（动力机械及工程专业论文）柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究.pdf

j-1 s t u d yo nd i e s e lw a l l - f l o wf i l t e rf o r a s hd b 歹 h u a n gy i n g b e ( x i h u au n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e i n p o w e rm e c h a n i s ma n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rg o n gj i n k e m a r c h ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 法律后果由本人承担。 作者签名： 矗辽己日期：切，年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：b f f 年之月7 日 日期：幻f f 年月7 日 灰烬的各种物理化学性质。在介绍了排气微粒捕集、再生机理的基础上，详细分 析了灰烬在壁流式过滤体中的深床沉积过程和滤饼沉积过程。并通过对比分析灰 烬和排气微粒深床沉积过程的相同点和不同点，建立了壁流式过滤体灰烬深床沉 积数学模型。运用该模型研究了过滤体流动阻力随灰烬沉积量的变化规律。最后 本文探讨了减小灰烬沉积对壁流式过滤体流动阻力特性的影响的各种方法。本文 的主要研究工作包括： ( 1 ) 研究了壁流式过滤体中灰烬深床沉积过程及其机理，实现了定量描述过 滤壁面内的灰烬浓度变化规律，并在此基础上建立了灰烬深床沉积数学模型。 ( 2 ) 分别建立了灰烬深床沉积阶段和滤饼沉积阶段的过滤体流动阻力方程， 研究了不同灰烬沉积量和两种滤饼沉积方式下的过滤体流动阻力变化规律。 ( 3 ) 对常规过滤体和非对称通道过滤体的流动阻力特性进行了对比研究，结 果表明后者具有明显优势，为壁流式过滤体结构优化设计提供了依据。 关键词：微粒捕集器；耐久性；灰烬；流动阻力；深床沉积；非对称通道过滤体 硕斗：学位论文 a b s t r a c t d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p f ) i st h em o s te f f e c t i v ee x h a u s ta f t e r t r e a t m e n td e v i c e t or e d u c et h ee m i s s i o no fd i e s e le n g i n ep a r t i c u l a t em a t t e r s a st h ed p f i sw i d e l yu s e d a l lo v e rt h ew o r l d ，al o n gl i f ea n dh i g hd u r a b i l i t yd p f i sd e m a n d e d d u r i n gt h el o n g t i m eo p e r a t i o no ft h ed p f , t h ei n l e tc h a n n e lo ft h ef i l t e rw i l lb ei n e v i t a b l yp l u g g e db y a s h a s h m o s t l yf r o me s s e n t i a ll u b r i c a n ta d d i t i v e s ，a f f e c t s d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r p r e s s u r ed r o ps e n s i t i v i t ya n dl i m i t sf i l t e rs e r v i c el i f e o n eo f t h em o s ts e r i o u sp r o b l e m s o fd p fd u r a b i l i t yi st h ep e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t i o nd u et ot h ef i l t e ra g i n gb e c a u s eo f t h ea c c u m u l a t i o no ft h ea s hp a r t i c l e s a tf i r s t ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h es o u r c eo fa s ha n di t sf o r m a t i v