（机械设计及理论专业论文）发动机碳烟颗粒捕集器的性能研究.pdf

摘要 摘要 获綮渣辊工佟鬣蓬豹提爨掰现在懿一露多年来，繁涵撬技术褥翔了全覆瓣 发展，柴油机以其良好的动力饿、经济性和可靠性而广泛地应用于各种机械装 置，尤其是作为车辆动力。随着人们对能源危机和环境阉题的认识越来越深入， 入韵对汽车霞矮孛戆经滚毪弱捺效毪越来越重褪。徽糠终为桨淫瓤黥主要捺浚 物之一，因对人体危害之大，融引起世界备国政府的酱遍关注并纷纷制定了严 格的柴油机车排放法规。如何降低柴油机的微粒排放量，是当前亟待解决的 阕蘧。紫_ l l l 瓤捧气嚣楚理菝拳裳要铮对锻靛纛氮氧纯物。入翻基恕嚣走主要集 中在徽粒的后处理技术上，寄希望于在戴方面能有所突破。 本文具体研究目标及内容毹括： ( 1 ) 介绍嚣内外紫油车现状及尾气摊放特征，总缕柴油车尾气排放控制标 准。 ( 2 ) 介绍用来降低微粒排放的微粒捕集器。研究了柴油机微粒捕集器的净化 机理、过滤体材料的要求及其络构形式和过滤体材料的发展现状。最后选用泡 沫建瓷佟兔过滤髂毒手搴辜熬疆究辩象。 ( 3 ) 多孔介质材料的渗透率和惯性系数是决定多飘介质中流体流动特饿的 重要参数，本文通过实验的方法计算多孔陶瓷的渗透率和惯性系数。建立多扎 套质辍会速域不霹篷缭气薅滚动特缝豹数学攘壁，夯绥多魏羯瓷纛要参数戆求 解方法，建立实验甲台，测定爽验数据，澍实验结果进行处理和分析，得捌合 理的渗透率和惯性系数数值。 ( 4 ) 簧先薅g a m b i t 建立模溅。结合柴滟橇排气中璇烟颗粒的浓度对实验模 型进行仿真计算，旋雳流体彷舞软件遥用会霪懿溘瀛两相计算模麓，对其内辩 气固两相流动进行数值模拟，从而揭示碳烟颗粒在孵内的运动轨迹，以及管内 轴线上的速度压力变化情况。不同陶瓷厚膦在改变陶瓷参数和入翻微粒直径下， 褥嚣徽糍在管瘫豹逶动鞔迹模羧结采苓霹。 通过旋涡气泵的排气过程米模拟柴油机尾气排放过程，实验研究气体经过 多孔介质材料的流动性能即渗邂率和惯性系数。本文述对测量结果进行了验诫， 广东工业大学工学磺士学位论文 得到了与实验吻合的结果。应用流体仿真软件根据所得参数建立实体模型，选 用合理的湍流两相计算模型，对其内的气固两相流动进行数值模拟，得到不同 微粒直径的微粒在管内的分布规律，为最终实现对捕集器的性能设计提供依 据。 关键词：柴油机；颗粒；多孔陶瓷；仿真模拟 a b s t r a c t i tw a sm o r et h a n1 0 0y e a r st h a td i e s e le n g i n e + st e c h n o l o g yh a sc o m p r e h e n s i v e d e v e l o p e df r o mi t sw o r kp r i n c i p l ea p p e a r i n gt on o w i ti sw i d e l ya p p l i e dt om a n y k i n d so fm e c h a n i s mb e c a u s eo fi t sg o o dp o w e r ，t h ee f f i c i e n c ya n dt h er e l i a b i l i t y ， e s p e c i a l l ya st h ev e h i c l ep o w e r + h o w e v e r ，t h ep a r t i c u l a t ea so n eo ft h em a i n l y d i e s e le n g i n ee x h a u s tc o m p o n e n t s ，b e c a u s ei ti sh a r mt ot h eh u m a nh e a l t h ，w h i c h h a sa r o u s e dt h ev a r i o u sc o u n t r i e sg o v e r n m e n t sa t t e n t i o nw h i c hf o r m u l a t e dt h e s t r i c td i e s e le n g i n e v e h i c l ee m i s s i o nr e g u l a t i o n s h o wt or e d u c et h ee m i s s i o no f p a r t i c l eo ft h ed i e s e le n g i n e ，i ti s ap r o b l e mu r g e n t l yt ob es o l v e da tp r e s e n t 。 