（动力机械及工程专业论文）柴油车用尾气微粒过滤器的研究.pdf

摘要 袋滤技术应用于柴油机排气微粒控制领域为降低柴油公交车排放提供 了一条新途径，为了加速该技术的实用纯进程，开展了以下工作： 1 对原来的袋滤器方案进行了改进，设计出l “及2 4 鼹种新型盼袋滤嚣。 新型袋滤器过滤单元数目增多且增设支架。进气管、排气管置于丽侧，组 纵了排气在过滤器中的耨熬滚动方式。采用弧形底的灰仓形式，增大了攀 扶量。增设隔栅，防止气流卷起狄仓中的积灰。去除了原设计在结构上存 在瓣不合理因素，重量捐砖减轻。弱露还尝试了耱豹安装方法。 2 为保证袋滤器的安全工作，进行了冷却器的设计选型工作。为此丌 笈了用予冷却嚣设计匏夺墼较俘，秘爱该较俘避彳亍了一系列诗算，计算结 果包含了结构因索变化对冷却器设讨参数及降温性能的影响，并以曲线的 形式对箕避行了麓示，俸为后赣冷帮器设许斡疆簿。 3 提出了新的i 一1 、i 2 、i i 1 、i i 2 、i i i 型五种冷却器的殴计方案。 采用波纹管及普邂光管作为冷盂| v | 辩的挟热管。l 蟹、l i 羹冷却器与l8 袋滤 器配合，i i l 型冷却器与2 “袋滤器配合使用。 4 进行了袋滤器、冷却器夏、冬两攀道路试验。实地考察行车路线， 将试验对象选为胶娜市的7 路公交车、毒岛市的2 t 2 路中型车翻3 1 7 路大 型公交车。在7 路车的试验中分别对i 型及i i 型冷却器进行了冷却器降温 性能豹对比，确定出l l 型冷却嚣性2 最镶。在2 1 2 路孳豹道路试验中分剜 采用了两种材料相同厚度不同的滤料进行试验，结果表明，厚滤料的清灰 健戆较豢，薄曩錾鹈渍款特牲良磐，试验申还涎定了清获攥爆。在避3 1 7 魏 车的试验中发现，冷却器的降温能力强弱将大大影响袋滤器的怠速背压， 襁并不影溺箕过滤效率。试验时对试验车辘攘气进行了燧度溯爨，结粜袭 明，过滤效率可达1 0 0 。 5 开发了车精过滤嚣自动控翎系统，对各部分电路进行了设计。奉系 统可对袋滤器工作情况进行实时监控，保证安全运行，嗣时又可实现清扶 龠动化。以k 型热电偶作为温度传感器，为测敬箕系统误差，设计了相关 试验，对两只热魄偶进行了标定。所设计的控制系统电路板与袋滤器一起 进行了实际运钠：试验，达到了预期目标。 关键溺：公交车，紫灌微粒，袋滤器，冷蛰器，交磅羟露 a b s f r a c t an e wa p p r o a c hf o rr e d u c i n gt h ee m i s s i o n so fd i e s e lv e h i c l e si sf o u n d w h e nt h eb a gf i l t e rt e c h n o l o g yh a v eb e e na p p l i e dt ot h ef i e l do fd i e s e le n g i n e e x h a u s tg a sp a r t i c u l a t e sc o n t r 0 1 t om a k et h i st e c h n o l o g ym o r ep r a c t i c a l ，e f f o r t s a r em a d ea sf o l l o w s ： 1 t w ok i n d so fb a gf i l t e r s ，n o + la n dn o ，2 ，a r ed e v e l o p e db a s e do nt h e o r i g i n a lo n e m o r ef i l t e ru n i t sa n d f r a m e w o r k si nt h e ma r ee m p l o y e d i n l e t p i p e s a n do u t l e to n e sa r es e to nt h es a m es i d eo f t h ef i l t e rs oa s 幻a d o p tan e w p a t t e r n o fe x h a u s tg a sf l o w a na s hp a nw i t ha na r c s h a p e db o t t o mi sa d o p t e dt oh o l d m o r ep a r t i c u l a t em a t t e r s 。