ep r o c e s s e si nt h e w a l l f l o wd i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r s y s t e m a t i c a ll y s u m m a r i z e dt h ep h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t i e so fa s h t h ea s hd e e p b e dd e p o s i t i o na n dc a k ed e p o s i t i o np r o c e s si n t h ew a l l f l o wf i l t e rw e r ea n a l y z e db a s e do nt h ep a r t i c u l a t e m a t t e rf i l t r a t i o na n d r e g e n e r a t i o nm e c h a n i s m t h e a r t i c l e c o m p a r e d t h ed e e p b e dd e p o s i t i o np r o c e s s b e t w e e na s ha n dp a r t i c u l a t em a t t e r , a n dac o m p u t a t i o n a lm o d e lo fw a l l - f l o wd i e s e l p a r t i c u l a t ef i l t e rf o ra s hd e e p b e dd e p o s i t i o np r o c e s sw a sp r o p o s e d t h ee f f e c to fa s h d e p o s i t i o no nt h ef l o wr e s i s t a n c e o ff i l t e r sw a ss t u d i e d f i n a l l y , t h em e t h o d so f r e d u c i n gt h ei m p a c to fa s hd e p o s i t i o no nt h ef i l t e rp r e s s u r ed r o pw e r ep r o p o s e d t h e m a i nr e s e a r c ho ft h ea r t i c l ei n c l u d e dt h ef o l l o w i n gw o r k s ： ( 1 、) t h em e c h a n i s mo f a s hd e e p b e dd e p o s i t i o ni nt h ew a l l f l o wf i l t e rw a ss t u d i e d t h ea r t i c l ea c h i e v e dt oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fa s hc o n c e n t r a t i o n i nt h ef i l t e rw a l l ，a n dac o m p u t a t i o n a lm o d e lo fd i e s e lw a l l - f l o wf i l t e rf o ra s hd e p t h d e p o s i t i o np r o c e s sw a sp r o p o s e d ( 2 ) t h i sa r t i c l ep r o p o s e df i l t e rf l o wr e s i s t a n c ee q u a t i o no fa s hd e e p - b e dd e p o s i t i o n a n dc a k ed e p o s i t i o nr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h i sc o n s i d e r a t i o n ，t h ee f f e c to f a s hm a s s a n dd e p o s i t i o np a t t e r no nt h ef i l t e rp r e s s u r ed r o pw a s s t u d i e d ( 3 ) a p p l i e dt h ee n g i n es i m u l a t i o ns o f t w a r e a v lb o o s tt oa n a l y z et h ef l o w r e s i s t a n c