（动力机械及工程专业论文）柴油机微粒捕集器逆向喷气再生技术研究.pdf

摘要微粒捕集器是目前国内外公认的控制柴油机微粒排放的有效措施，但由于其过滤体容易热再生损坏、对燃油要求苛刻等难题，至今还没有全面推广应用。针对以上问题，本文提出了适合我国高硫燃油条件的微粒捕集器逆向喷气再生技术，设计出螺旋喷吹加扫气再生的微粒捕集器系统，实现了逆向喷气再生技术的车载应用。壁流式陶瓷过滤体是内燃机排气控制领域应用最广泛的过滤体。本文在深入分析其微粒过滤机理和过滤过程的基础上，运用多孔介质流动和两相流理论，建立了壁流式过滤体的阻力模型和微粒过滤模型，得出了过滤过程中壁流式过滤体的阻力分布规律和孔道内过滤微粒的分布规律，为过滤体的可靠再生奠定了理论基础和实践指导。在深入分析过滤体逆向喷气再生机理的基础上，定义了过滤体的再生效率，并给出了计算方法；采用台架试验与模拟计算相结合的方法，对壁流式过滤体逆向喷气再生系统进行了结构设计及优化，创新设计出螺旋喷吹的扫气再生系统，并匹配了反吹压力、反吹时间、扫气时间等再生控制参数，设计了吹除微粒二次收集和处理装置，确定了二次微粒收集与处理的优化方案，实现了逆向喷气再生技术的车载集成应用。通过研究不同运行工况下的柴油机微粒排放规律，确定了适合逆向喷气再生的微粒捕集器的再生控制策略，研制了适合车载的自动控制系统。对上述系统进行了台架试验和道路试验。试验证明：该系统对微粒的净化效率达9 0 以上；对车辆动力性和燃油经济性的影响在5 以内；降噪效果优于原车消声器；利用车载蓄电池对二次微粒的处理不会影响车辆的起动性能。关键词：壁流式过滤体微粒捕集器逆向喷气再生控制策略a b s t r a c ti ti sw e l lk n o w nt h a td i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p ni sa l le f f e c t i v ew a yt oc o n t r o lp a r t i c u l a t e se m i s s i o n b u ti th a sn o ts t i l lb e e nw i d e l ya p p l i e db e c a u s eo f t h ep r o b l e m st h a tt h ef i l 【j e ri se a s yt oh e a td a m a g e dd u r i n gr e g e n e r a t i o na n di tr e q u i r e su l t r a - l o ws u l f u rf u e lw h e nq 埒蹦n g c o n s i d e r i n ga b o v ep r o b l e m s ，l e v 豇 s ep u l s ea i rr e g e n e r a t i o nf o rd p fi ss t u d i e di nt h i sp a p e rt om e e th i g l 卜s i l i f i 】rf u e l w a l l - f l o wc 疆 a m i cf i l t e ri sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fa u g i n e se m i s s i o nc o n t r 0 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so f f i l t r a f i o nm e c h a n i s ma n df i l t r a t i o np r o c e s so f w a l l - f l o wf i l t e r ,p r e s s u r ed r o pm o d e la n ds o o td e p o s i tm o d e la r ed e v e l o p e db yt h ea p p f i c a f i o no fp o r o u sm e d i af l o wa n dt w o - p h a s ef l o wt h e o r y t h er e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o na n dt h ed e p o s i t e dp a r t i c u l a t e sd i s t r i b u t i o ni nw a l l f l o wf i l t e r sa l ei n v e s t i g a t e d , a n dt h e ya r eh e l p f u lt of i l t e r sr e l i a b l er e g e n e r a t i o n n 拉d e f i n i t i o no ff i l t e r sr e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c ya n di t sc a l c u l a t i n gm e t h o da r ei l l u s t r a t e db a s e do nt h em