碳烟传感器、碳烟微粒捕集器的结构与原理

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工作原理。
关键词 柴油机 排放控制 碳烟传感器 碳烟微粒捕集器 工作原理
1 碳烟传感器
在柴油机的排放控制系统中，设置了一种可以测量柴油机排烟的传感器（又称为“烟度传感器”），用于连续检测柴油机排放气体中的碳烟和未燃烧的碳粒，并输出一种能够反映碳烟存在程度的信号，然后通过电控单元（ECU）自动调节空气和柴油的供给量，以达到燃料完全燃烧和避免形成过多碳烟的目的。
1.1 碳烟传感器的基本结构
碳烟传感器的外形与汽油机的火花塞相似，该传感器的感应头由绝缘体、电极和催化剂等3部分组成。传感器本体（采用AL2O3制成陶瓷体）装在金属体中，上方通过中间体与接线盒相连，接入12 V或24 V直流电；金属体的下端有螺纹，可以方便地安装在排气管上。
在感应头的绝缘体中埋有两个电极，电极的下端伸出绝缘体，暴露在烟气中。这两个电极中间保持0.10 mm左右的缝隙，电极表面涂有强催化剂，使沉积在电极上的碳烟能够迅速被氧化，让电极始终保持干净，以满足连续测量的要求。
为了节省贵金属，降低制造成本，电极通常采用组合结构，即用15 mm长的铂丝和其他金属丝焊接在一起。
碳烟传感器的性能取决于催化剂，如果没有催化剂，由于两电极相距仅0.10 mm，很快会因积碳而失效。催化剂的选料和配方必须满足两个条件，一是具有良好的绝缘性能；二是能够促使碳烟迅速地进行氧化反应。只有这样，才能保证碳烟传感器测量的准确性和灵敏性。碳烟传感器的催化剂一般采用Cr2O3，SnO2或者Fe2O3，最好使用铂黑作为碳烟的催化剂。
当感应头刚刚接入电路时，由于电极之间的电阻很大，电路中没有电流或者只有极微小的电流。
1.2 碳烟传感器的工作原理
当碳烟传感器的感应头插入排气管的烟气中后，由于电极隙缝中充满了碳烟，两电极之间只有0.10 mm左右的间隙，于是形成碳桥，电极之间的电阻随着碳烟的多少而发生变化，碳烟少时电阻大，碳烟多时电阻小，所以电路中的电流值随着碳烟的多少相应变化。在电子控制系统中，碳烟传感器提供给电控单元的电流（μA）信号也随着碳烟的多少作出相应的变化。
随着柴油机负荷的改变，排气温度、烟度与碳烟传感器的信号电流也会相应变化（见下表）。柴油机的烟度与碳烟传感器的信号电流值的对应关系符合下面的关注：测试条件—柴油机转速2000 r/min，传感器使用24 V电源。
由于在感应头的电极端涂有强催化剂，加上烟气中有
充足的氧气存在，所以沉积在电极上的碳烟能被迅速氧化，不会因为电极上的碳烟堆积而使测量失效，尤其是在排气温度较高的情况下，连续测量的结果完全能够反映柴油机碳烟量的变化状况。
2 碳烟微粒捕集器
通过碳烟传感器检测到碳烟后，需要进行处理。电控柴油机对于碳烟微粒的过滤处理，通常采用碰撞吸附、惯性拦截、扩散拦截和重力沉降等方法，能使柴油机排气中的微粒下降70%～90%。其中碳烟微粒捕集器是常用的装置之一。
柴油机碳烟微粒捕集器又称“微粒过滤器”（DPF，如图），它通过蜂窝状的闭锁式单元，捕捉柴油发动机尾气中的微粒排放物，但允许气体通过，它的作用类似于汽车上的三元催化转化器，是减少柴油机碳烟排放的一种废气后处理技术装备。DPF目前所用的载体材料是堇青石陶瓷以及碳化硫。
DPF先捕捉、过滤废气中的碳烟微粒，然后对收集的微粒进行催化、氧化处理，以便清洁捕集器。碳烟微粒过滤器（DPF）捕获碳烟后，在500～600 ℃的高温下燃尽，就像自洁式烤炉一样，使碳烟微粒在控制单元（ECU）的控制下燃尽或再循环。再循环产生的热量使得DPF有足够的温度来燃尽引起排气管堵塞的碳烟。这种再生方式（除去微粒捕集器内积存的微粒的过程称为“再生”）称为“主动再生”，因为它不需要另外的能源。
图 碳烟微粒捕集器的安装位置及其陶瓷载体
由于催化剂受到燃油中硫的影响，所以在定期维护保养工作中，必须卸下DPF清理碳烟或更换微粒过滤器。DPF的工作寿命是24万km。
参考文献：
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