d i e s e le x h a u s ta f t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g ya i m e da tp a r t i c u l a t ea n dn i t r o g e no x i d e s p e o p l eh a v ea l r e a d yc o n c e n t r a t e ds i g h t o nb a c kt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo ft h e p a r t i c l em a i n l y , p e o p l ei nt h i sa r e ah o p et om a k es o m eb r e a k t h r o u g h s + t h i sg o a li nr e s e a r c ha n dc o n t e n to fs t a t i o n e r yb o d yi n c l u d e ： ( 1 ) r e c o m m e n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a ld i e s e l v e h i c l ea n dt a i lg a st od i s c h a r g et h ec h a r a c t e r i s t i c ，s u m m a r i z et h es t a n d a r do f c o n t r o l l i n go ft h ee x h a u s to fd i e s e le n g i n e ( 2 ) i n t r o d u c e dt op a r t i c u l a t ef i l t e rw h i c hi su s e dt or e d u c et h ee m i s s i o n so f p a r t i c u l a t e h a v e s t u d i e dt h ep a r t i c l ep u r i f i c a t i o nm e c h a n i s m ，d e m a n da n d s t r u c t u r ef o r mo ft h ef i l t e rm a t e r i a l ，a n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to f f i l t e r i n gm a t e r i a l s e l e c tt h ef o a mf i l t e r a st h er e s e a r c ho b j e c to ff i l t e rm a t e r i a l f i n a l l y ( 3 ) p e r m e a b i l i t ya n di n e r t i ac o e f f i c i e n to ft h ep o r o u sm e d i am a t e r i a la r et h e i m p o r t a n tp a r a m e t e r ，w h i c hd e c i d et h ef l u i df l o wc h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t yi n t h e p o r o u sm e d i a t h i st e x tc a l c u l a t e sc e r a m i cp e r m e a b i l i t ya n di n e r t i ac o e f f i c i e n t p o r o u s l yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tm e t h o d 。s e tu pp o r o u sm e d i u mc o u p l i n ga r e a c o m p r e s s i b l eg a sf l o wt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ec h a r a c t e r i s t i c ，r e c o m m e n d a s k i n gt h em e t h o do fs o l v i n go fi m p o r t a n tp a r a m e t e ro fp o r o u sp o t t e r y , s e tu pt h e e x p e r i m e n tp l a t f o r m ，d e t e r m i n et h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，d e a lw i t ha n da n a l y z et h e 奎三：坚：三：堡圭竺些笙兰 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ，r e c e i v er a t i o n a lp e r m e a b i l i t ya n di n e r t i ac o e f f i c i e n tn u m b e r t ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ( 4 ) b u i l dt h e m o d e lw i t hg a m b i ta t f i r s t e x p e r i m