e c h a n i s mo ff i l t e r sr e v f f f s ep u l s ea i rr e g e n e r a t i o n u s i n gm e t h o do fb e n c he x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n , r e v e r s ep u l s ea i rr e g e n e r a t i o ns y s t e mw i t hw a l l - f l o wf i l t e ri sd e s i g n e da n do p t i m i z e d s w e e p i n gr e g e n e r a t i o ns c h e m e 、) l ，i t hh e l i c a l l yb l o w i n gi sp r e s e n t e x la n dr e g e n e r a t i n gc o n t r o lp a r a m e t e r s ，s u c ha sa i rp r e s s u r e a i ri n j e c t i o nt i m ea n ds w e e p i n gt i m e , a l em a t c h e d n ec o n f i g u r a t i o no fr e m o v e dp a r t i c u l a t e sc o l l e c t i o na n dd i s p o s a li so p l m l i z e dt om i n i m i z ee n e r g yc o n s u m p t i o n a tl a s tt h et e c h n o l o g yd e v e l o p e di nt h i sp a p e ri sa p p l i e ds u c 船s s f u l yt oa v e h i c l e t h r o u g ht h es t u d i e so fe n g i n e sp a r t i c u l a t e se m i s s i o nr u l e so nd i f f e r e n te m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f e r e n to p e r a t i o n s ，r e g e n e r a t i o nc o n t r o ls t r a t e g ys u i t a b l et or e v e r s ep u l s ea i rr e g e n e r a t i o no fd p fi sd e t e r m i n e d ，t h e na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw h i c hc a bb eu s e di nv e h i c l e si sd e v e l o p e d b e n c ht e s ta n dr o a dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m sr e m o v ee f f i c i e n c yf o rp a r t i c u l a t e si sa b o v e9 0 ，t h er e d u c t i o no f b o t hv e h i c l e sp o w e ra n df u e le c o n o m ya r eb e l o w5 ，t h ep e r f o n n 吼c eo fr e d u c i n gn o i s ei sb e t t e rt h a nt h ev e h i c l e so r i g i m am u f f l e ra n dt h es t a r to ft h ev e h i c l ei sn o ti n f l u e n c e db e c a u s eo fu s i n gs t o r a g eb a t t e r yt oc o m b u s tr e m o v e dp a r t i c u l a t e s k e y w o r d b ：w a l l - f l o wf i l t e rd i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e rr e v e r s ep u l s ea i rr e g e n e r m i o nc o n t r o ls t r a t e g y独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗蠢堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：研互卑签字日期：么叫年肛月j i 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权蠢鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：召f 玉军签字日期： 烈年阻月“日导师签名签字日期：园哪r 年月z 2 日第一章绪论1 1 引言第一章绪论随着汽车保有量的大幅增加和世界范围内石油危机的日益严重，降低车用动力的燃料消耗己成为汽车消费者和生产者共同关注的话题。