结构参数进行了改进,同时探索性地开发出新型金属涂层壁流式陶瓷过滤体。

  试验结果表明,改进后的过滤体和金属涂层过滤体在排气阻力特性方面有了显著改善。尽管在某些工况下过滤效率较原有过滤体略有下降,但基本都保持在90以上,可以满足微粒净化的需要。

  过滤体的微观结构参数和结构形式除了会直接影响过滤特性外,对反吹再生特性也具有很大的影响,试验结果表明,金属涂层过滤体表现出良好而的性能;特别是在反吹再生特性方面,显示出的优越性,值得开展进一步的深入研究。

  如何在保证过滤效率的前提下,进一步降低金属涂层过滤体的气流阻力,是下一步研究工作的重点,特别是要在涂层厚度、涂层微孔尺度及均匀程度的控制方面开展深入的研究工作。

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