eo ft h ec o n v e n t i o n a lf i l t e ra n da s y m m e t r i cc h a n n e lf i l t e r ，a n di sh e l p f u lf o r o p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r eo f w a l l - f l o wf i l t e r k e yw o r d s ：d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ；d u r a b i l i t y ；a s h ；p r e s s u r ed r o p ；d e e p 。b e d d e p o s i t i o n ；a s y m m e t r i cc h a n n e l f i l t e r 1 1 1 柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究 目录 学位论文原创性声明 学位论文版权使用授权书 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 2 柴油机微粒的危害及排放法规 1 3 柴油机微粒捕集器简介 1 3 1 微粒捕集器技术要求 1 3 2 微粒捕集器过滤体结构和材料 1 3 3 微粒捕集器再生技术 1 4 微粒捕集器耐久性能的影响因素 1 5 课题研究内容及来源 第2 章壁流式微粒捕集器沉积灰烬特性的研究 2 1 灰烬的简介1 0 2 2 微粒捕集器中灰烬成分的来源1 0 2 3 柴油机微粒捕集器灰烬的物化特性；1 1 2 3 1 灰烬的微观特性1 1 2 3 2 灰烬层的特性1 6 2 4 微粒捕集器耐久性道路试验中的灰烬沉积1 9 2 4 1 润滑油灰烬的形成过程1 9 2 4 2 再生添加剂灰烬的形成过程2 0 2 4 3 金属碎屑灰烬的形成过程2 1 2 5 微粒捕集器快速老化试验中的加速灰烬沉积方法2 1 2 5 1 燃油中掺混润滑油2 1 2 5 2 在进气歧管中喷入润滑油雾2 2 2 5 3 其它加速灰烬沉积的方法2 2 2 6 本章小结2 2 第3 章壁流式过滤体灰烬沉积过程及其数学模型2 3 3 1 柴油机排气微粒的沉积和再生过程2 3 3 1 1 排气微粒深床沉积2 3 3 1 2 排气微粒的滤饼沉积2 6 硕士学位论文 3 1 3 排气微粒的再生 3 2 微粒捕集器中排气微粒的瞬态捕集模型 3 2 1 过滤壁面填充床捕集模型 3 2 2 捕集单元对排气微粒的捕集机理 3 2 3 过滤壁面离散及排气微粒浓度分布 3 2 4 过滤壁面微观结构参数变化 3 3 壁流式过滤体内灰烬深床沉积过程 3 4 壁流式过滤体灰烬深床沉积数学模型 3 4 1 灰烬浓度简化计算方法 3 4 2 过滤壁面离散方法 3 5 壁流式过滤体灰烬滤饼沉积过程 3 6 本章小结 第4 章灰烬沉积对微粒捕集器性能的影响 4 1 灰烬沉积对微粒捕集器流阻特性的影响 4 2 灰烬沉积的过滤体流动阻力方程 4 2 1 洁净过滤体流动阻力方程 4 2 2 灰烬深床沉积阶段的过滤体流动阻力方程3 8 4 2 3 灰烬滤饼沉积阶段的流动阻力方程3 9 4 3 过滤体流动阻力计算值与试验值对比4 0 4 3 1 对比试验4 0 4 3 2 模型参数选择4 l 4 3 3 计算结果与试验结果的对比分析4 2 4 4 灰烬沉积对微粒捕集器其它性能的影响4 3 4 5 本章小结4 3 第5 章壁流式过滤体的优化设计降低灰烬影响4 4 5 1 减小灰烬沉积对微粒捕集器性能影响的方法4 4 5 1 1 减少过滤体中的灰烬来源4 4 5 1 2 清除过滤体内的沉积灰烬4 5 5 1 3 壁流式过滤体的结构优化4 6 5 2 非对称通道过滤体和常规过滤体流动阻力仿真计算4 8 5 2 1a v lb o o s t 软件介绍4 8 5 2 2 模型的建立4 8 5 2 3 仿真模型计算结果分析5 0 5 3 本章小结5 l 结论5 2 v v i 硕上学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 继2 0 0 9 年中国汽车产销量双双突破1 3 0 0 万辆，成功超越美国成为世界汽车 生产和消费第一大国后，2 0 1 0 年中国汽车产销量持续高速增长，产销双超1 8 0 0 万辆的成绩，不仅使其稳坐了汽车产销第一大国的位子，并且打破美国1 7 0 0 多万 辆的最高产销纪录，成为汽车工业历史上名副其实的全球第一。公安部交管局最 新数据表明，我国机动车保有量已达近2 亿辆，其中汽车超过7 0 0 0 多万辆。汽车 产销量的快速增长促使汽车工业成为国民经济的重要支柱产业，汽车大规模的普 及同时也大大提高了人们的生活质量，推动了人类社会文明的巨大进步。 