e n t a l m o d e lw e r e s i m u l a t e dc o m b i n i n gt h ed e n s i t yo fs o o tp a r t i c u l a t ei nd i e s e le n g i n ee x h a u s t c h o o s et h es u i t a b l ec a l c u l a t i o nm o d e lo ft u r b u l e n tt w o p h a s ef l o w i n gu s i n g f l u e n ts o f t w a r e ，a n dh a v en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h eg a s s o l i dt w o p h a s e t u r b u l e n tf l o w , i no r d e rt or e v e a lt h ep a r t i c u l a t et r a c e sm o v i n gi nt h ep i p e ，a n dt h e c h a n g e so fp a r t i c u l a t ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ea l o n gt h ea x i si nt h ep i p e d i f f e r e n t t h i c k n e s so fc e r a m i c sw eg e td i f f e r e n ts i m u l a t i o nr e s u l t so fp a r t i c u l a t et r a c e s m o v i n gi n t h ep i p eu n d e rc h a n g i n gt h ec e r a m i cp a r a m e t e ra n dt h ee n t e r i n g p a r t i c u l a t ed i a m e t e r s i m u l a t et h ep r o c e s so fd i e s e le n g i n ee m i s s i o nt h r o u g ht h ee m i s s i o np r o c e s s o fs w i r l i n gp u m p s e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ef l o w i n gp e r f o r m a n c eo ft h ea i r p a s s i n gt h ep o r o u sm e d i am a t e r i a l ，t h a ti sp e r m e a b i l i t ya n di n e r t i a l c o e f f i c i e n t t h i sp a p e ra l s ov a l i d a t et h em e a s u r i n gr e s u l t s ，t h es i m u l a t i o nc o i n c i d ew i t ht h e e x p e r i m e n tr e s u l t u s i n gf l u e n ts i m u l a t i o n s o f t w a r es e tu pp h y s i c a lm o d e l a c c o r d i n gt op a r a m e t e rt oc h o o s e t h es u i t a b l em o d e lo ft u r b u l e n tt w o p h a s e f l o w i n g a n dg e tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h eg a s - s o l i dt w o - p h a s et u r b u l e n t f l o w t h ed i s t r i b u t i o np r i n c i p l eo fd i f f e r e n tp a r t i c u l a t ei nt h ep i p ep r o v i d er e l i a b l e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rp e r f o r m a n c ed e s i g no fp a r t i c u l a t ed i e s e le n g i n ef i l t e r k e y w o r d ：d i e s e le n g i n e ；p a r t i c l e ；p o r o u sc e r a m i c ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 蓑承学校严谨熬学疑与撬赵黪瓣学遵德，零入声筏骥墨交懿论文是我 个入在导师的指导下避行的研究王作及取得的研究成果。