p a r t i t i o nb a r sa r eb u i l tt op r e v e n tt h ea s hf r o mb e i n g s t i r r e di nt h ea s hp a n s o m ef l a w se x i s t i n gi nt h es t r u c t u r eo ft h ef o r m e rb a g f i l t e ra r ec o r r e c t e da n dt h u st h ew h o l ew e i g h to fi ti sr e d u c e d n e wm e a n so f f i l t e rm o u n t i n go r et r i e d 2 i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f e t yo ft h eb a gf i l t e r ，c o o l e r sa r en e e d e d f h e r e f o r e ，s o f t w a r e f o rc o o l e rc a l c u l a t i o ni s d e v e l o p e d a n das e r i e so f c o m p u t a t i o n s a r eb a s e do ni t t h or e s u l t s c o m p o s e d o fi n f l u e n c e so ft h e v a r i a t i o n so fs t r u c t u r a lf a c t o r so i lt h e d e s i g np a r a m e t e r s a n dt h e c o o l i n g c a p a b i l i t yo f ac o o l e ra r ea n a l y z e da n dt ob eu s e da sag u i d a n c ef o rl a t e rc o o l e r d e s i g n 3 f i v en e ws c h e m e s ，i 一1 ，i - 2 ，1 i 一1 ，i i 一2 ，i i l t y p ec o o l e r s ，w h o s e h e a tt r a n s f e rt u b e sa r eo f c o r r u g a t e do rb a r eo n e sa r ed e v e l o p e d 。l a n di i t y p ec o o l e r sr u n w i t ht h en o 1b a gf i l t e ra n d1 1 1w i t hn o 2 4 。o n - r o a de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tw i t ht h en e wf i l t e r sa n d 氇en e w c o o l e r sr e s p e c t i v e l yi ns u m m e ra n dw i n t e r a f t e ra ni n v e s t i g a t i o no ft h eb u s r o u t e ，r o u t e7b u so fj i a o z h o uc i t ya n dr o u t e2 1 2a n dr o u t e3 1 7b u s e si n q i n g d a oa r e c h o s e nt ob et h et e s tb u s e s 1 1 1 ec o o l i n g c a p a b i l i t yc o n t r a s tt e s to f i a n di i t y p ec o o l e r so r ed o n eo nr o u t e7b u sa n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h el l t y p ei sa b e t t e ro n e 。t h et e s to nr o u t e2 1 2b u si sd o n eb e t w e e nt w ok i n d so f f i l t e rc l o t h e sw i t ht h es a m em a t e r i a lb u td i f l 。e r e n tt h i c k n e s sa n di ts h o w st h a tt h e t h i c k e rh a saw o r s ed e d u s t i n g p e r f o r m a n c eb u tt h et h i n n e rb e 撼臻t h ed e d u s t i n g c i r c l ei sa l s om e a s u r e di nt h i st e s t i nt h et e s to fr o u t e317i ti sf o a n dt h a tt h e 山东大学硕士学位论文 c o o l i n gc a p a b i l i t yo ft h ec o o l e rw i l l i n f l u e n c et h eb a c kp r e s s u r eo ft h ef i l t e r u n d e rt h ei d l ec o n d i t i o no ft h ee n g i n eb u th a sn oe f f e c t