柴油机由于较低的燃油消耗率和较好的排放性能已成为现今解决燃料问题的主要方案，与同样作为主要车用动力的汽油机相比，柴油机的油耗要低3 0 左右，这使得其在生产运输过程中排放的温室气体只相当于汽油机的4 5 。在欧洲，现代高速直喷式( h s d i ) 柴油机已作为一种动力平台越来越普遍地被选用，约2 0 的轿车、9 0 的商用车是柴油车：在德国、芬兰等国家几乎所有的出租车都使用柴油车；法国的新车销售中柴油车所占的比重由1 9 9 8 年的4 0 、1 9 9 9 年的4 4 上升至2 0 0 0年前8 个月的4 8 ；在美国，约9 0 的商用车为柴油车；在日本，约9 2 的轿车和3 8 的商用车为柴油车。低油耗、低排放、高效率的柴油车已成为世界上应用最广泛的汽车类型。4 0 03 5 0薜3 0 0k2 5 0谕2 0 0忙1 5 0毯1 0 05 0o年份1 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 02 0 1 52 0 2 02 0 2 52 0 3 0+ 轻型客车+ 中型客车+ 大型客车* 轻型卡车* 卜重型卡车图l - 1我国未来柴油车保有量的燹化趋势在我国，柴油载货车和车用柴油机从1 9 6 0 年起步，至今历经4 0 多年的发展，柴油汽车在总的汽车保有量中所占的比重逐渐加大。特别是进入9 0 年代，我国客、货车柴油化步伐加快，柴油车的保有量从1 9 9 0 年的8 8 7 力辆增加到2 0 0 0 年的3 6 4 万辆。从1 9 9 0 年到2 0 0 0 年，我国柴油车的年产量由7 5 8 万辆增加到6 1 5 3 万辆，在汽车总产量中，柴油车的比重也逐年增长。根据我国现在的生产力水平，今后3 5 年内柴油车保有量年均增长的预测结果如图卜l 所示0 1 。柴油发动机技术在载重车领域快速发展之后，在乘用车市场也呈现出快速第一章绪论崛起的势头。拥有领先柴油发动机技术的大众集团，2 0 0 2 年就在中国市场动手推广其柴油车产品。2 0 0 2 年，一汽大众销售柴油轿车仅1 0 1 8 辆：2 0 0 3 年，销售柴油轿车5 0 4 2 辆，销量同比增长3 9 5 ；2 0 0 4 年，销售柴油轿车1 5 2 6 9 辆，销量同比增长1 9 9 ，已占到捷达轿车全年销量的十分之一；到2 0 0 5 年前8 个月，一汽大众已销售柴油轿车1 1 8 4 7 辆，并继续保持高速增长的势头。究其原因，柴油轿车与同等排量的汽油车相比，能够节油3 0 以上，在原油价格持续上涨的情况下，其经济性显得尤为突出，并且在环保方面，柴油轿车二氧化碳的排放量比汽油轿车低3 0 4 5 跚，国家鼓励柴油轿车的生产和消费，对履行京都议定书也是一个巨大的支持。然而，与汽油机相比，虽然柴油机的c o 、h c 的排放量比较低，n o x 的排放量和汽油机处于同一数量级，但其微粒( p a r t i c u l a t em a t t e r s ，p m ) 排放量约为汽油机的3 0 8 0 倍，是柴油机最主要的排气污染物。柴油机的微粒排放物是一种成分可变的固体和液体组分的混合物。越来越多的统计研究和流行病学研究表明“”，柴油机排气中的微粒对人体健康的危害相当大，它给人们带来的致癌危险性是汽油车排气的数倍到数十倍。随着研究的深入，柴油机排气中的超细颗粒物对人体健康的危害逐渐被人们所认识。排气中颗粒物的特征通常表现为晶核状颗粒( 5 0 n m ) 和积聚状颗粒( 5 0 1 5 0 n m ) 。晶核状颗粒一般为气溶胶粒子，能长时间悬浮在大气中，很容易通过人体呼吸系统进入肺泡中并沉积下来，甚至可以进入血液中，对人体健康的威胁很大；积聚状颗粒一般就是碳烟颗粒，其性质状态相对比较稳定。目前，尽管人们对积聚状颗粒( 约5 1 5 0 h m 的碳烟颗粒) 的认识已非常明确，但是对超细微粒性质的了解还只是刚刚开始。充分的证据表明，超细微粒( 晶核状颗粒， 5 0 n m )与未燃的润滑油密切相关。且前的假设是”1 ，这些颗粒最初是由硫酸或高碳氢或灰分颗粒开始形成的，然后再成长为半挥发性碳氢，因此需要过滤装置和超低硫燃油来减少这些颗粒。有关颗粒测量技术以及法规限制是以排放的颗粒质量为基准，还是以排放的颗粒数量为基准的讨论正在欧洲热烈展开。争论的结果归根到底将取决于以微粒质量或数量为基准的测量方法的可靠性，以及p m 质量测定值与p m 数量测定值的相关性。鉴于柴油车排放颗粒物对环境和人体健康的巨大影响，目前，世界各国都在广泛开展柴油车污染治理工程，其中美国、中国香港、日本、韩国、德国、法国、英国、墨西哥等国家和地区都投入了巨资，强制或鼓励开展柴油车治理工作。与国外相比，我国柴油车排放污染严重，主要原因是柴油油品差、发动机技术落后。研究表明，北京市空气中有20 以上的可吸入颗粒物来源于机动车排放，而北京市目前约有的12 万辆柴油车( 不含农用车) ，其中达到欧2第一章绪论及以上标准要求的车辆仅占24 ，达到欧i 要求的车辆占39 ，达不到欧i 标准要求的车辆占37 ，其它城市的情况也大体如此。