但是，我国汽车保有量的大幅增加也带来了非常严重的负面效应，由此引发 了一系列的能源、环境和社会问题。首先，世界范围内的石油资源日益枯竭，能 源危机与日俱增，“十一五 期间中国新增约l 亿吨炼油能力，全部被新增的3 5 0 0 万辆汽车吞噬掉，2 0 0 9 年我国汽车消耗成品油共计1 3 4 8 0 万吨，占全国汽柴油总 产量的6 3 2 ；其次，据国家环保部公布数据，2 0 0 9 年全国汽车c o 、h c 、n o x 和p m 排放量分别为3 1 1 0 7 、3 5 8 9 、5 2 9 8 和5 6 1 万吨，目前全国约五分之一 的城市大气污染严重，1 1 3 个重点城市中三分之一以上空气质量达不到国家二级标 准，汽车尾气排放成为许多城市大气污染的主要来源；再次，汽车保有量的迅速 上升，给城市道路交通带来了巨大的压力，2 0 1 0 年京藏高速大拥堵高峰期仅内蒙 古境内堵车路段长达1 2 0 公里，北京市区晚高峰拥堵路段峰值曾超1 4 0 条，此外 我国是世界上交通事故死亡人数最多的国家之一。因此，降低车用动力的燃料消 耗率，减少其有害气体及颗粒物的排放和科学规划城市道路交通已经成为人类社 会目前急需解决的世界性难题。 内燃机作为最主要的车用动力装备，其性能优劣直接决定了汽车对能源消耗 以及环境污染方面的影响程度。柴油机具有热效率高，燃油消耗率低和性能可靠 等特点，被广泛用做汽车、船舶以及工程机械的动力源。柴油机的有害气体c o 、 h c 的排放量较低，一般只有汽油机的几十分之一，而n o x 的排放量和汽油机处 于同一数量级n 1 。同时因为柴油机热效率高的特点，其燃油消耗率通常要比汽油机 低2 0 - 3 0 ，由此带来了较低c 0 2 的排放量。在倡导发展低碳经济的今天，全球 各大著名汽车厂商均看好绿色柴油机技术，并努力在全世界范围内推广清洁柴油 机。然而柴油机微粒( p m ) 的排放量比汽油机要高出3 0 一8 0 倍比1 ，它跟城市空气 悬浮颗粒物的超标有直接联系，对人体健康造成了严重的危害。随着人们对城市 空气质量日益重视，越来越严格的排放法规逐渐付诸实施，柴油机的p m 排放特 性在很大程度上限制其作为车用动力的蓬勃发展。 柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究 因此，如何有效地降低柴油机尾气排放，尤其是降低p m 排放量已经成为开 发新一代环保高效柴油机必需攻克的最为关键、最为迫切的难题之一。 1 2 柴油机微粒的危害及排放法规 柴油机微粒物质是一种由液体和固体组成的成分可变的混合物，其组成十分 复杂，主要由三类成分构成：可溶性有机物( s o f ) 、固态的未燃碳颗粒的聚合物 ( s o l ) 和无机盐类，另外还有一些水分等其它物质口】。s o f 主要由各种未燃的 h c 、含氧有机物和多环芳烃p a h 组成，它们通常吸附在碳烟颗粒的表面，可以利 用有机溶剂将其萃取出来，其中大部分是烷烃系列和多环芳香烃系列有机物等。 s o l 主要是一种颗粒状的碳烟( s o o t ) 凝聚物，大约8 0 来自未燃的润滑油。无 机盐成分则主要是因为柴油中的硫成分和润滑油中的金属成分反应产生。微粒中 的s o l 和s o f 所占比例较大，具体成分取决于柴油机的工况和转速等因素。 毋”毒 彩 ，跨管寸 叛德，镟驴4 勰“ 鬈，澎 ：肖，：卜： 图1 1 柴油机微粒电子扫描显微照片 柴油机微粒尺寸一般分布在1 0 1 0 0 n m 数量级，进入大气后一般以气溶胶粒子 的形式存在，能长时间悬浮在大气中，很容易通过呼吸系统进入人体肺泡中并沉 积下来，甚至可以进入血液，引发人体呼吸道或心血管疾病。病毒学及流行病学 研究表明，其表面吸附的s o f 绝大多数具有很强的致癌、致突变性活性，其致癌 危险性是汽油车尾气的数十倍到数百倍，对人体健康危害性相当大。 研究表明，大气中悬浮颗粒物中的细小颗粒对环境及人体健康的负面影响远 比粗颗粒大，p m 2 5 是指大气中直径小于或等于2 5 9 m 的颗粒物，也称为可入肺颗 粒物。与较粗的大气颗粒物p m l o 和总悬浮颗粒物t s p 相比，富含大量的有毒、有 害物质，而且能在大气中停留更长时间，输送距离也更远，所以对人体健康和大 气环境质量的影响比前两者更大。根据英国环境部门的研究，p m 2 5 在大气中停留 的时间为7 3 0 天，而p m l 0 在大气中停留的时间为卜1 0 天，所以越细的颗粒越可 以更长时间地存留，更远距离地传输而污染范围更大。此外，颗粒的大小和形状 决定颗粒最终进入人体的部位，大于1 0 9 m 的颗粒会被人的鼻子阻挡，5 t m - 1 0 9 m 2 瞄圜黝：iz 缁豳 051 01 52 05 08 0 s a t e l l i t e - d e r i v e dp m z 5 【删m 3 1 图1 2p m 2 5 全球分布图嘲 因此，柴油机微粒物质的排放控制在全世界范围内引起了足够的重视和关注， 并陆续颁布了适合各国国情的排放法规。