so ni t s f i l t r a t i o n e f f i c i e n c y t h ef s n ( f i l t e rs m o k en u m b e r ) v a l u e sa r e m e a s u r e dd u r i n gt h e c o u r s eo fo n r o a dt e s ta n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c yi su pt o 1 0 0 5 a na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e dt om o n i t o ra tt h er e a lt i m et h e r u n n i n gs t a t u so ft h eb a gf i l t e r f o ri t s s a f e t ya n de a c hm o d u l eo f t h ec i r c u i t s b o a r di s d e s i g n e d s o m er e l a t e de x p e r i m e n t s a r ed e v i s e dt od e t e r m i n et h e s y s t e me r r o r o fc e r t a i nt w ok t h e r m a l c o u p l e sw h i c h w i l la c ta st h et e m p e r a t u r e s e n s o r s t h ec i r c u i tb o a r di s u s e d t o g e t h e r w i t ht h e b a g f i l t e ri ns o m e e x p e r i m e n t s a n di ti sa b l et om e e tt h ee x p e c t e dg o a l s k e yw o r d s ：u r b a nb u s ，d i e s e lp a r t i c u l a t e ，b a g f i l t e r , c o o l e r , a u t o m a t i c c o n t r o l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 盈坚 导师签名：直i 矗盟日期：烂兰：! ：2 第一章绪论 1 1 控制柴油机微粒排放的意义 内燃机和汽车的出现给世界带来了现代文明，但随着其数量的急剧增 多，机动车排放污染给人类的生存环境和身体健康造成了严重的影响。进 入2 1 世纪，世界机动车保有量又进一步增加各国纷纷采取措施对其尾气 排放进行控制，排放控制技术在原有基础上进一步向着有效化、实用化发 展。我国也已制定了一系列排放法规，这些法规正在逐渐加严。 内燃机排气成分可分为无害物质和有害物质两大类 ”。无害物质包括 n 2 、0 2 、c 0 2 及水蒸气等：有害物质主要成分包括c o 、n o x 、未燃烃( c n h m ) 、 醛类( r c h o ) 、多环芳香烃( p a h ) 及碳烟微粒等。若燃料中含有硫， 则排气中还会有二氧化硫( s 0 2 ) 及硫化氢( h 2 s ) 等。 与汽油机相比，柴油机产生的有害气体中h c 、c o 排放量相当低，一 般只有汽油机的几十分之一，n o x 排放量和汽油机处于同一数量级，但柴 油机微粒排放约为汽油机的3 0 8 0 倍2 ，3 1 。柴油机微粒排放物可分为两大部 分：碳微粒和可溶性碳氢有机物( s o f s o l u a b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) 。其中可 溶性碳氢有机物主要来自未燃的燃油和润滑油，这些高分子的碳氢有机物 在冷凝过程中吸附在碳微粒的表面，而成为柴油机微粒排放物的一部分。 在一些大城市内，柴油机颗粒物排放占总微粒物质的5 4 ，而汽油机 颗粒物排放仅占o 8 【4 。医学研究已经证实排气微粒能引起慢性肺炎，并 加重支气管炎。美国环保局( e p a ) 的试验证明，吸附在微粒表面的可溶性 有机物( s o f ) 具有诱变作用，其组分的9 0 以上为致癌物质。绝大多数 排气微粒的粒径在o 0 1 0 1 “m 之间，能长时间悬浮在大气中，很容易通过 呼吸系统进入肺泡中并沉积下来，较小的微粒甚至可以进入血液中，对人 体健康的威胁更大。 1 2 柴油机排气微粒的控制技术及发展现状 1 2 1 降低微粒排放的途径 柴油机排气微粒净化措施主要遵循下面三条途径： ( 1 ) 前处理 山东大学硕士学位论文 对燃油和空气在进入气缸燃烧前预先进行处理，以改变缸内的燃烧反 应过程，从而降低有害排放量。前处理方法主要是改变燃油性质，包括： 在柴油中加入消烟添加剂；降低燃油中的硫含量5 ，“，以降低硫酸盐引起的 微粒增加；降低燃油比重，这将直接影响非直喷式柴油机的微粒排放，微 粒排放量随燃油比重的增加而增加；燃油乳化7 1 ，使油滴变得更细，有利于 扩散燃烧，有效降低微粒排放。 ( 2 ) 机内净化 对燃烧过程本身进行改进，着眼于降低燃烧室碳烟初始粒子的形成， 通过改进发动机结构或增加附加装置达到微粒净化的目的。主要方法有： 燃烧系统优化、进气增压与空气冷却技术、降低机油消耗量等。 ( 3 ) 后处理( 机外净化) 用各种除尘滤清净化装置、催化反应方法对自发动机气缸排出的排气 进行处理【8 , 9 1 ，将柴油机排气引入专门的后处理装置中，消除其中的部分微 粒后再排入大气。机外净化措施中应用最广泛的是微粒的过滤技术，即用 耐高温的过滤材料制成特定结构的过滤体，将排气中的微粒截留在过滤体 内，从而达到净化的目的。 面对愈来愈严格的排放法规，单单依靠前两项措旋来达到一劳永逸是 不可能的，而且前两项技术只改变微粒的质量，难以降低微粒的数量排放。 只能通过后处理技术才可既降低其质量排放又降低数量排放。对于工作在 坑道、库房等通风条件较差的特殊环境下的柴油机，采用后处理系统尤其 重要1 “。 1 2 2 微粒后处理技术 目前的微粒后处理系统主要可以分为两类。一类是催化氧化系统，催 化氧化转换器( o c c o x i d a t i o n c a t a l y t i cc o n v e r t e r ) 可以氧化柴油机排气中 的大部分h c 、c o 及微粒中的可溶有机成分s o f ，但它不能氧化固态的碳 颗粒。另一类是微粒过滤器d p f ( d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ) ，它可以收集固 态碳颗粒，使微粒排放降低7 0 9 5 。 o c c 可将柴油机排放的h c 和c o 降低7 0 8 0 ，使微粒中的s o f 降低8 0 左右，所以使得微粒总排放量相应地降低3 0 左右。由于o c c 不 收集固态的碳颗粒，所以它就不需要技术复杂、成本较高的再生系统，当 然，它的效率也远低于捕集氧化系统。 其缺点在于它可能导致硫酸盐排放的增加。因为贵金属催化剂有将s 0 2 转化成硫酸盐微粒的倾向，这就要求降低燃油中硫含量。否则，硫酸盐的 增加有可能平衡可溶有机物( s o f ) 的减少。目前，美国、欧洲、日本都已 决定使用低硫含量的燃油，这使o c c 的使用成为一种可能。 o c c 进口温度对其性能影响很大。进口温度过低会使s o f 的氧化效率 很低，进口温度过高( 4 0 0 5 0 0 ) 会使s 0 2 氧化成硫酸盐的倾向大大增 加。因此，优化o c c 的设计和对催化器进口温度的控制就显得尤为重要。 由于润滑油中的金属添加剂会生成无机盐，沉积在催化剂表面从而使催化 剂老化。另外，硫酸盐也可能沉积在催化剂载体表面而使催化剂性能迅速 恶化。因此，研究如何延长o c c 的寿命也是个有待解决的重要课题。目 前，o c c 在欧洲已得到较为广泛的应用。 d p f 是指一个安装在排气管上的有定耐久性的微粒捕集器，并通过 燃烧( 氧化) 或其他方法来清洁过滤器的系统。近年来的研究已成功开发 出了多种过滤器。这些过滤器大多能够以较高的效率捕集微粒( 9 0 以上) 。 但目前所面临的主要问题却不是如何高效收集排气中的微粒，而是如何有 效地清除沉积在过滤器内的微粒，因为随着过滤器内微粒沉积量的增加， 发动机排气背压也会很快升高。而当排气背压升高到1 6 k p a 2 0 k p a 时，发 动机性能开始严重恶化。所以必须定期或连续清除沉积在过滤器内的微粒， 这就是所谓的过滤器的再生。 1 2 3 再生技术 d p f 在正常使用时，其排气阻力会因微粒在过滤器中的沉积而增加， 为保证发动机性能损失不致过大，必须定期清除微粒，限制其最高阻力呲】。 微粒的清除即为过滤器的再生。再生技术是微粒排放控制技术中最重要的 内容，也是最难解决的问题，它是微粒过滤技术能否实用化的关键 13 1 。一 个好的实用化再生技术应满足以下条件：a 再生系统必须能够在各种条件 下难常工作；b 再生系统应对柴油机工作特性及燃油经济性具有较小的影 响；c 过滤器再生系统不应对环境产生二次污染；d 再生系统应具有良好 的可靠性和耐久性，唰久性在8 万k m 以上：e 再生系统应便于操作；f t 它 的寿命和价格应能够被用户所接受，初期成本应在5 0 0 美元以下【1 。 山东大学硕士学位论文 近十几年来，国内外d p f 再生技术进行了大量的研究工作，提出了很 多再生技术，有的再生技术已进入实车阶段。但是由于再生过程复杂，涉 及因素众多，还没有一种再生技术能够完全满足实用化的要求。目前研究 和使用的再生方法主要可分为两类：一是利用柴油机自身能量进行再生， 二是借助外界能量进行再生。 概括起来，再生方法主要有以下几种： a 燃油燃烧再生f 2 t 1 3 , 1 5 1 柴油机在怠速工况时的排气温度大约是1 2 0 1 5 0 ，在低速、低负荷工 况时排气温度也较低。轻型柴油车大部分工况下排气温度在2 0 0 3 0 0 。