因此，我国的柴油车微粒排放控制任务非常艰巨。1 2 柴油机排放法规的发展柴油机排放控制领域中各项技术正在快速发展，而促使排放控制技术发展的原动力来自世界范围内日趋严格的排放法规。美国是世界上控制汽车排放最早、最严格的国家。1 9 5 9 年，美国加州就提出立法，控制汽车污染物的排放；1 9 7 0 年，美国用于重型汽车和客车的柴油机烟度排放控制标准开始实施，它对重型柴油机的加速、爬坡及最大负荷时的烟度规定了限值脚；1 9 8 0 年5 月，美国联邦环保局( e p a ) 颁布了世界上第一个用于客车和轻型货车的柴油机微粒排放标准”；1 9 8 5 年3 月，e p a 颁布了重型汽车柴油机微粒排放标准，并对各年度柴油机应达到的排放指标提出了具体的要求；除了对车辆本身提出要求外，e p a 颁布的从1 9 9 3 年l o 月开始执行的法规中对柴油中的硫含量进行了限制，这一规定不仅可以直接降低柴油机的微粒排放量，还为以后利用催化技术进行柴油机微粒排放控制铺平了道路。如今，随着环境污染和全球变暖等问题的日益严重，世界各国对机动车污染问题都引起了足够的重视，发动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4 标准) 将首次强制要求采用先进的排放控制系统；美国将于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；欧洲将于2 0 0 8 年实施另一个更加严格的排放法规( 欧5 标准) 。在轻型柴油机方面，欧4 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2 0 0 8 - 2 0 1 0 年，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 排放的措施。我国由于受国家经济技术水平的限制，对机动车排放尤其是柴油车柴油机排气污染的控制起步较晚。根据国内机动车污染状况、发展需要和环境保护的需要，我国的机动车排气污染控制法规主要借鉴了欧洲的排放法规标准体系。1 9 9 3 年我国发布了g b l 4 7 6 1 7 - 1 9 9 3 汽车柴油机全负荷烟度排放标准、g b l 4 7 6 1 6 - 1 9 9 3 柴油车自由加速烟度排放标准及g b t 3 8 4 6 柴油机自由加速烟度的测量一滤纸烟度法，规定了不同工况下车用柴油机的烟度排放限值和测量方法。2 0 0 1 年，我国颁布了车用柴油机排气污染物标准g b l 4 7 6 1 2 0 0 1 车用压燃式发动机排气污染物排气限制及测试方法；2 0 0 4 年7 月已开始执行相当于欧洲二号标准的排放法规；到2 0 0 8 年，我国的排放控制水平力争达到相当于欧洲第三阶段的排放控制水平；2 0 1 0 年之后争取与国际排放控制水平接轨。在第一章绪论个别地方，如北京为了迎接2 0 0 8 年的奥运会，上海为了迎接2 0 1 0 年的世界博览会，打算提前实施更严格的排放标准。所以将要实行的欧3 排放限值成了大家关注的目标。表1 - 1 、表1 - 2 分别为欧洲轻型、重型车用柴油机的排放限制。表l - 1 欧洲轻型车用柴油机的排放限制排放标准欧1欧2欧3欧4欧5生效日期1 9 9 2 生1 9 9 5 芷2 0 0 0 包2 0 0 5 篷2 0 0 9 焦中国生效日2 0 0 0 芷2 0 0 4 年2 0 0 8 龟c o2 7 22 2 回1 0 0 6 4o 5o 5h c + n o x0 9 7o 7 0 0o 9 0 o 5 6o 30 2 5n o xo 5 0o 2 50 2p mo 1 4o 0 8 0o 1 0 0o 0 50 0 2 50 0 0 5非直喷式柴油机。直喷式柴油机。表l - 2 欧洲重型车用柴油机的排放限制排放标准欧1欧2欧3欧4欧5涮试循环f f e r 4 9e c e r 4 0e s c + e i 。re t r + e i ，rf t c + f i ，r实施日期】9 9 2 年1 9 9 6 芷2 0 0 0 矩2 0 0 5 年2 0 0 8 芷中国生效年2 0 0 0 芷2 0 0 4 芷2 0 0 8 年c o4 54 02 i1 51 5h c1 11 10 ，6 60 4 60 4 6n o x8 07 05 03 52 op mo 3 6 。o 6 1 国o 1 5 。0 2 5 圆0 1 0 0 o 1 3 圆o 0 20 0 2动态烟度0 8 m 。10 5 m 10 5 m 适用于标定功率不大于8 5 k w 的柴油机适用于单缸工作容积小于o 7 l 、标定转速大于3 0 0 0 r r a m 的柴油机。4第一章绪论1 3 柴油机微粒排放控制技术的研究现状从上面的排放法规可以看出，从欧1 到欧3 ，柴油机微粒的排放限值有了大幅度的下降。在过去的二十多年，发达国家柴油机的微粒排放降低了约3 0 倍，平均每5 年降低约5 0 。现代柴油机的微粒排放之所以能降低到一个相当低的水平，主要是不断采用如高压燃油喷射、多气门技术、高性能可变几何截面增压器( 增压中冷) 技术及合适的电子控制技术等先进的机内净化技术。但是，机内净化技术给柴油机的微粒排放控制带来了新的课题。