尽我所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表域撰写 避豹磅究或聚，不趣含本入或其缝耀途使用过熬残果。砖我一弱工佟鲍弱 恚对本研究掰徽的任褒鬓簌蚜已在论文中锋了鳞确酶说褥，并表示了谢意。 本学位论文成果是举人在广东正业大学读书期问在鼯师的指导下取得 的，论文成果归广东工溅大学所有。 串壤学像论文与资辩若有不安乏赴，本入承整一凌鞠关责镬，特毙声 明。 攒警教薅嫠字： 论文作者镰字： 伺i 】崎 如曩年6 , e l 冬e t 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 随着人们物质生活承平的遴濑提亮，对生活质量能娄求也越来越高。环境 简题是当今人们所蕊晦的主要闯题，壹予大气污染闻藤是环境问题的一个主要 方面，嶷气质量的优劣与人们舷活质量密切相关，所以大气污染问题是我们需 要解决的首要 嗣题。造成大气污染豹原因很多，但羁藏汽车排放日成为大气污 染的最主要静来源，严重缝危害着久们的健康，破坏着自然界的生态环境。目 前，全世界的汽车保有量己达6 亿多辆。在工业发达国家，汽车增长率己经减 慢，但在高速工业化的亚洲地区，却以最快的速度增长。预计剿2 0 1 0 年，世 雾上将约有1 0 亿辆汽车，2 0 2 0 年癸达到1 2 亿辆。我冒静汽车工业莛步较魄。 但随着工业化发展，我国的汽车保有量在迅速升高，1 9 9 7 年，我国汽车保有最 达到1 8 0 0 万辆，2 0 0 5 年，将达到3 2 3 0 - 3 4 4 0 万辆n 】。由于柴油机排放的n o x 秘p m 产生豹固有矛詹谴褥采用辊蠹措施很难霞其达熨基趋严格的接敷法规， 丽采用后处理措施也需要采用多种方法并举的方式才能达到同时降低n o x 帮 p m 排敝。同时，柴油机排气中的富氧环境使得利用还原反应进行催化转化n o x 比汽油枕困难褥多，为了满足更翔严格的排放标准，进一步探索碳烟微粒捕集 显得非常必要。虽然柴淮枫排放憨微粒总质量大幅度减少，但细小黪微粒数量 反而会有所增加。这些微粒的质量和体积远小于以前，但因其照细小更不易沉 降，所造成的危害目益受到广泛重视，并且成为城市中的一个重要的污染源。 筵外，柴淫祝拂气微粒粒径小、重量轻，能长跨阕悬浮在天气中，容易效人体吸 入并沉积在肺泡中，从而对人类健康造成极大的危害。柴油机微粒对人体的危 害与微粒直径有很大关系。柴油机微粒中大于1 删的微粒在空气中主要作沉降 运动，容器蔹雨雪冲洗捧，一般难爨进入呼吸道；直径小于i 朋的微粒剜悬浮 在空气中，很容易通过呼吸系统进入肺泡并沉积下来。1 9 9 2 年，世界卫生组缀 ( w h o ) 正式将柴油机微粒列为可能的致瘸物质。在汽车排放系统中装上微粒 撼集器是减小污染的有效措施。从此可以看出，控制汽车污染物摊放量已成为 广东工业大学工学硕士学位论文 保护中国环境和生态的当务之急n 1 。 1 2 国内外柴油车现状及分析 1 2 1 国外柴油车发展现状 从目前的情况看，欧洲柴油车发展最快，而且轿车柴油化发展趋势正在加 速。据了解，导致欧洲柴油化的主要原因大致有三方面：一是柴油车节能效果 比较明显：二是在柴油车排放的尾气中的氮氧化物、碳氢化合物等对人体有害 气体明显少于汽油车；三是欧洲国家的柴油机技术领先世界水平，发展柴油车 有利于欧洲保持其在汽车领域的领先地位。上世纪9 0 年代初期，欧洲的轿车 中大约有2 0 为柴油车，到9 0 年代末期，这一比例达到了4 0 。现在的比例 更高，柴油车在新车中的比例2 0 0 4 年为4 5 ，到2 0 1 2 年将上升至5 3 。与 欧洲状况类似，日本的柴油化步伐也在加快，一些日本汽车企业已经在柴油机 领域取得了长足的发展。目前，丰田、日产等公司已经开发了性能比较优越的 柴油机，韩国在柴油机发展方面大量借鉴欧洲的技术，现代公司的柴油机制造 水平亦达到相当的水平，美国之所以柴油化进程比较慢，主要原因是美国的石 油价格比较便宜；在环保和节能领域，美国走的是复合能源的道路。同样，在 过去的5 年中，美国以柴油作为动力燃料的汽车的销售也增长了5 6 ；统计显 示，2 0 0 0 年注册的新柴油轿车为3 0 1 万辆，到2 0 0 4 年这一数字增加了4 7 万。 从全球范围来看，柴油车占总车辆数的2 5 。现在欧洲柴油轿车已占轿车年产 量的3 2 ，法国、西班牙、奥地利等国更高达5 0 n 儿”。 1 2 2 国内柴油车研究现状 我国柴油机产业自8 0 年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型和技 术的引进，我国柴油机总体技术水平已经达到国外8 0 年代末9 0 年代初水平， 不过差距正在逐步缩小，一些国外柴油机近几年开始采用的排放控制技术在少 数国产柴油机上也有应用。最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧 排放限值要求，一些甚至可以达到欧排放限值要求。据中国汽车工业协会 最新统计，从汽车柴油化率来看，2 0 0 5 年我国重卡为9 9 、中卡9 8 、轻卡 2 8 9 ；大客9 l 、孛客9 7 鳝、轻客3 5 。 