c ，只 靠进气节流等措施仍不能达到颗粒着火温度，此时提高排气温度较可靠的 方法是：在过滤器入口前设置一燃烧火花塞或电热塞点燃燃油，产生高温 燃气，点燃过滤器中的微粒。一般经过1 2 分钟，即可完成再生过程。如 点火失败，将使燃料沉积在过滤体上，引起二次沉积和污染。燃烧不完全 会在再生时排气冒烟，也会导致二次污染。喷油助燃由于可靠性、安全性 相对较差，逐渐被其它方法取代。 b 电加热再生2 ，1 6 , 1 7 】 电加热再生是指d p f 每工作一段时间后，采用电热丝或其它电加热方 法对d p f 加热，以促使微粒燃烧。实际使用时需要一套复杂的控制系统， 需要消耗大量的能量，因而成本较高。这种再生技术对电功率要求比较高， 一般需要1 5 3 k w ，为有效利用电能，一般都采用排气旁通装置。因此这 种再生技术系统可控性好，并且在柴油机任何工况下都能对过滤体进行再 生。与燃烧器再生相似，电加热再生也主要是通过火焰的传播进行微粒燃 烧的，因此其再生窗口也较小，为了克服这一缺陷，扩大安全再生范围， 近年来提出了一种逆向再生技术。 逆向再生中，是将电加热器安装在蜂窝陶瓷过滤体的出口侧。由于蜂窝 陶瓷出口侧沉积的微粒比进口侧的多，因此逆向再生更容易点燃沉积的微 粒，更适合火焰的传播。与传统再生方式相比，逆向再生有利于将微粒燃 烧温度控制在较低水平、扩大再生窗口、缩短所需的再生时间。 c 微波加热再生7 ，盼2 1 微波加热再生即利用微波作为外部能源的再生技术。它利用微波所独 具的选择加热及体积加热特性，在过滤体内部形成空间分布的热源，对过 4 滤体上沉积的微粒进行加热，使碳烟微粒就地吸热、着火、燃烧。试验表 明，再生过程中，过滤体内部温度梯度小，因而减少了热应力引起的过滤 体损坏的可能，并且再生窗口宽，再生过程易于控制。 微波再生效率高，没有二次污染，是目前人们研究较多的一种再生技 术。缺点是装置成本偏高，所用电负荷大。 d 逆向喷吹再生 逆向喷吹再生也叫反吹式再生。在该系统中，过滤器的后方装有压缩 空气喷射器。再生时，0 6 0 8 m p a 的高压空气脉动地吹向陶瓷载体，被吹 掉的微粒聚集到陶瓷载体以外的地方( 膨胀室) ，由电热装置引燃而氧化烧 掉或由一真空容器将其除去1 15 1 。它不会引起再生高温对陶瓷载体的烧损， 同时也解决了不燃物质在过滤器内的累积的问题。该再生方法可以说是再 生技术的一大变革，但它也存在着许多未解决的问题。为提高再生效果， 整个系统要求严格密封。高压空气的速度、气流分布等也是决定再生效果 好坏的关键。高压空气的消耗是一个大问题。用于逆向喷吹净化的高压空 气同时用于空气制动系统。在柴油机低速运转条件下，空气的供给难以同 时满足制动及逆向喷吹净化两种要求。 e 红外加热再生【2 2 】 碳一直被认为是最好的灰体，表面粗糙的碳具有更好的发射率，十分 适合进行辐射放热。陶瓷材料对红外波长也有良好的吸收率。考虑到柴油 机微粒的起燃温度在5 6 0 。c 以上田 ，正常燃烧温度在8 0 0 。c 9 0 0 。c 之间，红 外加热器的辐射温度应在6 0 0 。c 1 0 0 0 。c 。该法作为一种新的再生方法，兼 有电加热结构简单和加热高效能的优点，同时可有效控制再生过程，降低 峰值温度梯度，延长陶瓷的使用寿命。但其加热效率有待提高，能耗有待 降低。 f 机械振动再生 利用机械力对过滤系统进行再生，该方法要求过滤体能承受较大变形。 文献 2 4 2 8 对此法进行了详细说明。 g 节流再生( 强制再生) 节流再生是通过某种节流方法控制柴油机进气或排气，以提高排气温 度，使过滤体中的碳粒着火燃烧，目前研究比较多的是排气节流技术。节 流程度取决于所需达到的最高燃烧温度、不过度地影响柴油机的动力性以 山东大学硕士学位论文 及微粒排放。节流技术拓宽了过滤体利用排气进行再生的工况范围，再生 时机也可以进行控制。但是由于泵功的增加以及容积效率的降低，使得柴 油机在再生过程中动力性、经济性有很大程度的下降。并且使得气缸盖、 活塞、气门等部件的热负荷增加，对柴油机的寿命造成了不利的影响。 为克服一般节流再生技术所存在的不足，人们又相继提出了稳态节流 再生技术以及旁通节流再生技术。可参考文献【1 3 】等。 h 大负荷再生 柴油机排气温度是随其工况变化的。在高速大负荷时，排气温度可达 到4 0 0 5 0 0 ，在此温度下，沉积在过滤器内的微粒可自行燃烧，从而达到 过滤体再生的目的。试验表明，对某种形式的过滤体，当柴油机在大负荷 ( p i = o 8 4 m p a ) 下工作时，排气温度可达到4 5 0 左右，此时排气背压开始 下降并保持在一个稳定值上，说明过滤体己部分再生，这种方法不用附加 任何辅助系统，因此比较简单。 然而汽车柴油机在使用中很少在这样的工况下工作，尤其是市内运行 的汽车，基本上是低速运行，其柴油机的平均排气温度更低。即使在高速 大负荷下过滤体能够依靠排气的高温自行再生，由于排气流速高，气流能 量有限，再生也难以彻底，因此大负荷再生技术对某些应用场合，尤其是 车用是不适合的1 3 】。 j 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，只要排气达 到一定的温度就可以使过滤体利用排气的热量进行再生。