在采用了现代柴油机技术、尤其是柴油高压喷射技术后，虽然柴油机排放的微粒总质量大幅度减少，但微粒的数量却反而有所增加。虽然这些微粒的体积和质量远小于以前的排放微粒，但其对人体和环境所造成的危害却更大”。况且机内净化技术对大量的在用柴油车的排放治理无能为力，所以仅靠机内净化技术难以达到未来更严格的排放法规。针对以上问题，多年来人们一直致力于从另一个角度出发解决微粒的排放问题一柴油机微粒排放后处理技术，即将柴油机排气引入专门的后处理装置一微粒捕集器中，消除其中的部分微粒后再排入大气。从原理上讲，微粒捕集器主要是先对排气中携带的微粒实行物理捕集，一段时间后再对捕集器实行再生处理，以减小其对柴油机性能的影响。目前，柴油机微粒捕集器是公认的、最有效的解决柴油机微粒排放的技术途径。国、内外在该领域的研究已有二十多年的历史，核心问题是解决微粒的捕集和捕集器的再生两大关键技术。1 3 1 微粒捕集技术的发展目前，国内外研究的微粒捕集方法主要有静电吸附法、过滤捕集法和离心分离法等，这些捕集技术各有利弊。研究表明，静电吸附法和过滤捕集法是两种较有效的捕集方式。1 、静电吸附法由于柴油机微粒的电阻率在1 0 8 一l o q c m 数量级内变化，适合于静电捕集，并且静电捕集器的流动阻力较小，对发动机的性能影响不大，因而国内外一些学者对静电吸附技术在柴油机排放中的应用进行了研究。d b k i t t e l s o n 等人对柴油机排气微粒的电特性进行了研究“，结果表明，柴油机的排放微粒中，近7 0 - 8 0 ( 质量百分比) 的微粒里荷电状态，每个带电微粒分别载有1 5 个基本正电荷或负电荷，整体呈电中性；这就为利用附加强电场，对荷电微粒实现静电吸附提供了可靠的科学依据。国内外已在该方面作了一些相关的试验“”，第一章绪论并取得了一定的试验成果。大连理工大学“利用静电金属丝网对柴油机排气微粒进行捕集，为了提高不锈钢丝网的过滤效率，在过滤器上游加电晕荷电装置，增加微粒的荷电量，从而提高了过滤效率，使其达到5 0 7 5 左右。静电吸附法存在一些不足：车载高压电源难以取得，系统绝缘设计难度大，附加设备体积大，结构复杂，成本偏高，不适用于大量推广使用。2 、过滤捕集法过滤捕集法是目前各国研究机构普遍采纳的柴油机排气微粒后处理方式。微粒捕集技术实用化的前提是选用经济耐用的捕集材料并配以合适的再生方法，其中微粒捕集材料的性能直接影响着捕集再生装置的微粒净化效果、使用寿命以及可靠性。在实际车载应用中，捕集材料必须具有一定的机械强度，且满足耐热冲击、耐高温、抗热疲劳等要求，但其捕集效率和排气阻力则是重点考虑的两大指标：若排气阻力过高会引起柴油机动力性和燃油经济性的急剧恶化；捕集效率过低，则意味着相当一部分微粒没有得到捕集而直接排入大气。所以微粒捕集材料应具有如下的性质：( 1 ) 优良的微粒捕集性能，且产生的压力损失对发动机性能的影响较小；( 2 ) 热膨胀系数小；( 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 ) 适于车辆搭载的尺寸要求。目前，国内外对微粒捕集材料的研究相对比较成熟，有泡沫陶瓷过滤体、陶瓷纤维过滤体、金属丝网过滤体及壁流式蜂窝陶瓷过滤体等。( 1 ) 泡沫陶瓷泡沫陶瓷的微观结构与泡沫塑料十分相似，其内部有许多称为“气室”的小孔，每个气室通过开口与多个相邻的气室相通，宏观结构一般制成圆柱形。柴油机排气微粒流经过滤体时，其中的部分微粒就会沉积在气室中。泡沫陶瓷过滤体的微粒过滤效率一般为4 0 6 傩，其优点是再生时多孔结构使火焰易于传播，从而有利于再生；并且泡沫陶瓷物性参数各向同性，再生时产生的热应力较小，不易造成过滤体热损坏。其缺点是结构疏松、强度低，在排气冲击和机械振动下易损坏“”“。( 2 ) 陶瓷纤维陶瓷纤维具有高的面容比和良好的抗高温能力，不受固定尺寸的限制，为过滤腔内孔的形状和分布提供了广泛的选择余地，也允许改变各种设计参数以使其应用达到优化。由于陶瓷纤维表面都是有效过滤面积，所以过滤效率很高，并且能适应催化使用的要求。陶瓷纤维一般都制成毡状，具有良好的过滤性能和耐高温性能。其缺点在于：陶瓷纤维是一种脆性材料，在编织和使用过程中6第一章绪论较易损坏，在排气气流的高温高速和波动冲击下，容易脱落或成为碎片陋列。为了提高其机械强度，可夹杂金属丝网编织，金属丝网起到骨架作用，但生产工艺复杂。其另外一个缺点是：不适于清洗或再生后重复使用，因此利用效率较低。( 3 ) 金属丝网过滤体2 0 世纪7 0 年代，通用公司最早使用金属丝网来捕集柴油机排气中的微粒，这也是当时唯一可用的捕集材料。金属丝网表面光滑，比面积小，因而微粒过滤效率低，大约为2 0 5 0 。为了增大它的捕集效率，可在过滤体前面加电晕荷电装置“l 】，也可以采用组合的方式将金属网编织在一起，其优点是：孔隙大小分布均匀，易于微粒的捕集；导电性良好，容易捕集带电微粒；耐高温及抗震性能好，使用寿命长、成本低。香港理工大学与国内几所大学合作开发了金属丝纤维颗粒捕集器及其清理装置，台架和道路试验表明此种捕集器有较高的过滤效率，得到香港环保总署的认可嘲。田，清华大学、军事交通学院等单位合作开发的壁流式金属丝网过滤体及其再生技术也取得了不错的效果1 。( 4 ) 壁流式过滤体如前所述，过滤体在柴油车上实用化的前提是应同时满足高的捕集效率和低的排气阻力两大指标。