1 3 柴油机尾气排放特征 国外对空气污染源的研究表明：空气的污染主要肖燃料燃烧、工业加工及 机动车辆排放三大来源。最近对国内外大城市大气质爨的测试结果表明，汽率 尾气是犬城枣大气污染静主要滢染源。 资攀 表明“1 ，紫油视排放盼尾气中圭簧成分是：承蒸气、c 0 2 、0 2 、2 帮微 粒物( p m ) ，以及c 0 、朱燃h e ，n o x 等。而柴油机排气的污染物主要娥h c ，n o x ，c o 和微粒物等。其中微粒物的主要成分是圈体碳粒( s o f ) 。柴油机鼹在缀高的空 燃篼条锋下燃烧鹣 b 图卜1 不同负荷下柴油机微粒构成的变化 f i g u r e l 1d i f f e r e n tl o a dd i e s e le n g i n ep a r t i c l ec o n s t i t u t i o nc h a n g e 对柴油机排气微粒构成的研究可以分析出微粒的来源。英国r i c a r d 公司 利用气相色谱研究微粒，结果表明柴油机微粒中碳占4 1 ，未燃烃占7 ，未燃 润滑油占2 5 ，硫化物和水占1 4 ，其它不详物质占1 3 。这说明柴油机微粒的 产生不只是因为燃烧的不充分，还有相当部分是因为机油的消耗，以及柴油品 4 震不餐。这失采震多释猎麓酶低柴油撬徽耱捧藏搀供了重要酶依据。 干碳烟主要由碳元素组成。柴油机微粒中的碳烟和碳氢化合物的成分随工 作情况变化和燃烧过程有很大的变化。一般高负荷时，碳烟所占的比例高必， 纛囊焚戆，主要是碳氢纯会携。主錾1 - 1 蹩菜柒灌事采爰美蓍i t d d f t p 工搀馕 况下试验的结果，它说明了在不同负荷下碳烟和碳氮化合物所占的比例关系楚 不一样的。a ：大负荷( 转速2 4 0 0 r m i n 负荷1 0 0 9 6 ) 时，碳烟和碳氯化合物所占 豹魄铡关系；b ：冬受蔫转速2 4 0 0 r t m l n 、受芬4 8 ) 融，骧灞纛碳氢化合勃掰 占蠹孽魄例关系。 图1 - 1 表明：柴油机微粒排放量随负荷的升高而增加，在高负荷时，徽粒 鹃排放豢迅速增加。 繁灌税捧气徽藏串煞碳爝黧石墨状，趱气俸雾浚钵罄有狠大鹣渡瓣性。碳 烟形成条件是高漱缺氧，柴油的蒸发性和流动性比汽油差，喷油、混合气形成 和燃烧过程重叠逃行，混合气形成的时间比汽油机的短，混合气混合雾化质量 差，蠡然平均过囊空气系数大等1 ，餐嚣帮戆蘸氧露等致瑗耀懿澎藏。关予黎 油机微粒的生成机理，虽然有很多人做过这方面的研究，但完攘的碳烟形成的 动力学过程，目前述不是很清楚。为了搞清楚碳烟的缴成机理，遮方面的说法 有多静，还有特遂一步豹研究。一般谈为璇烟形成懿避程是：燃淮中豹烃分子 在高滠缺氧的条件下热裂解，形成部分乙烯和聚乙烯；乙烯和聚乙烯在不断的 脱氢厨，聚合成为以碳为主的、直径为2 n m 左右的碳烟核心；气体中的烃在这 个碳烟核心表面斡凝蒙，以及碳烟核心之阉静凝聚，使得碳烟核心的表面积增 大，成为直径为2 0 3 0 h m 炭蠢静碳涵鏊笼。至筵，禳魑静震鬓基本确定。簸 后，碳烟基元堆积成直径在l o n 以下的微粒。 ，3 。2 柴油机攘笺微粒酌惫害 大气中的悬浮颗粒物因会对人体健康产生直接的负面影响，而受到各国政 府及有关研究部门的高度重视。近年来，人们又进一疹认识到大气悬浮颗粒巾 懿壤奎黻粒露天热键素蕤鑫害选邃耀鬏救犬，瑟萎憝萼l 起羲泰大气戆显度降低 的主要阂素。 柴油机排放的微粒对环境和人体健康造成的极火危害通过闼内外学者的 奎三些盔兰三兰璧圭兰竺鲨兰 。 研究已经被人们所共知。美国环保局的实验证明盯1 ：微粒越小，其危害就越严重。 柴油机尾气中含有的排气微粒特别是微细粒子会经呼吸道进入肺部，其成分的 5 0 以上为致癌物质。不同柴油机的排气微粒的粒径范围大致相同：柴油机微粒 的直径大约在0 1 a n 1 0 a n 范围内，其中对人体和大气环境危害最大的 2 5 o n 左右的微粒，它总悬浮于离地面1 - 2 m 高的空气中，最容易被人体吸入， 对人体危害最大，也是造成能见度变差的重要原因。欧美国家的研究表明，医 院哮喘病发病率、进医院的人数以及死亡人数都会随着大气中的颗粒浓度增加 而增加，其中同直径在2 5 a n 微粒的相关性最强。 根据英国环境部门的研究，2 5 删左右的微粒在大气中停留的时间为7 3 0 天，所以这种颗粒可以长距离地传输而污染更远的地方，所以造成的危害也更 大。近年来，细颗粒污染物的研究正越来越受到人们的重视。柴油机排气微粒 对人体的危害与微粒直径的大小有很大的关系。颗粒的大小和形状决定了颗粒 最终进入人体的各个部位，大于1 0 朋的颗粒会被人的鼻子阻挡，一般难以进 入呼吸道，它们在空气中主要作沉降运动，容易被雨雪冲洗掉；直径小于l a n 的微粒在空气中作随机运动和沉降运动，能长时间悬浮于空气中，最容易通过 呼吸系统进入人体肺泡并沉积下来，较小微粒甚至可以进入血液中，对人体健 康有很大的威胁。而小于2 5 朋的颗粒能进入肺泡中，可能导致与心和肺的功 能障碍有关的疾病。近年来，随着油气混合过程的改善和柴油高压喷射技术的 采用，微粒和碳烟的总排放量有明显下降，但直径在2 5 胛以下的粒度较小的 微粒所占比重却增大了。世界卫生组织特别考察了小颗粒2 5 朋以下的微粒物 对人群健康的影响，公布的报告认为交通污染引起的死亡高于交通事故。