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。十 几年来，已在这一研究领域进行了大量的工作。 催化再生技术的研究重点在于寻找有效地促进微粒在尽可能低的温度 下氧化的催化剂，这种催化剂应同时兼顾对其它有害气体排放物的转化。 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碳烟微粒着火温度和转化有害气体均有很大作用“。 一些催化剂可以降低微粒起始着火温度2 0 0 3 0 0 ，效果是相当明显的。 文献【3 0 】中利用铜添加剂已能使捕集系统再生温度降低到5 0 0 。c 3 7 5 4 c 左右。但这一温度对车用微粒过滤器的再生还显过高。通过对日本东京市 6 区的汽车运行的测试统计分析得知，排气温度超过4 0 0 的运行时间只占 1 5 以下，而这一温度的持续时间只从几s 到l m i n 左右。因此如果没有其 它的辅助热量供给，仅靠催化再生很难得到满意的结果。 1 2 4 中国微粒排放控制技术的现状与进展 我国对柴油机微粒排放控制起步较晚，标准也较松散。1 9 9 9 年正式颁 布的g b l 4 7 6 1 9 9 汽车排放污染物限值及测试方法于2 0 0 0 年1 月1 日 正式实施。g b l 7 6 9 1 9 9 压燃式发动机和装有压燃式发动机的车辆排气污 染物限值及测试方法于2 0 0 1 年1 月1 日正式实施3 ”。由于我国强前城市 道路和车流密度与欧洲当时情况相近，因此上述标准等效采用联合国欧洲 经济委员会( e c e ) r 4 9 关于压燃式发动机及装备压燃式发动机的汽车污 染物排放认证的统一条款法规( 1 9 9 3 年1 2 月1 同颁布) 的全部技术内容。 中国国内率先实施欧洲排放控制标准和法规的城市是北京。为改善空气 质量，自1 9 9 9 年，北京市政府出台了分八个阶段治理大气污染的通告，在 每个阶段，控制车辆的排放污染都是重点内容。为实现“绿色奥运”的承 诺，北京市计划在2 0 0 2 年年底前后开始实旋欧i i 标准，并于2 0 0 5 年左右 实施欧i i i 标准。如果车辆达到了欧i i i 标准，与欧i i 标准相比，碳氢化合物 和氮氧化物排将会减少3 7 ，颗粒物排放将减少5 0 ，基本上能够消除可 见颗粒物的排放。 我国与世界发达国家柴油汽车微粒排放控制水平存在较大的差距，柴 油汽车微粒排放控制技术整体水平还比较低。满足e u r o0 标准的柴油机刚 被广泛使用。相应的净化技术措旋基本限于对燃油系统和进气系统的改进。 柴油机电喷、催化转化器、过滤器等较为先进的控制排放技术还处于研究 j t ：发和使用阶段。 虽然我国新开发的柴油机产品对排放、烟度和噪声等环保指标都提出了 更为严格的要求，但排气中h c 和n o x 的含量比国外约高几倍乃至十倍， 外特性工况最大烟度比国外高2 f s n 左右，噪声比国外大2 5 d b ( a ) ，由柴 油车造成可吸入颗粒物的分担率占5 0 。 因此，要在短时间内有效地控制排放物，以满足法规的要求，采用机外 净化方式大有必要。 1 3 论文课题的提出及主要工作 山东大学硕士学位论文 柴油机因油耗低、可靠性好和二氧化碳、一氧化碳及碳氢化合物排放 低等优点而继续得到广泛应用。其不仅在大吨位汽车上应用，一些国家如 日本，德国，中吨位车已全部柴油化，轻型载货车也大部分柴油机化，轿 车也少量采用了柴油机。目前欧洲柴油机的需求量以每年2 3 的速度增长， 其中德国增长速度为3 0 【3 2 1 。在亚洲，韩国柴油机车每年行驶的里程占车 辆行驶里程的4 5 。我国柴油机车的保有量约占汽车保有量的1 0 。但由 于柴油机微粒排放水平高，对大气污染较明显，不注意保养，超载严重是 我国汽车尾气普遍超标的重要原因。我们将面临日益严重的环保和生态问 题 3 3 】。 国外较成熟的控制柴油车尾气微粒排放的技术目前看来还并不适合于 我国现状。因此，探索控制柴油微粒的后处理技术，是极具现实意义的。 本文所做的工作正是为了研制适合中国国情的微粒后处理装置车用柴 油机尾气微粒过滤器而做的努力。 主要工作有： ( 1 ) 改进袋滤器的旧设计，研制了1 ”、2 ”两种新型的袋滤器并对其进 行了夏季及冬季的道路试验，对试验结果进行了讨论。 ( 2 ) 进行了冷却器的设计计算，开发了用于冷却器设计的小型软件， 用该软件进行了相关计算，并对计算结果进行了分析。 ( 3 ) 重新设计出i 、i i 、i i i 型冷却器，对其进行了夏冬两季的道路试 验，对试验所得数据进行了整理分析。 ( 4 ) 开发了自动控制系统用于对整套装置的工作状况进行监控，同时 实现了再生自动控制。 第二章袋滤器的设计及试验研究 从袋滤技术应用于柴油车的尾气微粒排放控制至今已有1 0 多年，这期 间，作为其主要研究成果的袋滤器设计技术也积累了一定经验。本章在以 往的袋滤器结构设计及道路试验的基础上，对原有设计进行了改进，提出 了更合理的新结构设计方案，并得到了试验检验。另外，为一种大型柴油 公交车设计了新的卧式袋滤器，并进行了相关试验。