柴油机的排放法规也发展为欧、美、日 三大体系。对于重型柴油机，日本2 0 0 5 年的排放法规和紧随其后的欧洲排放法规 ( 欧标准) 首次强制要求采用先进的排放后处理系统；美国已于2 0 0 7 年开始实 施的排放法规要求柴油机至少要采用微粒捕集器；欧洲已于2 0 0 8 年实施了更加严 格欧v 排放标准。在轻型柴油机方面，欧以后的法规收紧了p m 的标准，它要 求于2 0 0 5 年在大型客车上采用微粒捕集器，预计以后欧洲的排放法规将更加严格， 那时将要求大多数车辆采取控制p m 和n o x 排放的后处理措施。 图1 3 美国汽车排放标准6 1 柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究 图1 4 欧洲汽车排放标准6 1 p a r t i c u l a t e ( g ，l v v - h ) 图1 51 5 1 本汽车排放标准1 我国由于受经济、技术水平的限制，至今未把p m 2 5 列入大气环境监测范围， 同时对机动车排放尤其是柴油车排气污染的控制起步较晚。根据国内机动车污染 状况和环境保护的需要，我国的机动车排气污染控制法规主要借鉴了欧洲的排放 标准体系。从2 0 0 5 年7 月已开始执行相当于欧洲i i 号标准的排放法规；2 0 0 5 年制 定了g b18 3 5 2 3 2 0 0 5 标准，并已于2 0 0 7 年7 月1 日开始实施相当于欧i i i 排放标 准的水平，国家环保部计划从2 0 1 2 年1 月1 日开始对柴油机实施国标准。 1 3 柴油机微粒捕集器简介 微粒捕集器系统是由排气入口、扩张管、过滤体、收缩管、排气出口五部分 组成，如图1 6 所示。其中过滤体安装在微粒捕集器的中心位置。柴油机排气从入 口流进、经过扩张管后流入过滤体，排气中的微粒被过滤体捕集，沉积在过滤体 中，过滤后的排气经过收缩管和出口排入大气，达到降低微粒排放量的目的。随 4 硕士学位论文 着工作时间的增长，过滤体内积聚的微粒增多，其排气背压上升，将会影响柴油 机的动力性和经济性，必须用燃烧等方法将这些微粒除去，该过程被称为微粒捕 集器的再生。 扩张管 捧气入口 过滤体 图1 6 微粒捕集器结构简图 1 3 1 微粒捕集器技术要求 微粒捕集器的技术问题主要在于：一方面，随着沉积在微粒捕集器内的微粒 量的增多，微粒捕集器的流动阻力会急剧增大，这会显著影响发动机的动力性能 与经济性能；另一方面，再生过程易造成温度和温度梯度过高，从而使过滤体熔 融或产生热裂损。为此，一个优良的微粒捕集器产品需具备以下特点口1 ： ( 1 ) 高的捕集效率。影响过滤体捕集效率的因素主要有过滤材料、孔径的大 小、壁厚、壁孔的密度以及捕集器的外形尺寸等结构参数，以及排气流速、排气 温度、微粒尺寸等排气参数。目前，微粒捕集器的初始捕集效率大约在5 0 9 5 。 ( 2 ) 低的流动阻力。微粒捕集器的流动阻力，通常也被称为排气背压或压力 损失，它定义为微粒捕集器前后的压差。与捕集效率类似，影响流动阻力的因素 有过滤体的尺寸和微粒捕集器的外形尺寸等结构参数，以及排气流速、温度、微 粒尺寸等排气特征参数。但低的流动阻力与高的捕集效率往往是相互矛盾的，故 要折中对微粒捕集器系统进行优化。 ( 3 ) 高的耐温性、小的热膨胀系数。微粒捕集器不仅经常处于温度变化的排 气中，而且在进行再生过程时，微粒的燃烧要释放出大量的热，温度可高达1 0 0 0 以上。因此，过滤材料应能承受高温及热冲击，应具有足够的强度、化学稳定 性、抗热裂损及熔融等性能。过滤体损坏的主要形式是材料软化、局部因高温熔 融及产生裂纹。此外，还要求滤芯材料不与灰质混合物发生反应。 1 3 2 微粒捕集器过滤体结构和材料 过滤材料是微粒捕集器的核心，它决定了微粒捕集器捕集效率的高低、流动 阻力的大小、使用寿命的长短以及再生效果的好坏。因此，长期以来，一直是国 内外研究的热点问题。目前国内外研究和应用的最多的是壁流式蜂窝陶瓷过滤体。 柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究 口 堵塞 ：带徽控的气流 亡 ：干净气漉 图1 7 壁流式过滤体结构简图 壁流式蜂窝陶瓷通常用热膨胀系数低、造价低廉的堇青石制成，对微粒的过 滤效率可达9 0 以上，s o f 也能被部分捕集，且耐高温、机械强度高、流动阻力 小。如图1 7 所示，壁流式蜂窝陶瓷中相邻的蜂窝孔道交替堵塞，气流从入白孔道 进入时，由于入口孔道末端被堵塞，所以气流必须通过多孔介质壁面，从相邻的 出口孔道流出，于是微粒就沉积在入口孔道壁面内侧。近年来，碳化硅( s i c ) 材 料以其更好的热稳定性和更高的导热率而越来越受到重视，它具有良好的机械性 能，散热均匀，解决了热再生难的问题。 黪 。震奠。 ：誓，：誓：! 7 a _ t ：o 叠鸿 爨l i j ；“；，j 一：鎏戮，：，“o ： ；，一蠢雾 秀一。，( ? ；。