微米木纖維濾芯柴油機PM過濾裝置冷卻系統研究

郭秀榮，劉躍雄，杜丹豐

(1.東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040；2.東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

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微米木纖維濾芯柴油機PM過濾裝置冷卻系統研究

郭秀榮1，劉躍雄1，杜丹豐2

(1.東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040；2.東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

摘要：尾氣微粒捕集器(DPF)技術是目前控制柴油機尾氣PM(Particulate Matter)最有效的后處理技術之一。以微米木纖維作為DPF濾芯材料時，具有過濾效率高、排氣背壓小和容塵量多等優點。但是不能長時間承受尾氣300~400℃的高溫，需結合冷卻裝置使用。為此本文設計了一種強制風冷式冷卻器。該冷卻器基于單片機80C51設計冷卻控制系統，可根據尾氣溫度實現對風機的啟停控制，并在JX493ZLQ3A柴油機上進行了試驗驗證。結果表明，柴油機在不同負荷下產生的尾氣經過冷卻器后，溫度都有大幅度的降低，且大多數工況下冷卻后的溫度都低于木纖維濾芯可耐受的220℃，滿足木纖維濾芯的使用要求。

關鍵詞：DPF；微米木纖維；風冷式冷卻器；柴油機

0引言

柴油車具有較高的熱效率，較大的功率，良好的動力性與經濟性，但其碳煙顆粒(PM，Particulate Material)排放卻是汽油車的30～80倍[1]。PM表面附著的金屬氧化物、碳氫化合物、硫酸鹽、微細粒子和有致癌突變作用的多環芳烴，會對環境和人體健康帶來嚴重的危害[2-3]。目前，微粒捕捉器(Diesel Particulate Filter，DPF)技術是控制柴油車尾氣PM排放最為簡單和有效的后處理技術之一，而濾芯的性能直接決定DPF的過濾效率[4-5]。微米木纖維(MWF，Micro Wood Fibre)將作為一種新型柴油車尾氣過濾材料應用于DPF中，它具有過濾效率高、排氣背壓小、容塵量大、取材廣泛和成本低廉等優點[6]。由于木材的自然屬性，當木材處于270℃以上環境時，木材進入碳化階段，首先在表面形成炭化層，而微米木纖維較實木相比，會更容易被炭化[7-8]。當微米木纖維長期處于220℃以上環境中時，會逐漸失去原有的韌性和強度，并最終導致過濾效率的喪失。柴油發動機是一個溫度很高的熱源，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]。所以本文設計一個風冷式冷卻器，對尾氣進行冷卻，并基于單片機80C51設計冷卻控制系統，控制冷卻器風機的啟停，使得尾氣溫度在高于220℃時，風機啟動；反之，風機停止，達到合理有效使用冷卻器和節約能源的目的。

1微米木纖維濾芯

濾芯性能的好壞直接影響DPF的過濾效率和排氣背壓。微米木纖維濾芯(如圖1所示)具有過濾效率高、容塵量大、排氣背壓小和成本低廉等優勢。它是利用精密加工技術生產出微米木纖維再進行熱處理、揉絲和模壓等一系列工藝制作而成的。經過高溫蒸汽熱處理后的微米木纖維，紋孔膜均被打開，擴大了過濾和吸附表面積，大大地增強了對PM的吸附作用[10]。微米木纖維材料的天然生物質多孔結構以及大量木纖維堆疊時產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法長期處于超過220℃的高溫環境中，因此需要將尾氣在進入DPF之前進行冷卻。

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

2風冷式冷卻器結構設計

由于DPF通常安裝在排氣尾管處，距離發動機較遠，不宜利用發動機水冷卻系中的水來進行冷卻。因此本文采用風冷式冷卻器，利用空氣作為冷卻介質，對管內高溫尾氣進行冷卻。與水冷卻器相比，風冷卻器經濟性好，維護成本低，不存在結垢的問題，且使用壽命長。

2.1冷卻器結構設計

冷卻器結構示意圖如圖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，并在其上焊接多個圓形翅片，尾氣由管內通過，增強冷卻效果[11]。翅片管固定在左右擋板之間，相鄰的翅片管交錯布置。在多排翅片管中，隨著管排數增加，氣流阻力也會增加，導致到達內部翅片管的冷空氣減少，影響內部翅片管的冷卻效果。因此在冷卻器上下各布置一個風機，固定在擋板和蓋板之間，使風可以從上下兩面同時進入到翅片管的間隙中，增加進風量，加大了冷風與內部翅片管的接觸，這樣能讓翅片管均勻散熱，增強冷卻效果。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—風機；3—翅片管；4—蓋板；5—右擋板；6—碗型管；7—氣室；8—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　風冷式冷卻器結構圖Fig.2 The structure diagram of air-cooled cooler

