柴油機(jī)微粒威爾克森WILKERSON過濾器的研究
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人體健康危害更大,而未來的法規(guī)很可能會對柴油機(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zui有效措施之一。

柴油機(jī)微粒威爾克森WILKERSON過濾器的研究
基于此點(diǎn),圍繞柴油機(jī)微粒WILKERSON過濾器進(jìn)行了如下研究:柴油機(jī)微粒過濾器對柴油機(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)工況對微粒組分特性的影響,以及微粒中可溶有機(jī)組分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,不可溶有機(jī)成分的百分含量在逐漸增加。SOF的含量從低負(fù)荷時的15%到高負(fù)荷時的45%左右,其對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別工況個別組分的相對含量達(dá)到近40%;袋濾器對多環(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。柴油機(jī)排氣微粒燃燒特性的分析研究。對采集的柴油機(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℃/min,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。氧氣濃度較低的時候,燃燒需要較高的溫度;反應(yīng)溫度較低的時候,需要較高的氧氣含量。綜合起來看,在氧濃度較低時,隨著氧氣濃度增大,燃燒性能呈現(xiàn)良好的趨勢。但同時也表現(xiàn)出,氧氣濃度為20%、30%時的情況比較接近,與氧氣濃度為10%時的差距比較明顯。說明提高空氣中氧氣濃度對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再生時對微粒活化能的要求。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,微粒過濾器內(nèi)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)動機(jī)在特定工況下的插入損失,并和試驗(yàn)測量的數(shù)值進(jìn)行了對比分析,驗(yàn)證了理論分析的正確性。建立了微粒過濾器氣體流動的三維數(shù)值模型。以κ-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)的排氣流動特性,并用FLUENT軟件進(jìn)行求解。zui后將數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比,驗(yàn)證了所建模型的正確性。

柴油機(jī)微粒威爾克森WILKERSON過濾器的研究
計(jì)算結(jié)果表明:在袋濾器內(nèi)部,壓力是層層遞減的,而在過濾單元處突然降低,說明過濾單元是產(chǎn)生壓力損失的主要原因。另外,入口壁面附近也是產(chǎn)生壓力損失比較集中的一個位置。袋濾器結(jié)構(gòu)參數(shù)會影響整個袋濾器的壓力損失。設(shè)計(jì)了適用于固定式柴油機(jī)以及公交車等對場地要求不嚴(yán)的設(shè)備,利用袋濾器技術(shù)來控制微粒排放的固定式卸灰系統(tǒng),解決了再生難的問題。