爹4 泛峨瓣 图1 8 堇青石和碳化硅过滤体 1 3 3 微粒捕集器再生技术 过滤材料的好坏决定了微粒捕集器捕集效率的高低，壁流式蜂窝陶瓷过滤体 凭借其较高的捕集效率( 9 0 以上) 成为了主导的过滤体，它成功解决了微粒捕集 器捕集技术的难题。但是沉积在过滤体内的微粒不会自动被清除，因此，必须采 用再生技术将其去除，以保证过滤体较低的流动阻力。根据再生原理和再生能量 来源的不同，再生技术主要分为主动再生技术和被动再生技术两大类。 1 主动再生技术 主动再生技术是指通过外界能量加热，提高柴油机的排气温度或过滤体温度， 使过滤体内沉积的微粒达到起燃温度而氧化燃烧。如电加热再生阳 10 j 、喷油助燃 6 硕十学位论文 再生1 1 1 、喷气助燃再生1 2 1 、红外加热再生n 3 1 、反吹再生“1 、微波再生n 5 1 等。这些 再生技术是通过传感器监视微粒在捕集器内的沉积量和流动阻力，当流动阻力超 过设定值时，外热源就会被启动，从而对微粒捕集器进行再生。 电加热再生是在过滤体上游安装了一个电热装置来提高过滤体表面温度，以 实现再生。该技术原理简单、可控性好，但存在再生窗口小，再生效率低，加热 不均匀等问题。 喷油和喷气助燃再生是通过喷油或喷气系统，适时向过滤体上游空间喷入一 定量的燃油或燃气，再将其点燃，使过滤体温度上升。该技术所需的燃料喷射和 点火系统造价昂贵、结构复杂，且易造成二次污染。 红外加热再生是根据碳粒对辐射能的吸收能力较强这一特性，采用加热装置， 通过辐射的方式加热过滤体中沉积的微粒，以实现再生。该技术存在能量利用率 低、加热缓慢、再生窗口小等问题。 反吹再生是将微粒燃烧与过滤体分离。需要再生时，从过滤体出口高速喷入 一定压力的压缩空气，将微粒从过滤体表面清除，并用收集器收集，再用加热装 置将其烧净。该技术的主要问题是高压气源的来源，并可能造成由于反吹不彻底 而使过滤体流动阻力上升过多。 微波再生是利用微波的选择性加热方式( 即多孔介质对微波的吸收能力较差， 而微粒对微波的吸收能力是多孔介质的1 0 0 倍以上) 和体积加热再生方式，使微 粒在原地吸热、着火和燃烧，不需要任何形式的燃烧传播，因而其加热迅速、均 匀，并且能量利用率高，目前已成为主动再生方式的研究热点； 2 被动再生技术 被动再生技术是指利用柴油机排气自身的能量使微粒燃烧，达到再生微粒捕 集器的效果。这一方面可通过提高柴油机负荷的方式来提高排气温度口6 | ，或通过 进气节流、排气节流的方式来提高排气温度n 引，以达到微粒的起燃温度使微粒燃 烧。但提高负荷的方式不易控制、迸排气节流会使柴油机的动力性和经济性大幅 下降：另一方面可利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能，使微粒在正常的 排气温度下燃烧。在催化再生过程中，过滤体受到的热负荷较小，因此提高了过 滤体的寿命及工作可靠性。催化剂的使用方法有两种，一是在过滤体表面浸渍催 化剂，即涂覆催化剂再生n8 i ；二是在燃油中加入催化剂，即燃油添加剂再生9 。 催化再生技术的研究重点在于寻找能有效促进微粒在尽可能低的温度下氧化的催 化剂。近年来，欧美国家应用较多的连续再生同样也是一种催化再生技术。它是 利用催化剂将排气中的n o 转化为强氧化性的n 0 2 ，n 0 2 能在正常的排气温度下 与微粒发生氧化反应，使过滤体再生乜0 1 。这些催化再生技术对燃油中s 的含量有 严格的要求，否则排气中的硫酸雾或硫酸盐会导致催化剂中毒失效，从而无法实 现再生。燃油添加剂再生和催化剂涂层再生要求s 的含量在1 5 0 1 0 曲以下，连续 7 柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究 再生甚至要求s 的含量在5 0 1 0 石以下。由于我国的含硫量大约在2 0 0 0 x1 0 一， 而且在今后相当长的时间内都很难降低到1 5 0x1 0 。6 以下，因而催化再生在我国推 广具有一定的困难。 1 4 微粒捕集器耐久性能的影响因素 对柴油机微粒捕集器的研究开始于上世纪8 0 年代初，直到2 0 0 0 年，全球第 一款装车使用的微粒捕集器在法国标致汽车公司研制成功。近3 0 年来，国内外学 者的研究大都集中在微粒捕集器的捕集性能，内部气流及微粒运动沉积规律，以 及再生特性等方面，较少涉及到微粒捕集器耐久性能的研究。在微粒捕集器工作 过程中，影响其耐久性能的主要因素有： ( 1 ) 微粒捕集器过滤体热损伤，包括再生热应力过大导致过滤体破裂和再生 温度过高直接导致过滤体材料熔融。微粒捕集器再生过程中，过滤体处于高温和 热冲击的恶劣环境中。过滤体通常选择耐高温和抗热应力的材料，所以在正常再 生过程中( 温度为6 0 0 。c - 7 0 0 ) ，过滤体热损伤程度很轻微。但是如果出现不可 控再生，则过滤体会承受极大的热负荷和热冲击。