与其它过滤体相比，壁流式过滤体是目前公认的综合性能最优、在国外研究和应用最广泛的过滤体。壁流式过滤体一般采用堇青石材料，为了提高其耐高温的性能，又开发了s i c 材料的过滤体”“1 。图卜2 是壁流式过滤体的微观和宏观结构示意图。( a ) 微观结构( b ) 宏观结构图1 - 2壁流式过滤体结构示意图如图卜2 所示，壁流式过滤体的小孔为相间堵孔，携带着微粒的柴油机排气流经过滤体时，必须穿越小孔的多孔介质壁面，微粒被截留下来，净化后的排气从出口小孔排向大气。壁流式过滤体最早由美国c o r n i n g 公司发明，最初采用堇青石陶瓷材料。堇青石陶瓷材料和壁流式蜂窝陶瓷过滤体被认为是c o r n i n g 公司对汽车排气净化具有里程碑性质的贡献，c o r n i n g 公司也因此在汽第一章绪论车领域闻名世界。c o r n i n g 公司生产的堇青石壁流式蜂窝陶瓷过滤体不仅捕集效率高、排气阻力低，而且具有较高的耐高温性能、较高的机械强度，优良的耐腐蚀性能和良好的抗热震性，适合于柴油机排气环境工作。冽。继c o r n i n g 公司之后，日本的n g k 公司也掌握了这一技术嘲蚓。经过深入研究，我国宣兴非金属化工厂掌握了这一高难技术并初步实现了产业化。目前该厂研制的壁流式蜂窝陶瓷过滤体在微粒捕集效率，流动阻力及耐久性等关键指标上已经达到了国际先进产品( c o m i n g 公司) 的同等水平，2 0 0 3 年被评为国家重点新产品，其价格仅为c o r n i n g 公司产品的i 4 左右。3 、离心分离法旋流分离器是离心分离法的一种典型形式，它对微粒进行捕集和分离的机理主要是离心力，其典型结构分别为切向迸气形式和轴向进气形式两种。天津大学的刘双喜进行了柴油机微粒旋风捕集的研究m 1 ，对柴油机微粒进行了换热器冷却条件下凝聚特性的试验，设计了三种小型切流反转式旋风分离器，对冷却温度、微粒的质量排放浓度、排气流率等参数对捕集效率的影响进行了详细的研究。当含有微粒的气流进气旋流分离器时会形成高速的旋转运动，微粒在极强的离心力场的作用下向外运动，最后沿外壁进入灰斗，净化后的气流从排气管引出。旋风分离器具有无运动部件、工作稳定可靠、造价低、维修方便等优点，排气阻力比一般洁净的过滤式排气微粒捕集器低，而且排气阻力几乎不随工作时间的增长发生变化。但这种净化器只对较大的排气微粒有净化作用，净化效率最高达5 0 以上，最低接近3 0 ，难以满足较严格的排放法规。1 3 2 微粒捕集器再生技术的研究进展相对于捕集材料而言，捕集器再生技术的研究有些滞后。国内外对过滤体再生技术进行过多年的研究，先后出现了喷油助燃再生、燃油添加剂再生、电加热再生、微波加热再生、连续再生、逆向喷气再生等不同的再生方法。依据再生能源来源的不同，图i - 3 对主要的8嗤油髓燃再生电加热再生截致加热再生催化再生连续再生摹如荆再生进气节流再生摊气节流再生后燃再生逆向夤气再生机械振动再生图l - 3 主要的过滤体再生方法第一章绪论过滤体再生方法进行了总结和分类。1 、喷油助燃再生喷油助燃再生技术最早于8 0 年代在国外的大型客车上得以应用嘲，发展较早，因此相对比较成熟。该技术的基本原理是，当过滤体需要再生时，通过一套专门的装置，向过滤体上游空间喷射一定量的燃油并供给空气，随后由专门的点火系统将喷入的燃油点燃，再引燃微粒实现过滤体的再生。军事交通学院将喷油改为喷射燃气，进行了微粒捕集器燃气再生的理论分析和试验研究。喷油气助燃再生系统结构复杂，造价昂贵，而且再生过程难以控制，还会造成二次污染m “】。2 、电加热再生电加热再生技术是利用电能加热发动机排气，使其温度提高至微粒的着火温度( 约6 0 0 0 c ) ，沉积在过滤体内的微粒着火燃烧，实现对过滤体的再生。国内外对电加热再生技术有较广泛、深入的研究】。美国d o n a l d s o n 公司开发了中型和大型发动机用的全自动电加热器式双过滤器系统，这系统己搭载在卡车、公共汽车上进行试验。1 9 9 1 年，搭载了这一系统的t m c 公共汽车约4 0 0 辆在纽约投入运行。日本三菱汽车公司的双过滤器装置也采用此种电加热再生系统，达到黑烟1 0 0 消除，1 3 工况的p m 排放量下降到长期标准限值的l 2 以下m 】。国内高校和研究机构对电加热再生技术也进行了深入的研究，天津大学的段家修等人对柴油机微粒过滤体电加热再生技术进行了试验研究，在分析电加热分区再生过程的特点和再生成功必须具备的条件基础上，探索出了一种新的再生方法“8 1 。大连理工大学的杨德胜等人对柴油机微粒陶瓷过滤器电加热再生的时机进行了研究，描述了优化再生时机的重要原则。电加热再生系统结构简单，加热强度易于控制，但耗电量较大，一般要达到1 5 k w 以上，五十铃公司开发的电加热再生过滤器的功率高达4 k w ，给车用蓄电池造成很大的负担删。另外，表面加热易造成过滤体再生不均匀或局部温度过高，从而引起过滤体烧熔或炸裂。3 、微波加热再生微波加热再生技术是8 0 年代未出现的一种新的再生方法，它是由英国l o u g h b o r o u g h 理工大学的c p c a r n e r 和j c d e n t 教授首先提出的1 ，之后国外研究机构在这方面开展了一系列深入的研究嗍剐。我国大连理工学院、解放军军事交通学院对泡沫陶瓷过滤器系统也进行了深入的微波再生技术的研究，其中包括过滤体微波加热再生的可行性、过滤材料的微波特性、过滤器内微波场9第一章绪论分布、过滤体内温度场分布及再生过程数值模拟、过滤器微波加热再生试验研究等删。