美国 联邦环保局的a m e s 等人进行的毒性试验证实呻1 ，柴油机微粒中s o f 的毒性比汽 油机大得多，吸附在碳粒表面的可挥发性和可溶性物质具有诱变作用，而这些 诱变物的9 0 以上是致癌物。所以，对柴油机排放微粒的控制具有重要的理论 意义和现实意义。 1 4 柴油机排放的控制标准 为了控制因车用柴油机迅速发展而造成的大气污染加重的趋势，世界各国 均依据各自的国情，相继制订了完善的车用柴油机排放标准体系，并不断加严 6 第一章雾苛论 捧藏隈德。当今毽莠主已形成荧嚣、蠢零、致溯三令走要瓣捧敖标准体系，簸 然其试验方法各不相同，但对排放限值的凝求则是非常严格的。柴油机排放标 准体系包括轻型率排放标准，麓型车用柴油机排放标准及可见污染物排放标准 貉嚣燃凌接敖撅攘) 。 1 4 1 国外柴油机排放法规介绍 1 。美鏊捺款法魏 翠在1 9 6 4 年，美国加利稿尼亚娜在t 鬯界上迈出了控制车辆尾气排放的第 一步，对1 9 6 6 年定型生产的轿车尾气排放进行了限制。1 9 7 0 年荚国国会通过 7 “挣识空气法塞”，著组蹩了美重联邦环保署e p a ，剩定7 一系翔事糍终 放控制标准，并藏越来越严格h ( 参见表1 - 1 ，表1 - 2 ) 。 加州政府根据自己的环保目标，制定了一套低排放法规，该法规将轻烈牟 分为过渡低排放率( t i f v ) 、低 非放车( l e v ) 、超低摊敖车( u l e v ) 、零撵放 车c z a r ) 。鸯2 0 0 4 年莛趣燕将实行更为严格静猿猴l e v 珏( l o we m i s s i o n v e h i c l e l l ) ，使用期间为2 0 0 4 - - 2 0 1 0 年。加州的轻型牢且耐久能为8 0 4 6 7 2k m 5 年和1 9 3 1 2 1 3 k m 1 1 年排放标准如表1 - 3 。表1 - 4 所示n 】。 袭l 一1 美国联邦政府制定的率辆排放控制标准 g m i i e t a b l e1 - 1t h ev e h i c l ee m i s s i o nc o n t r o ls t a n d a r d sc u s t o m e db yt h eu n i t e ds t a t e s 年浆- 1 9 7 01 9 7 1 - 1 9 7 21 9 7 3 1 9 7 4 1 9 7 5 1 9 8 01 9 8 1 - 1 9 8 41 9 9 5 2 0 0 52 0 0 5 一 注：l m i l e = 1 6 0 9 k m 7 蛮三些奎兰三竺罂圭兰簦鲨銮 表1 - 2 美国货车及大客车用柴油机排放标准g m i l e t a b l e1 2t h ev e h i c l ee m i s s i o ns t a n d a r d so ft h ea m e r i c a nv e h i c l ea n db u s 表卜3 加州乘用车和轻型货车( 3 8 5 6 k g ) 排放标准g k m t a b l e1 - 3t h ee m i s s i o ns t a n d a r d so ft h eb u sa n ds m a l lv a n so fc a l i f o r n i ar 3 8 5 6 k g ) 表1 - 4 加州乘用车和轻型货车( 3 8 5 6 k g ) 捧放标准g k s t a b l e1 - 4t h ee m i s s i o ns t a n d a r d so ft h eb u sa n ds m a l lv a n so fc a l i f o r n i a ( 8 5 k w 的柴油机。 逶矮予单锻接量 3 0 0 0 r m i n 熊紫漓规。 1 4 2 我国柴油机排放法规介绍 我溜辩重型霉爝禁油规掺气污染物懿控秘首先是在北京枣实施翁，其矮带 7 “寨d h j b 3 1 9 9 9 车用柒油桃排气污染物排放标准”。丽露邂家质量技零 监督局于9 9 年颁布了“g b l 7 6 9 1 - 1 9 9 9 压燃式发动机和装压燃式发动机的车 辆排气污染物限毽及测试方法”。层懿实施的薪标准是“g b l 7 6 9 1 - 2 0 0 5 车 广东工业大学工学硕士学位论文 用压燃式发动机排气污染物限值及测试方法”规定了车用压燃式发动机排气 污染物排放限值及测量方法。新标准适应了与国际汽车排放标准或法规接轨的 要求，又体现了控制汽车排放污染，促进汽车工业技术进步的目的，同时还适 当兼顾了目前我国汽车用柴油机排放水平比较落后的现状。该标准按照类型认 证和生产一致性分别规定a ，b 两个阶段排气污染物排放限值，即通常所说的 欧洲i 和欧洲i i 。这是我国排放标准与欧洲排放法规接轨的重要一环。目前我 国柴油汽车污染物排放控制目标是：2 0 0 4 年前后达到相当于欧洲第二阶段排放 控制水平；到2 0 0 8 年力争达到相当于欧洲第三阶段排放控制水平；2 0 1 0 年之 后争取与国际排放控制水平接轨。我国重型柴油机排放控制限值m n 引见表 1 6 和表1 7 。 