不可控再生通常发生在再生过 程中柴油机转速突然降低到怠速附近，直接导致过滤体内排气流量锐减，对流传 热作用减弱，同时排气中的氧含量上升引起碳烟氧化速率加快，一系列的变化最 终会导致过滤体内部温度上升到9 0 0 一1 4 0 0 ( 2 ，此时微粒捕集器过滤体的热损失 会十分严重。此外，如果微粒捕集器入口温度过高或者过滤体内碳烟分布不均和 沉积过量都会造成过滤体内局部高热负荷心卜2 引。 ( 2 ) 再生催化剂失效，包括柴油、润滑油中的p 、s 等成分引起的催化剂中 毒和过高温度下催化剂涂层失活。铂、钯等贵金属催化剂对柴油机排气中的硫酸 雾或硫酸盐微粒很敏感，硫化物很容易造成催化剂失效，也即中毒。因此，该技 术对柴油中的硫含量一般要求控制在l o o p p m 以下。同时，当润滑油中的p 成分沉 积在过滤体催化涂层表面，也会使催化剂活性下降，在柴油机排气温度较低的条 件下尤为明显。高温下催化剂涂层失活主要表现为催化剂烧结，从而导致催化活 性位丧失乜“2 5 1 。 ( 3 ) 过滤体的机械损伤，车辆和柴油机的震动会给微粒捕集器中的过滤体造 成一些机械冲击，当过滤体材料强度不够的情况下，过滤体会产生裂纹或者直接 破裂，因此材料的机械强度也是评价过滤体性能优劣的指标之二。同时，合适的 过滤体安装支承对避免机械损伤也十分重要心6 2 7 1 。 ( 4 ) 微粒捕集器中的灰烬沉积，灰烬是指柴油机微粒捕集器再生过程结束后， 仍残留在过滤体中的不可燃物质。灰烬成分在柴油机排气中只占很小的比重，由 于其不能通过再生过程清除，它会在过滤体内不断累积，最终堵塞过滤体进气通 道，影响微粒捕集器的正常工作比8 3 。 硕士学位论文 1 5 课题研究内容及来源 微粒捕集器被公认为是最有效的降低柴油机微粒排放的后处理装置，在倡导 “绿色”、“低碳 环境保护的当今社会，研究柴油机微粒捕集器的意义十分突出。 自2 0 0 0 年第一款装车使用的微粒捕集器在法国问世以来，微粒捕集器在欧美日等 发达国家得到了广泛的应用，其微粒捕集与再生等关键技术已不断成熟。而今如 何提高微粒捕集器耐久性以延长其使用寿命成为了急需解决的问题。美国环境保 护总署规定重型柴油机微粒捕集器的最短维修周期不得低于2 4 万公里心。在日本， 包括后处理装置在内的柴油机零部件设计寿命约为1 5 0 万公里口别。在微粒捕集器 的长时间工作过程中，灰烬在过滤体内的积累是不可避免的。当灰烬沉积量过大， 过滤体流动阻力显著上升会导致柴油机动力性、经济性下降，此时必须对微粒捕 集器内灰烬进行清理或直接更换过滤体。由此可见，灰烬的沉积是影响微粒捕集 器耐久性能及其使用寿命的关键因素，因此本文的研究内容将围绕灰烬在壁流式 过滤体内的沉积过程展开。 第1 章：绪论。本章介绍了课题的研究背景、柴油机微粒的危害及相关排放 法规，以及柴油机微粒捕集器的结构、过滤体材料和再生技术，总结了影响微粒 捕集器耐久性的主要因素。 第2 章：柴油机微粒捕集器沉积灰烬特性的研究。本章为研究过滤体内灰烬 沉积过程的基础，介绍了灰烬成分的来源及其物理化学性质，并运用多孔介质理 论，通过计算得到了过滤体内灰烬沉积层的孔隙率、渗透率等特征参数，最后对 微粒捕集器耐久性道路试验和快速老化试验中的灰烬沉积进行了对比分析。 第3 章：壁流式过滤体灰烬沉积过程及其数学模型。本章在详细分析了柴油 机排气微粒在壁流式过滤体内的沉积、再生特点后，对比分析了灰烬在壁流式过 滤体内的深床沉积及滤饼沉积特性，并以此改进了排气微粒的瞬态捕集模型，建 立了灰烬深床沉积的数学模型。 第4 章：灰烬沉积对微粒捕集器性能影响。本章全面分析了过滤体内的灰烬 沉积对微粒捕集器性能的影响，在前一章建立的数学模型基础上，重点研究了灰 烬沉积对过滤体流动阻力特性的影响，并通过对比试验证明了数学模型的准确性。 第5 章：壁流式过滤体的优化设计降低灰烬影响。本章从减少灰烬来源、及 时清理沉积灰烬以及壁流式过滤体的结构优化三方面介绍减小灰烬沉积对微粒捕 集器性能不利影响的方法。运用a v lb o o s t 软件对非对称通道过滤体和常规对 称通道过滤体灰烬沉积过程进行了仿真分析。 本文得到了国家“8 6 3 项目子项( 2 0 0 8 a a l1 a 11 6 ) “新一代环保高效柴油机 研发、国家自然科学基金项目( 5 0 8 7 6 0 2 7 ) “柴油机微粒捕集多孔介质的微波一铈 锰基添加剂复合再生机理研究”的资助。 9 柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究 第2 章壁流式微粒捕集器沉积灰烬特性的研究 2 1 灰烬的简介 柴油机壁流式微粒捕集器通过把过滤体进气通道末端堵塞，强制柴油机尾气 从过滤壁面渗流通过，从而使尾气中的微粒物质被过滤壁面捕集，过滤后的尾气 从排气通道流出。随着车辆行驶里程的增加，过滤体壁面上捕集的排气微粒越来 越多，并逐渐堵塞过滤体进气通道。排气微粒绝大多数成分都可以通过再生过程 除去，因此再生后过滤体内只残留下不可燃的灰烬成分。虽然灰烬成分在柴油机 排气微粒中含量很低，但是在柴油机使用寿命内微粒捕集器的再生循环次数可达 数千次。