和其它再生方法相比，微波加热再生是一种具有选择性空间加热、加热均匀、加热迅速、能量利用率高等特点的再生方法，有较高的实用价值。以上叙述的再生方法，均属于热再生技术。它们普遍存在能耗高、再生时机难以控制、过滤体易热疲劳损坏等问题，所以没有被大规模推广应用。4 、燃油添加剂再生燃油添加剂是一种溶于燃料的催化剂，在发动机中燃烧后进入排气，和微粒一起被过滤体捕集，这使得捕集微粒和催化活性成分密切接触，降低微粒的燃烧温度，促进捕集微粒的燃烧。常用的燃油添加剂含有f e 、c e 、c u 和p t 的化合物。国外相关机构对燃油添加剂再生技术进行了广泛的研究删。如3 m 公司用含c u 、f e 、c e 的添加剂对陶瓷纤维微粒过滤器的再生性能进行了研究开发”1 ，其中f e 、c e 添加剂性能较好，使微粒起燃温度降到柴油机正常操作时排气温度范围内。标致雪铁龙集团和菲亚特的柴油轿车上使用的微粒过滤系统采用铈基燃料添加剂来降低微粒的着火温度脚6 力，这种燃料添加剂用于柴油轿车时只能采用s i c 过滤器。该技术的缺点是燃料添加剂燃烧后形成的金属氧化物的灰烬都保留在过滤器内，无法在线清除。5 、催化再生催化再生技术是利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能，使其能在柴油机正常排气温度下进行燃烧，实现微粒过滤器的再生。在再生过程中，过滤体所受到的热负荷较小，因此提高了过滤体的寿命及工作可靠性。近年来，国内外研究机构已在这一研究领域进行了大量的工作酬。催化再生技术的研究重点在于寻找能有效地促进微粒在尽可能低的温度下氧化的催化剂。研究表明，一些贵金属、金属盐、金属氧化物以及稀土复合金属氧化物等催化剂对降低柴油机微粒的着火温度和转换有害气体均有很大的作用。催化再生技术一般将催化剂提前浸渍在过滤体上，但由于固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，因此很难进行完全再生。另外，由于柴油机排气中的微粒含量较大，随着时间的进行，部分微粒会覆盖催化剂，催化剂的作用就会逐渐减弱或完全消失，从而影响到过滤体的有效再生和对其它有害气体的催化净化效果。第一章绪论6 、连续再生发动机捧气一iip t 催化剂d p fn 2 一n 0 2c + n 0 2 一c 0 2 + c + 0 2 一c o 净化后排气图1 - 4c r t 系统的原理及装置连续再生过滤器( c o n t i n u o u sr e g e n e r a t i o nf i l t e r ，c r f ) 或称为连续再生捕捉器( c o n t i n u o u sr e g e n e r a t i o nt r a p ，c r t ) 系统由一个壁流式陶瓷过滤器和置于过滤器上游的一个氧化催化器构成，过滤器用于捕集柴油机排气中的微粒。排气通过氧化催化剂时，其中的n o 被氧化成n o , 。n o 。对被捕集的微粒有很强的氧化能力，其起燃温度仅为2 6 0 0 c 左右，使过滤器在较低的温度下能连续再生。c r t 系统的原理和装置如图1 - 4 所示。整个c r t 系统安装在车辆的排气管上，不需要燃料添加剂、燃料助燃或电加热系统，易维护，是一种完全的被动再生系统。目前，连续再生过滤器系统是国外柴油机微粒排放控制领域研究的热点之一“州，已由j o h s o nm a t t h e y 公司商业化生产，迄今为止在整个欧洲有9 0 0 0 多辆柴油公共汽车、重型卡车、市政车使用c r t 装置，其分布如图卜5 所示。图1 5c r f 系统在欧洲的使用情况第一章绪论j o h s o nm a t t h e y 公司的c r t 装置最近已打入美国市场呻1 ，使用效果很好。因为燃料中的硫含量对该系统有很大的影响，上述装置所使用的燃料是e q u i l o n公司提供的超低硫燃料。”。图i - 6 示出了燃油硫含量对催化再生和连续再生系统的影响示意图。1 芝瞽薯弛巢柏蘩o慝f ! ：一l蘑理生竺_曩棼量 i毖ji。自第一章绪论1 4 本文研究的意义及主要研究内容所谓微粒捕集器的逆向喷气再生，是利用压缩空气以脉冲的形式逆向冲击过滤体的过滤面，使附着在过滤体入口小孔壁面上的微粒脱落，随反吹气流进入收集腔，从而起到净化过滤体的目的；吹落的微粒被二次收集，集中起来燃烧处理，这不但降低了能耗，还避免了过滤体的热损坏。1 4 1 本文的研究意义针对我国目前的燃油条件及柴油机技术水平，开展逆向喷气再生技术的研究是非常必要的，这主要是因为，与其它再生技术相比，逆向喷气再生技术存在以下优势：捕集器使用寿命有保证。再生时微粒燃烧导致的捕集器热损坏几乎是其它所有再生方式共同的特点，而逆向喷气再生时微粒不在滤芯中燃烧，因此易损件滤芯始终处于安全的温度范围内，其使用寿命得到保证。可同时去除捕集器中的不可燃烧物质。柴油机排出的微粒中，含有硫酸盐和尘粒等不可燃烧物质，约占总微粒的6 ，这一比例与燃油质量和大气环境有关。采用加热再生、催化再生等方法时，只能对可燃烧物质进行处理，而不可燃烧物质仍滞留在捕集器中。滞留在捕集器中的不可燃烧微粒只能通过人工利用压缩空气或高压水定期清除。