表1 - 6 类型认证式排放限值 t a b l e i - 6c e r t i f i c a t i o n - t y p ee m i s s i o nl i m i t s 表卜7 生产一致性检查实验排放限值g ( 肼h ) t a b l e l - 7e x p e r i m e n t a lp r o d u c t i o nc o n s i s t e n c yc h e c k i n ge m i s s i o nl i m i t s 1 5 本论文的研究内容 本研究课题来源于广东省科技厅科技攻关项目“车辆尾气颗粒( 碳烟) 捕 集与低压差排气消声一体化技术研究”，项目编号为0 3 0 0 4 5 。本论文通过实验 i o 静方法诗算多臻隗瓷嚣渗逶零粒惯性系数。吴俸疆究斑容魏下： 1 分析与总结柴油机尾气巾有害气体的成分、排放规律以及柴油机微粒的 形成机理，为整个研究工作奠定了基础。 2 。论遽与努爨微粒攘集嚣薅集壤理、避澹嚣毒| 辩特性，镦蔽攘集纂设谤簧 求，为研究实验装簧的建立提供了理论依据。 3 建立多孔介质纯流体耦合区域阿压缩气体的流动特憔的物理模型 及数学模鳌，莠提爨了决定多藐分囊中滤俸流动黪搜豹两令黧要参数渗透 率帮惯性系数静溯定方法。 4 确定实验装鬣所需的基本参数及测嫩参数的修难，如：根据静压测量技 术要求确定了管予长度和静聪测量孔的位爨，根据实骏要求选取流量计的璧程 范围和麓满气系静越号等，叛麓流量诗读数静修正。 5 通过对实验数据测量结果的计算，得到多孔陶瓷主要特性参数渗透率和 惯性系数。合理计算确定渗透率和惯性系数的值。 6 。运耀f l u e n t 较终鼹繁漓辊真实捺气孛弦粒懿遴羲簸述逡费费奏模羧， 对两种陶瓷材料分别进行仿真模拟。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章微粒捕集器捕集机理 2 1 微粒捕集器的净化机理 2 1 1 碰撞及吸附 发动机排气流经金属丝网或耐高温的纤维时，较大的微粒碰撞纤维的机会 较多，并被嵌留在其中，如图2 - 1 所示的微粒3 。较小的微粒最初虽能绕过纤 维流动，或能经过滤芯的微孔，但只要一接触滤芯材料表面，就会被吸附在纤 维上。 2 1 图2 - 1 微粒捕集机理“” f i g u r e 2 1t r a p p i n gm e c h a n i s mo fp a r t i c u l a t ef i l t e r 2 1 2 惯性拦截 在整体式蜂窝状多孔陶瓷滤芯中，大的微粒不能通过微孔，被直接拦截在 滤芯中。小的微粒随排气流在滤芯中流过时，流线的方向不断地在变化，具有 较大动量的微粒会由于惯性而来不及跟气流变换方向，脱离原来的轨迹向纤维 靠拢，接触纤维而被拦截( 图2 - 1 的微粒2 ) ，这就是惯性拦截机理。 第二章微粒捕熊器捕集机理 2 ，1 3 扩散拦截 在柴油机排气中，小的微j i 鼗由于气体分子热运动的碰撞。会做不规则的布 帮运动。磐果接气微粒豹滚度场建均匀熬，那么这秘农朗运动苓会使羧靛熟宏 观传输发生变化。然而纤维体对微粒的拦虢，形成7 浓度梯度，写l 起微粒从黼 浓度区向低浓度区扩散传输，如图2 - i 的微粒1 的逡动。这种布朗运动及扩散 传输现象，增加了微粒接触纾维瑟被拦截舱凡率。扩数效应大约在过滤纤维虢 瑟1 2 04 赢形蠢静藏萤内( 鬻2 - 1 豹蕊影部分) 趋终麓。 纤维对微粒的过滤效率q 是惯性拦截效率及扩散拦截效率的综合，可 用下式2 。1 1 s 表达； 零= 盖璐+ 墨锄 ( 2 。1 ) 式中：a 、b 为系数。试验表明，惯性拦截效率是微粒斯托克斯数s t 的单调递 增函数：= f ( s t ) ，s t 是一无量纲数( 如公式2 2 ) 。它的物理定义是微粒 豹羧熬辩阋与藏转经过单链纤缓熬游鍪露瓣之跑， s t ：鲤( 2 2 ) 9 沁f 式巾；或一一微粒的壹绦，c b ； 凡一一微粒静密庹，g c m 3 ； v 一一流体的流遴。m s ； l l 一一气溶胶的动力粘度，舅，( 洲- 曲； 玉一一滤芯纤缭瓣粪径，c m ； c 一一肯宁汉( c u n n i n g h a m ) 修正因数。 对予常压下的气流，卡弗特( c a l v e r t ) 给出： e 一1 + 6 2 1 x 1 0 一，或) 2 3 ) 式( 2 3 ) 中t 为当地的漱度，k 。 微粒的扩散拦截效率微粒的扩散效率j 及微粒在扩散效成区存留时间 t 有关。根据菲竟( f i e k ) 定德，扩教效率j 与微粒浓发撵度瘸扩教系数成比铡。 即 舢) 他4 ， 广东工业大学工学硕士学位论文 式中：n 一一微粒浓度，g c m 3 ； l 一一扩散方向坐标，c m ； d 一一扩散系数，硎2 s ； 微粒在扩散效应区存留时间t 与滤芯纤维直径d ，及通过滤芯的流速v 成比 例，即to c 办v 。t 越大，微粒被扩散拦截的几率越大，扩散拦截效率越高， 可以定性的认为叩d = f ( n 、d 、v 、办) ，n 、d 及办增加时，增加；v 增加时， 减小。 2 1 4 重力沉降原理 当缓慢运动的柴油机排出的尾气流经微粒捕集器时，由于尾气逗留的时间 比较长，较大的微粒可能由于重力作用而脱离原来的流线沉积在捕集单元上。 2 2 过滤体材料的要求及其结构形式 过滤材料结构与性能对整个微粒捕集系统的性能( 如压力降、传热和传质 特性、强度和过滤效率) 有很大的影响。