因而灰烬会在过滤体内逐渐积累，最终将导致过滤通道的堵塞( 如图2 1 ) 。 在以往的研究中，绝大多数学者都把再生过后的过滤体视为洁净的，没有考虑灰 烬的积累对微粒捕集器性能的影响，这显然是不符合实际情况的。s a p p o k d 3 1 通过 微粒捕集器车辆道路试验发现，当微粒捕集器装车运行3 3 0 0 0 英里后，过滤体内 超过一半的沉积物为灰烬；当车辆运行里程超过1 5 0 0 0 0 英里，灰烬占据过滤体内 8 0 以上的沉积物。因此研究壁流式过滤体内的灰烬沉积过程具有十分重要的现实 意义。 图2 1 壁流式过滤体内的灰烬沉积 2 2 微粒捕集器中灰烬成分的来源 灰烬是微粒捕集器中再生后剩余下的不可燃物质，其化学组成主要包括各类 硫酸盐、磷酸盐、金属及金属氧化物等。微粒捕集器中的灰烬成分主要有3 个来 源： ( 1 ) 柴油机润滑油中的添加剂。润滑油中的添加剂包括清净剂、分散剂、抗 氧化剂、黏度改进剂和摩擦改进剂等，它们的作用主要是提高润滑油的性能与质 量。其中c a 、m g 清净剂和二烷基二硫代磷酸锌z d d p 抗氧化剂是灰烬成分的 主要来源。因为柴油机工作时会有少量润滑油窜入气缸燃烧，添加剂燃烧生 l o 硕十学位论文 成的磷酸盐、硫酸盐及钙、镁、锌等金属氧化物即为灰烬组成； ( 2 ) 柴油添加剂，尤其是催化再生添加剂。催化再生添加剂是指在燃油中加 入一定的金属催化剂( 如c e 、m n 、c u 、f e 等) ，这些添加剂在缸内燃烧生成的金 属氧化物对柴油机微粒燃烧起催化作用，能降低再生时的所需温度。再生过后， 这些金属氧化物也成为了灰烬的一部分； ( 3 ) 柴油机各零部件磨损和排气系统的腐蚀。柴油机各零部件的摩擦过程中 会产生一些金属碎屑( 如f e 、c u 、n i 、c r 等) ，一部分碎屑被润滑油带入气缸， 随后由排气携带进入微粒捕集器成为灰烬的组成。另外，由于排气管道的腐蚀而 产生的f e 、c r 、n i 等金属氧化物也是灰烬来源。 根据车辆行驶里程、柴油机运行工况、润滑油灰分含量、催化再生添加剂含 量的不同，灰烬各部分来源比例及其在柴油机排气微粒中的含量都会不同。文献 3 4 中通过观察一采用燃油添加剂再生的微粒捕集器工作9 万公里后，检测到其 灰烬成分中5 7 来源于c e 基催化再生添加剂，4 1 来源于润滑油中的添加剂，剩 余来自于柴油机磨损和腐蚀等。对于不采用燃油添加剂再生的微粒捕集器，灰烬 主要来源于润滑油添加剂成分。文献 3 5 中超过一半的灰烬成分来源于润滑油， 金属碎屑仅占1 3 6 。试验观测表明n 钔，柴油机排气微粒中的金属无机物成分占 微粒总质量的6 7 4 ，其中仅f e 的含量就占到3 5 2 8 ，主要来自柴油机的摩擦磨 损。试验发现口 灰烬成分在柴油机排气微粒中的含量随发动机负荷增加在 o 5 一1 之间变化。在本文中考虑最普遍的情况，即柴油机润滑良好，且采用主 动再生的微粒捕集器，此时润滑油添加剂被认为是过滤体内灰烬的最主要来源。 2 3 柴油机微粒捕集器灰烬的物化特性 2 3 1 灰烬的微观特性 由上文的灰烬来源分析可知，除因柴油机磨损或腐蚀而产生的金属碎屑灰烬 外，绝大部分灰烬成分都是在缸内形成。试验观察表明这些灰烬成分在排气中并 不是单独以颗粒存在，而是吸附在柴油机排气微粒上b 。图2 2 是利用扫描透射 电子显微技术( s t e m ) 观察到的p m 成分光谱图，其中a 1 、a 2 分别是p m 样品 的两个不同区域，可发现z n 、s 、p 在p m 中含量较高。c u 的峰值主要是由于p m 样品是放置在铜网容器中进行观察的，而出现在光谱图左端的峰值是p m 的主要 成分c 。金属碎屑则是单独存在于排气中，其中排气中最常见的是铁及氧化铁颗 粒( 如图2 3 所示) 。大部分灰烬的形成是在微粒捕集器再生过程后，排气微粒中 的碳烟和可溶性有机物都被氧化燃烧，只剩下不可燃的成分团聚在一起而形成颗 粒状灰烬微粒。灰烬微粒的微观特性主要包括粒径及其分布规律和灰烬微粒的材 料密度，这些性质对过滤壁面上灰烬累积形成的灰烬层结构有重要影响。 柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究 蕊一】 i _ 川i f 懿广1 一】 i 旦丝卜l z n 二= _ _ 五互： it f 1 c u i p 碍 il。z n 蠛以 if l - c u 唧匀柳 ，氟。i 懒纠- 扣毋涵。甜霹飘。_ 酗 9 2 暑若若譬譬p 0 0 嚣譬舍塞盏器誉罟譬害：罟署器嚣善声声o a 心o ) 国o ”o 厶 口o ”西y y e n e r g y k e v 。 图2 2 柴油机微粒化学成分光谱图3 0 1 图2 3 柴油机排气中的f e 元素 1 灰烬微粒的尺寸分布 灰烬微粒的尺寸一般为亚微米级，它的大小主要受再生温度和再生时排气微 粒的沉积量决定。再生时温度越高，排气微粒沉积量越多，则形成的灰烬微粒尺 寸越大