清除的周期根据燃油的质量和再生方法的不同而改变，一般高硫燃油条件下、催化再生时，不可燃烧的硫酸盐含量大幅度增加，清除周期要求更短。对柴油车的动力性、经济性影响小。逆向喷气再生属主动再生，其再生时机不受捕集器中微粒质量、排气温度等因素的影响，可采用相当短的再生周期，一般为1 5 3 0 分钟，及时消除因捕集器阻力对柴油车产生的影响。另外，由于不可燃烧物质不在捕集器中滞留，柴油车的燃油经济性不会随行驶里程增加而降低。欧洲的试验表明，连续再生捕集器在使用8 万公里后，平均油耗上井了大约1 2 。我国的柴油含硫量比欧洲高得多，因此油耗上升会更快。综上所述，针对我国目前的高硫燃油条件，及大量在用车严重的微粒排放现状，开展柴油机微粒捕集器逆向喷气再生技术的研究非常必要。1 4 2 本文的主要研究内容逆向喷气再生技术是8 0 年代末出现的一种新的再生方法，国外在这方面开展了一系列深入的研究，其中包括逆向喷气再生与过滤材料的匹配。、逆向喷气再生对过滤体寿命的影响、逆向喷气再生装置的设计以及过滤体逆向喷气第一章绪论再生的试验研究1 等内容。逆向喷气再生技术的研究在国外虽然已经取得了一定的成果，但达到车载实用的要求还有一定的距离1 。目前该技术存在的主要问题是：再生时需要消耗的压缩空气量较大；过滤体再生不均匀，从而造成再生不彻底；反吹后微粒的二次收集困难；收集微粒的处理耗电量较大等。特别是再生效率较低、反吹后微粒的二次收集困难等问题是影响逆向喷气再生技术实用化的主要障碍。鉴于目前我国面临的柴油车污染的严重状况，为推进我国微粒捕集器研究的实用化进程，国家高科技发展计划( “8 6 3 ”计划) 对本课题的研究给予了大力的支持，在先后两次资助的项目( 项目编号分别为：2 0 0 1 a a 6 4 3 0 2 0 和2 0 0 3 a a 6 4 3 0 1 0 ) 研究中，都有微粒捕集器逆向喷气再生技术的相关研究内容。针对以上情况，本文从车载实用化的角度，对以下问题进行了深入地研究。l 、壁流式陶瓷过滤体特性研究壁流式陶瓷过滤体是目前研究和应用最广泛的过滤体之一，其特性研究的内容主要包括过滤特性研究和阻力特性研究两部分。过滤特性研究中，在对壁流式过滤体过滤机理及其影响因素深入研究的基础上，对它在不同发动机工况下的过滤效率进行了试验研究，分析了壁流式过滤体的微粒过滤过程；同时对过滤体物性参数对微粒累积规律的影响进行了研究，为过滤体参数的优化、过滤体的选型提供依据。壁流式过滤体阻力特性研究分析了干净的壁流式过滤体和负载一定量微粒后的壁流式过滤体的阻力特性规律，并通过模拟计算分析了不同因素对壁流式过滤体孔道内的流场特性的影响，为过滤体再生技术的应用奠定基础a2 、微粒捕集器逆向喷气再生系统设计本文采用数值模拟与台架试验相结合的方法。在综合考虑过滤效率、再生效率、压缩空气消耗量、二次微粒收集及处理、装置尺寸等因素的前提下，对以下方面进行了研究：( 1 ) 壁流式过滤体逆向喷气再生的机理研究；( 2 ) 反吹装置的研究与设计研究反吹压力、储气罐容量、喷嘴参数、脉冲时间等参数对反吹再生效果的影响，对上述参数进行优化，以获得理想的再生效率，并使微粒基本不累积。同时，尽量降低压缩空气消耗量，减小装置的重量和体积。( 2 ) 微粒二次收集及燃烧技术的研究设计微粒的二次收集及燃烧装置，使吹除的微粒尽可能多地被二次收集装置收集，减小微粒泄漏，并使收集到的微粒尽可能集中。燃烧装置应使微粒迅速、彻底地燃烧，且能量利用率高，简单可靠。1 4第一章绪论( 3 ) 逆向喷气再生数学模型通过数学模型研究反吹时过滤体前、扩压腔、二次收集装置内的气体流动状况，特别是对反吹管结构、扫气时间等参数进行优化，以获得良好的再生效率和二次收集效率。3 、逆向喷气再生控制系统研制为减少微粒捕集器对柴油机性能的影响，同时尽可能地减小再生过程中压缩空气消耗量，减轻微粒捕集器的使用给驾驶员带来的额外负担，研究不同运行工况条件下的微粒累积规律，确定再生控制参数和控制策略。在此基础上，研制车载自动控制系统。4 、逆向喷气再生的微粒捕集器的台架试验和道路试验对研制的逆向喷气再生的微粒捕集器系统的净化效果、对柴油车性能的影响及其工作可靠性等问题进行了台架试验和道路试验，分析了试验数据，得出了试验结论。第二章壁流式过滤体过滤及阻力特性的模拟及试验研究第二章壁流式过滤体过滤及阻力特性的模拟及试验研究本章采用试验和理论分析相结合的方法，研究各种影响因素对壁流式过滤体性能的影响规律，这可以对过滤体材料的选择、结构的设计、加工的工艺及规格系列的划分起重要的指导作用，从而使壁流式过滤体在排气阻力、过滤效率及机械强度等各方面达到实用的要求。2 1 壁流式过滤体过滤特性研究壁流式过滤体的过滤性能受气流参数、微粒尺寸分布以及过滤体微观结构等众多因素的影响。虽然目前国外对壁流式过滤体已有不少研究，但从微粒过滤机理角度对微粒过滤效率开展的研究还显得非常薄弱。本部分参考有关文献分析了壁流式陶瓷过滤体的三种过滤机理，并对微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速、气流温度等因素对过滤体综合捕集系数的影响及影响规律进行了研究，研究结果可【：上为壁流式陶瓷过滤体微粒捕集效率的定性与定量分析及过滤体的结构优化设计提供依据。2 1 1 壁流式过滤体过滤机理及影响因素分析根据过滤理论，过滤体微粒捕集的数学方程可以表达成如下形式：依2j j d a( 2 1 )4式中：纷为