袋滤器用于实际的柴 油车尾气微粒排放控制是一个渐进的过程，首先将所设计的袋滤器应用于 市内柴油公交车，待取得足够经验并待技术完善后，再进一步向其它柴油 车辆推广。 本章讨论的是袋滤器的设计与试验研究工作。 2 1 过滤系统概述 一个较为完整的过滤系统至少应该有两大部分组成：袋滤器及自动控 制系统。其中袋滤器应是系统的主体，由其负责柴油车尾气微粒的捕集过 滤：自控系统为辅助，由其监控系统各部分的工作状态，并能根据不同情 况采取相应措旋。为了袋滤器工作上的安全考虑，在袋滤器前加装了冷却 器，这样，整个袋滤系统基本组成应该如图2 1 所示，共可分为三大组成部 分：冷却器、袋滤器及自动控制系统。 大 气 大 气 图2 1 过滤系统总体组成示意图 袋滤器作为过滤系统的核心部分，其设计的优劣直接关系到整个系统 的质量性能。所设计的柴油车用尾气微粒过滤器目前的使用对象是日常运 营的公交车辆，因此，其结构尺寸必然要受到实际车型的安装空间的限制， 同时还要兼顾到车辆例保、工人维修的方便。另外，在这些原有车辆上额 外增加的过滤系统，会略微增加车辆的运行负担，增加某种程度的不安全 因素，这在设计与安装时应予以重视。 9 山东大学硕士学位论文 综合起来，袋滤器的设计技术需从以下几个方面入手：总体尺寸相对 紧凑、重量较轻、易安装拆卸、清灰方式简便有效、捕集效率高、可靠性 好等等。 2 2 袋滤器技术既有工作总结 袋滤器的关键技术在于滤料性能以及再生方式的选择。以此为前提， 再进行后续的结构设计，以便更有利地发挥滤料的过滤功能且有效控制清 灰，同时，过滤材料及清灰方式的选择也同时决定了清灰周期与使用寿命。 2 2 1 过滤材料的选择 袋滤器捕集排气微粒依靠其滤袋单元来完成，滤袋单元的支撑骨架表 面覆盖一层滤料，在排气经过时其中的微粒被捕捉。因此，滤料的质量将 直接影响到过滤器的过滤性能。由于它长期工作在较为恶劣的发动机排气 环境中，因此对这种过滤材料的要求是相当高的。 柴油发动机排气的特点可概括如下： a 温度高，在大多数时间里，其排温高于2 0 0 ； b 排气中含有水汽、c 0 2 、n 0 2 、s 0 2 等气体，呈酸性； c ，排气微粒粒径小，约为0 0 1 1 o um ； d 微粒粘附性较强； 文献【】2 】中对编织类和非编织类两种滤布的性能进行了对比，选择出了 适用于柴油机排气微粒过滤的针刺毡作为袋滤器的滤料。试验结果证明， 使用该滤料后以波许烟度计量的过滤效率在中、大负荷下均高于9 0 。 文献 3 4 】在过滤材料方面作了新的尝试。分别采用了玻璃纤维和 n o m e x 耐高温材料进行了对比试验。结果发现，玻璃纤维制成的滤袋变 形较大，表面易老化磨损，滤袋表面附着的积灰不易脱落；而n o m e x 滤 布孔径较小，具有良好的透气性，且韧性好，不易磨损老化，滤布表面的 灰层易于结成片状、块状，清灰效果好。 因此，在本文的所有试验中，均采用此种材料的滤料。 2 2 2 过滤速度、阻力特性、过滤效率及清灰周期之间的关系 文献 1 2 的研究表明，过滤速度与发动机排量和滤袋有效面积有关。对 于洁净滤袋，滤速较高时，初期的过滤效率较低，但当滤袋微粒初层形成 以后，则与采用较低滤速的过滤效率趋向一致。 袋滤器的阻力与其结构形式、滤料特性、过滤速度、微粒浓度、清灰 方式、气体温度等有关。在袋滤器滤速和微粒浓度一定时，阻力随时间线 性增大，滤速较大时阻力增加较快。相同滤速下，若微粒浓度成倍增加， 则阻力增长率也基本成倍增加。另可参考文献 3 5 1 q u 关于捕集效率与微粒粒 径大小的关系。 研究还发现，柴油机工况一定时，阻力与时间有很好的线性关系。烟 度越大，阻力增长率越大。 2 2 3 清灰方式的选择 经过文献 1 2 1 和 3 4 1 的试验，确定了振动式清灰的再生方式。该清灰方 式最为有效可靠，并可用低成本实现清灰自动化。 2 2 4 过滤器对汽车性能的影响 专门的柴油机台架试验表明，当柴油机排气背压超过2 0 2 5 k p a 时，柴 油机的性能明显恶化3 6 1 。文献 1 2 1 的研究证明，在柴油机背压不超过 2 0 2 5 k p a 时，袋滤器对试验所用的柴油机性能影响不大于2 。其道路试验 证明，燃油耗变化不大于1 。 依此推断，袋滤技术用于公交车上时，只要确定一个合适的清灰限值， 则袋滤器对公交车的经济性、动力性影响并不大。 2 2 5 袋滤器原结构设计方案 图2 2 所示为文献 3 4 中设计的用于柴油中巴车上的袋滤器结构图，主 体尺寸5 4 2 m m 5 0 5 m m 4 2 4 m m ，装配尺寸8 6 3 m m 5 0 5 m m 4 2 4 m m 。采 用5 个过滤单元，其支撑框架如图2 3 所示，尺寸分别为：4 0 6 m m 6 0 m m 2 7 0 m m ，4 0 6 m m 6 0 m m 2 7 8 m m ，4 0 6 m m 6 0 m m 2 8 4 m m 。4 0 6 m m x 6 0 m m 2 9 5 m m ，4 0 6 m m 6 0 m m 2 9 6 m m ，仅高度有所区别。