2.2冷卻器結構尺寸理論計算

2.2.1散熱量

由于柴油車在多數工況下運行時，排氣尾管處的尾氣溫度都低于450℃[9]，因此在計算中假設尾氣溫度為Tmax=450℃，并設冷卻后的尾氣溫度Tout=220℃，根據文獻[12]可計算冷卻器的散熱量：

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

以翅片管外表面積為基準(包括基管外表面積及翅片面積)，有公式：[12]

(2)

式中：ri、r0分別為管內和管外污垢熱阻，m2·℃/W；di、d0分別為基管內徑、基管外徑，m；hi、h0分別為管內側和管外側的換熱系數，W/( m2·℃)；λ為管材的導熱系數，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分別為管外無翅片部分表面積、管外翅片部分表面積、管內表面積、管外表面積，m2。

(4)

(5)

Ai=πdi·l。

(6)

A0=Af+Ab。

(7)

式中：l為管長，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冷卻器散熱面積計算[14]

(8)

式中：Δt為平均傳熱溫差[12]

(9)

式中：Ta為環境溫度，℃。

根據以上公式的計算結果以及考慮冷卻器安裝等問題，采用的冷卻器參數見表1。

表1　冷卻器參數

為了更加有效合理的使用該冷卻器，設計了冷卻控制系統。在尾氣出入口放置兩個溫度傳感器，單片機根據溫度傳感器1的采樣信息控制風機的啟停，溫度傳感器2采集尾氣被冷卻后的溫度。風機由12 V直流電機驅動。

3冷卻控制系統設計

3.1硬件設計

3.1.1溫度傳感器測量電路

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，采用三線式接法可以消除引線電阻帶來的測量誤差。電路中所需的4.096V參考電源由電位器VR1和TL431調節產生；采用R3、R4、VR2、Pt100構成測量電橋(其中R3=R4，VR2為100Ω精密電阻)，當Pt100的電阻值不等于VR2的電阻值時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，通過LM324將壓差信號放大，經芯片ADC0809轉換后則可直接被單片機讀取。溫度傳感器1和溫度傳感器2的信號分別通過P1.0和P1.1輸入單片機。

圖3　Pt100測溫電路Fig.3 The temperature measurement circuit of Pt100

3.1.2直流電機驅動電路

冷卻器中的風機驅動采用12V直流電機，而單片機只能提供+5V電壓，故需用放大元件L298N來驅動直流電機。1個L298N芯片有4個輸出口，能同時驅動兩個直流電機。圖4為直流電機驅動電路。單片機的P3.0～P3.3引腳分別與L298N的IN1~IN4引腳相連，電機的啟停由P3.0~P3.3引腳上的高低電平控制。L298N的兩個使能端EnA和EnB輸入高電平時有效，分別控制OUT1和OUT2之間電機、OUT3和OUT4之間電機的啟停。為了避免電機產生的反向電動勢影響L298N，在直流電機與L298N之間加入4對續流二極管并與電源正極或地相連，將反向電動勢產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，使電機穩定工作。C8和C9是電源退耦電容。

圖4　直流電機驅動電路Fig.4 The circuit of the driving DC motor

3.2軟件設計

本設計中軟件部分采用模塊化設計方法，主程序由初始化子程序、溫度信號采集子程序和直流電機驅動子程序等幾部分組成，在Keil51軟件上使用C語言編寫并調試。其中，初始化部分包括I/O口初始化、看門狗模塊初始化、系統復位及時鐘初始化和AD的初始設置等。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測量尾氣的溫度采樣，經放大、A/D轉換后通過P1.0口輸入到單片機。測量的溫度與系統設定的溫度值T0=220℃比較，當溫度傳感器1檢測到尾氣溫度超過220℃時，尾氣需要被冷卻，此時，單片機通過P3口輸出信號控制電機驅動電路，啟動風機，對尾氣進行強制冷卻；當溫度低于220℃時，風機停止，尾氣經冷卻器自然冷卻。