柴油车微粒捕集器对其过滤材料的要 求如下： ( 1 ) 具有优良的颗粒物捕集性能，产生的排气压力损失不影响发动机性能。 ( 2 ) 对车辆运行时及燃烧再生时的温度变化，具有抗高温氧化性的耐热冲击性。 ( 3 ) 具备车辆搭载时优良的机械强度及车辆运行时优良的抗振动性能。 ( 4 ) 对不同排气成分和微粒上的吸附物，具有抗腐蚀性能。 ( 5 ) 适宜的再生形式和高的再生效率，如催化再生、电加热再生等。 正常条件下碳烟燃烧的温度超过5 5 0 ，而柴油车排气温度1 8 0 3 5 0 ，颗 粒物的堆积会导致难以忍受的背压损失。因此发展了多种多样的再生技术，近 年来的热点是在过滤材料上负载氧化型催化剂，捕集的同时促进微粒的燃烧， 目的是将起燃温度降低到2 5 0 3 5 0 c ，使大多数碳烟在柴油车排气温度下就被 烧掉，避免再生过程中大量碳烟燃烧而导致过滤材料局部过热融化或破裂 n 钉n “。影响催化再生的一个关键因素是尽可能扩大催化剂与碳烟的接触面积， 这对于表面过滤机理的壁流式蜂窝体会产生过度的背压损失，而深床过滤机理 1 4 第二章微粒捕集器捕集机理 懿灌沫茂或纾维毯或：蓬滤耱辩瓣兵有更鼯瓣接簸辊会。苁最翠静麓青石蜂窝隧 瓷到现谯拥有壁流式、泡沫式和纤维毡式等多种结构和陶瓷基、众属基、复合 基多种成分，2 0 多年来，过滤材料以其性熊的不断改进满足了垒世界对柴油率 镦粒撼裘器基益严格熬要求n “。 2 3 微粒捕集器过滤体材料的分类 霹前匿内外研究耱应用的遭滤材料圭甍有陶瓷基、金属基和笈含基三大爨。 2 。3 1 陶瓷基过滤材料 辫瓷基过滤材辩是匿前研究和应用最多的，它们邋常由氧化物或碳纯物缝 成，具脊多孔结构，在7 0 0 2 以上能保持热稳定，比袭面积大于l 聊2 g ，主票结 构有蜂窝陶瓷、泡沫羯瓷及陶瓷纾维毡。 l 。蜂窝隗瓷 蜂窝陶瓷常用热膨胀系数低、造价低廉的堇青石制成，这种材料开发最早。 使用最广，有壁流茂( 图2 2 ) 、泡沫式等多种结构n ”。目前在微粒捕集器过滤 俸主磅究嚣使矮较多戆是璧滚装蜂窝羯瓷，簿镦栽熬遥澹效率霹迭9 0 淡上， 可溶饿有机成分( s o f ) 也能被部分捕集。 图2 - 2 壁流陶瓷 f i g u r e 2 - 2w a l lf l o wz e r a m i cf i l t e r 由乎今年来在制造技术上取得了明显的突破，蜂窝陶瓷壁厚减薄，开口横 截面积增大，从而降低了背服损失，扩大了使用范豳。目前应用最广的荚嗣 蛮三兰盔主三兰翟圭兰竺竺三 c o r n i n g 公司和日本n g k 公司生产的捕集器采用的就是壁流式蜂窝陶瓷，其生 产工艺简单、价格便宜；国内研制生产的壁流式过滤体在过滤效率和流动阻力 等关键指标上已达到国外同类产品的水平，并已实现产业化，具备了产品系列 化的生产能力。由于其滤芯受温度影响较大，排气温度较低时沉积在壁面的h c 成分将在排温升高时重新挥发出来，并排向大气；发动机工作的热循环引起过 滤体尺寸的交替振动，也会导致过滤材料的持续退化；若采用热再生，导热系 数小的堇青石容易受热不均而造成局部的烧融或破裂。 2 泡沫陶瓷 泡沫陶瓷是将浸渍堇青石陶瓷浆体的聚氨醋泡沫塑料半成品经过高温煅 烧，塑料气化逸出得到的陶瓷骨架。与蜂窝陶瓷相比，泡沫陶瓷可塑性大大增 强，孔隙率大( 8 0 一9 0 ) 且孔洞曲折，材料的热膨胀系数各向同性，具有 更好的热稳定性，近年被用作柴油机排气微粒的过滤材料。其微观结构如图2 3 所示”】。 图2 3 泡沫陶瓷微观结构图 f i g u r e 2 - 3p h o t oo ft h ef o a mf i l t e rs 仃u e t u r e 泡沫陶瓷的工作原理主要是深床过滤，都分颗粒物渗入多孔结构中，有利 于颗粒物与催化剂的接触，氧化锆增强的氧化铝是一种广泛研究的泡沫陶瓷材 料，相对于堇青石等其它陶瓷材料，氧化锆基本不与催化剂发生反应，因而更 可取。催化剂沉积在泡沫陶瓷表面，可将碳烟的起燃温度降低到3 7 5 ，而且 对肺有害的微细颗粒物的去除非常有效。 3 陶瓷纤维 陶瓷纤维材料不受固定尺寸的限制，过滤体的孔形状和孔分布有广泛的选 择余地，通过改变各种设计参数可使应用达到优化。陶瓷纤维毡具有高度表面 1 6 第二章微粒捕集器捕集机理 纯静牵謦患，过澹律斑纤维表露念楚有效避潞嚣袄，过滤效率露袁遮9 5 。餐襻 在的问题是要提高陶瓷纤维的耐热性与缩小体积，并且生产工艺较复杂、易损 坏n “。采用合适的材料编织成陶瓷纤维毡，也能改善催化剂和过滤材料之间的 爱斑。攒如m o n t a n a r o 采弱嚣习毳骧率蔸5 7 8 2 ，平均氛径2 3 册鳃 a k 仉- b ：0 ，- s i 砚纤维毡作为过滤材料，眈较它和董膏稽蜂窝陶瓷体的化学稳定 性，结果发现同样在7 0 0 处趣2 小时，氧化催化剂中的某些成分，例如钠与摊 气孛豹硫生成n a 。s o 。，与薹青舔发生霾态扩教反应生成锯矽酸盐，黢若湿度舞黉 持续腐镪道滤体。蕊在矗王嘈侥- b 。0 ；一s i o ；纤维过滤耱辩t 没有瓣察掰此类侵饿现 象，因为高温下生成一种物质表面氧化臌具有保护作用。 2 。3 2 金藩基过滤材料 金属在材料的强度、韧性、导热性等方面有陶瓷光法比拟的优势。目前研 究较多匏是泡沫念金和金属纾维毡。泡沫合金是一种具有三维嬲络骨架的材 辩，霹零住友窀王公司将滚滚会金矮予截