单) i l 间距 2 8 m m ，滤布厚度1 8 m m ，总过滤面积约1 2 m 2 。进气管长度2 0 0 m m ，排气 管水平外伸长度2 0 0 m m 。积灰仓位于整个装置底部，仓底为平滑斜坡，斜 坡最低部为积扶清理通道，两侧开1 ：3 为出灰1 2 1 。采用振动式清灰方式，由 袋滤器上箱体内封装的联动摆臂机构完成。过滤单元支撑架采用空心钢管， 单元顶面通过螺钉固定于孔板。 联 进 图2 2 原袋滤器结构图 图2 3 五单元过滤器单元支撑架 2 3 袋滤器的设计改进及道路试验 排气管 2 3 1 对原有结构设计的改进 上面一节所述的袋滤器应用于青岛公交集团胶州巴士公司的h f c 6 7 0 0 系列客车。经过初步道路试验，对结果进行分析并重新对袋滤器在车底盘 的安装情况测量考察之后，对原有设计作了如下改进，改进后的袋滤器结 构如图2 4 所示，为叙述方便，称该袋滤器为1 ”袋滤器。 1 装配尺寸改为7 6 0 m m 5 0 6 r a m x 4 2 0 r a m ，在保证离地间隙及袋滤器 顶部间隙的情况下，保持原宽度及高度值基本未变。长度方向缩短1 0 3 m m ， 以更好地满足袋滤器安装及工人维修作业的空间要求。 ujl - _u _ _ u吲割u 出灰口进气管过滤单元及支架下箱体隔栅漏水u 扶仓联动摆臂机构l 箱体及盏板排气管 图2 , 4l ”袋滤器( 七单元立式) 结构图 2 过滤单元支撑架尺寸改为4 0 6 m mx5 0 r a mx 2 5 0 r a m ，保持长度不变， 宽度与高度减小，数量由五个改为尺寸相同的七个，便于加工。过滤单元 支架如图2 5 所示。过滤单元间距3 0 m m ，总过滤面积约为1 7 m 2 ，过滤面 积进一步加大。支架两侧受力方向增加两条支撑横肋，防止在过滤器工作 时滤袋两侧因受压贴在起，使有效过滤面积减小，排气背压升高。 f 1 二= 千= = = = f = 习= # 耳= = 干二二f = i 二 七军三声；三罩丰霉三芦j 三军二卜 图2 51 ”袋滤器过滤单元支架 3 ，上箱体高度改为由5 6 r a m 改为4 2 m m ，厚度改为l m m 。下箱体高度 由3 6 0 m m 改为3 7 0 r a m ，厚度同样也改为1 i n r n 。 一 山东大学硕士学位论文 4 进气管长度由2 0 0 m m 改为5 5 m m ，排气管与进气管安排在同侧，并 且其水平外伸长度由原来的2 0 0 m m 改为1 4 0 a m 。 5 灰仓底面改为弧形，以增加容灰量。从隔栅下缘至灰仓底面计算， 灰仓容积为1 5 2 l 。 6 灰仓底部设置漏水口，排出发动机排气中冷凝的水分，减轻对袋滤 器的腐蚀。 7 孔板、上下箱体的联结螺栓间距进一步增大，在保证安全性的前提 下减轻了重量。 8 设置隔栅，防止排气在袋滤器内部流动时将灰仓的积狄再次卷起， 粘附于滤袋，影响排气背压。 9 清灰通道纵向设置与车梁方向平行，这种布置方式有利于进行清灰 操作。在袋滤器侧面设置一空气反吹清灰出口，这样在有高压气泵的车上， 可以利用空气反吹法将灰仓内的积灰排出。 1 0 进一步简化联动摆臂机构中的振动杆底端与过滤单元支撑架的连 接与振动杆的定位，在保证可靠性的前提下，使得振动杆更加活动自如， 加工方便。 1 1 减小联动摆臂机构的联接板与孔板的距离，这样也就减小了振动杆 工作时的不平衡扭矩，同时减少了对安装空间的要求。 2 3 2 道路试验 在青岛公交集l 圃胶州巴士公司的h 】c 6 7 0 0 系列的7 路车上对该袋滤器 新方案进行了道路试验。为获得更多使用数据，又进一步在青岛市区的2 1 2 路中巴车上进行了夏季与冬季试验。 2 _ 3 2 1 胶州7 路车夏季试验 将新设计的袋滤器安装于c y 4 1 0 2 b q 型发动机扬子牌轻型公交车进行 道路实验，以观察该袋滤器是否能达到实用要求。 表2 1 j 行示为胶州7 路公交车的发动机有关参数。 试验所用7 路车为中型巴士，往返行程2 7 公里，往返共6 4 个停车站 点，车由西部发车点向东行驶，至东部终点后返回。东部地势较低，自东 向西行驶时上坡路段较多。市区道路除上下坡外，基本平整，少数路段路 况较差，车速减慢，车辆颠簸。本次试验1 4 袋滤器共运行2 4 个循环。 1 4 表2 1 柴油发动机技术规格 型号 c y 4 10 2 b q 型式直列四冲程水冷直接喷射式 缸数 4 缸径( m m ) 行程( m m ) 1 0 2 1 1 8 排量( l ) 3 8 5 6 压缩比1 7 5 ：1 最大功率( k w h p m ) 7 0 6 3 2 0 0 新设计的袋滤器性能以曲线形式示出。在此次夏季路试中，7 路车所用 1 ”袋滤器分别与i 型，i i 型冷却器配合使用。所作1 8 袋滤器的工作特性相 关曲线，忽略掉了不同冷却器对袋滤器阻力特性的不同影响，这样有利于 数据的集中说明，这是一点需要说明的地方。 图2 6 所示为1 8 袋滤器的怠速阻力特性。在每一循环中，怠速排气阻力 最高值是随时间增长的。 9 8 蓬7 幽6 扭5 蜊4 锄3 2 1 0 ，1 清灰前最高怠速背压 清灰后怠速背压 _ 一 ilnl 一