柴油機(jī)微粒過濾系統(tǒng)的研究.pdf

1、為滿足日益苛刻的排放法規(guī)，僅憑機(jī)內(nèi)凈化措施來減少柴油機(jī)的微粒排放是極其困難的。另外，盡管機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)使微粒物的質(zhì)量排放總量得以削減，但微粒的個(gè)數(shù)卻沒有減少，而且生成了粒徑更小的排放物。越來越多的研究表明，柴油車排放的小微粒對(duì)人體健康危害更大，而未來的法規(guī)很可能會(huì)對(duì)柴油機(jī)微粒物排放的數(shù)量進(jìn)行限制。因此越來越多的國家關(guān)注機(jī)動(dòng)車的小微粒排放，而微粒過濾器是未來解決小微粒排放問題的最有效措施之一。基于此點(diǎn)，本文圍繞柴油機(jī)微粒過濾系統(tǒng)進(jìn)行了如下研

2、究： 1．柴油機(jī)微粒過濾器對(duì)柴油機(jī)微粒組分特性影響的研究。運(yùn)用自行設(shè)計(jì)、制作的柴油機(jī)微粒取樣器，對(duì)未安裝過濾器、安裝袋濾器、安裝陶瓷過濾器三種情況下的柴油機(jī)排氣微粒進(jìn)行采集，分析柴油機(jī)工況對(duì)微粒組分特性的影響，以及微粒中可溶有機(jī)組分（SOF-Soluable Organic Fraction）中烷烴和芳香烴等成分的排放特性等。研究結(jié)果表明：在相同轉(zhuǎn)速下微粒排放量隨負(fù)荷的增加而增大。隨著負(fù)荷的增加，微粒中SOF的百分含量在逐漸減少

3、，不可溶有機(jī)成分（IOF-Insoluble Organic Fraction）的百分含量在逐漸增加。SOF的含量從低負(fù)荷時(shí)的15％到高負(fù)荷時(shí)的45％左右，其對(duì)微粒特性的影響不能忽略。微粒中可溶性有機(jī)物SOF中正烷烴的總含量占到了70％～80％；支鏈烷烴的總含量在2％～22％之間；多環(huán)芳香烴的總含量在1％～13％之間。柴油機(jī)在不同運(yùn)行工況下，其排出SOF碳原子數(shù)分布稍有不同。另外，袋濾器過濾后微粒中SOF的百分含量比陶瓷過濾器過濾后的略

4、低；袋濾器過濾后微粒SOF中各組分百分含量均在20％以下，各組分過濾比較均勻；陶瓷過濾器過濾后個(gè)別工況個(gè)別組分的相對(duì)含量達(dá)到近40％；袋濾器對(duì)多環(huán)芳香烴的過濾效率要高于陶瓷過濾器。綜合來看，袋濾器是一種過濾效果較好的后處理裝置。 2．柴油機(jī)排氣微粒燃燒特性的分析研究。對(duì)采集的柴油機(jī)排氣微粒，利用熱重分析技術(shù)，研究了微粒在氧氣濃度分別為10％、20％、30％，升溫速率分別為10℃/min、20℃/min、30℃/min、40℃/m

5、in，微粒質(zhì)量分別為>5mg、3．5mg～3mg、<1．5mg的燃燒性能。結(jié)果表明：微粒的燃燒明顯分為揮發(fā)份析出（低溫段）和固定碳（高溫段）的燃燒兩個(gè)階段。低溫段的失重占總失重的20％左右；高溫段的失重占總失重的70％左右，說明微粒燃燒過程主要是固定碳的燃燒。氧氣濃度較低的時(shí)候，燃燒需要較高的溫度；反應(yīng)溫度較低的時(shí)候，需要較高的氧氣含量。綜合起來看，在氧濃度較低時(shí)，隨著氧氣濃度增大，燃燒性能呈現(xiàn)良好的趨勢(shì)。但同時(shí)也表現(xiàn)出，氧氣濃度為20

6、％、30％時(shí)的情況比較接近，與氧氣濃度為10％時(shí)的差距比較明顯。說明提高空氣中氧氣濃度對(duì)微粒燃燒性能影響不大。另外研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧氣濃度在20％、30％時(shí)的反應(yīng)平均活化能為60kJ/mol左右。目前采用燃油添加劑可以使微粒的活化能降低到這個(gè)數(shù)值，也就是說如果用空氣或含氧量更高的氣體來做燃燒反應(yīng)氣氛的話，可以滿足過濾器被動(dòng)再生時(shí)對(duì)微粒活化能的要求。 3．根據(jù)理想流體質(zhì)點(diǎn)的聲傳播控制方程，建立了考慮流速、熱傳導(dǎo)和粘性時(shí)，微粒過濾器內(nèi)

7、的聲傳播控制方程。以此為基礎(chǔ)，利用達(dá)西定律求解微粒過濾器相鄰單元孔壁的壓降，進(jìn)而建立了微粒過濾器的傳播常數(shù)和傳遞矩陣的計(jì)算模型。以此模型計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)在特定工況下的插入損失，并和試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了理論分析的正確性。 4．建立了微粒過濾器氣體流動(dòng)的三維數(shù)值模型。以k-ε紊流模型理論為基礎(chǔ)，把過濾單元作為多孔介質(zhì)，模擬了袋濾器內(nèi)的排氣流動(dòng)特性，并用FLUENT軟件進(jìn)行求解。最后將數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所建