4試驗與結果分析

試驗用發動機為JX493ZLQ3A柴油機，其額定功率85kW，額定轉速3600 r/min，通過FC2000發動機測控系統調節發動機轉速和扭矩。試驗用冷卻器根據上文的計算值采用套片式翅片管加工而成。整個實驗過程在室內完成，室內溫度20℃，相對濕度45%±10%。柴油機在2000 r/min、160 N·m的工況下運行，分別對DPF前加冷卻器和不加冷卻器時進行試驗。本文中試驗所用濾芯的尺寸均為直徑120 mm，高140 mm。圖6為尾氣不經過冷卻時，運行32h后微米木纖維濾芯的狀態，柴油機在該工況下運行時，尾氣溫度已經超出了微米木纖維濾芯的可承受范圍，長期處于高溫尾氣中，使得濾芯已經被嚴重炭化；圖7是DPF前加裝了冷卻器，工作32h后的微米木纖維濾芯，此時的濾芯依然完好。通過圖6和圖7對比可以發現，冷卻器對濾芯起到了很好的保護作用。

圖6　尾氣不經冷卻過濾32h后的濾芯Fig.6 The filter material when the tail gaswas not cooled and filtered after 32h

圖7　尾氣經冷卻過濾32h后的濾芯Fig.7 The filter material when the tail gaswas cooled and filtered after 32h

本試驗中還在不使用濾芯的情況下對冷卻器進行了單獨的測試，檢驗冷卻器在柴油機不同工況下的冷卻效果。開始試驗時，將柴油機冷啟動后，怠速運行15 min，再通過FC2000發動機測控系統調節至所需工況。每一工況下的數據都穩定運行8 min后開始記錄，并隔30 s記錄一次，共記錄6次，取平均值作為該轉速時尾氣冷卻前后的溫度。為了方便調試和實時記錄數據，通過組態王軟件與上位機聯系。圖8和圖9為上位機截圖。

圖8　轉速1200 r/min上位機截圖Fig.8 The screenshot of PC at 1200 r/min

從圖8中可以看出，轉速為1200 r/min時，冷卻前的尾氣溫度為203℃，低于系統設定溫度(可根據實驗要求設定)。此時，風機不工作，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，轉速到達2000 r/min時，尾氣溫度升高至310℃，超過系統設定溫度。此時，風機啟動，使得尾氣流經冷卻器進行強制冷卻。冷卻過后的尾氣溫度為138℃，低于220℃，達到了冷卻要求，可以安全通過DPF。

圖9　轉速2000 r/min上位機截圖Fig.9 The screenshot of PC at 2000 r/min

在此次試驗中，將柴油機節氣門開度依次設置為25%、50%和75%，改變柴油機轉速，記錄在不同轉速下的尾氣溫度。表2~表4為實驗結果。

表2　節氣門開度為25%時冷卻器測試結果

表3　節氣門開度為50%時冷卻器測試結果

表4　節氣門開度為75%時冷卻器測試結果

從表2~表4中可以看出，當柴油機以低轉速低負荷運行時，尾氣溫度有可能低于220℃，此時風機不啟動，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轉速和負荷的增加而逐漸升高，當柴油車到達一定工況時，尾氣溫度就會超過微米木纖維濾芯可承受的溫度，此時風機啟動。表2、表3、表4中可以看出，根據上文理論計算的參數設計的冷卻器，對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。尾氣經過冷卻器后，溫度都有大幅度下降，在大部分工況下都低于220℃，只有當柴油機在高轉速高負荷下工作時，冷卻后的尾氣溫度稍大于220℃。

5結論

試驗研究表明，根據理論計算的參數設計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，在柴油機大部分工況下都能滿足微米木纖維濾芯的要求，只有在高負荷高轉速等工況下，有可能超過220℃，此時，尾氣將不經過DPF直接排入大氣中。本設計中基于80C51設計的冷卻系統簡單有效，能合理的控制風機的啟停，避免尾氣溫度低于220℃時使用強制風冷，一定程度上節省能源。該冷卻裝置的使用，能對微米木纖維濾芯起到很好的保護作用，延長它的過濾時間，同時能更好的促進和確保微米木纖維DPF的實車應用。但在實際情況中，柴油機運行的工況更加復雜，產生的尾氣溫度相對來說會更高，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℃，因此需要在后續工作中對冷卻進行優化設計。

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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

中圖分類號：S 781；TS 642

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)02-0053-06

作者簡介：第一郭秀榮，副教授，博士。研究方向：汽車排放控制。E-mail:guoxiurong2014@163.com

基金項目：國家自然基金項目(51378096)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(2572014EB04-03)；2014年哈爾濱市應用技術研究與開發項目(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PM過濾裝置冷卻系統研究[J].森林工程，2016，32(2)：53-57.