柴油机微粒过滤系统的研究

摘要

为满足日益苛刻的排放法规，仅凭机内净化措施来减少柴油机的微粒排放是极其困难的。另外，尽管机内净化技术使微粒物的质量排放总量得以削减，但微粒的个数却没有减少，而且生成了粒径更小的排放物。越来越多的研究表明，柴油车排放的小微粒对人体健康危害更大，而未来的法规很可能会对柴油机微粒物排放的数量进行限制。因此越来越多的国家关注机动车的小微粒排放，而微粒过滤器是未来解决小微粒排放问题的最有效措施之一。基于此点，本文围绕柴油机微粒过滤系统进行了如下研究： 1．柴油机微粒过滤器对柴油机微粒组分特性影响的研究。运用自行设计、制作的柴油机微粒取样器，对未安装过滤器、安装袋滤器、安装陶瓷过滤器三种情况下的柴油机排气微粒进行采集，分析柴油机工况对微粒组分特性的影响，以及微粒中可溶有机组分（SOF-Soluable Organic Fraction）中烷烃和芳香烃等成分的排放特性等。研究结果表明：在相同转速下微粒排放量随负荷的增加而增大。随着负荷的增加，微粒中SOF的百分含量在逐渐减少，不可溶有机成分（IOF-Insoluble Organic Fraction）的百分含量在逐渐增加。SOF的含量从低负荷时的15％到高负荷时的45％左右，其对微粒特性的影响不能忽略。微粒中可溶性有机物SOF中正烷烃的总含量占到了70％～80％；支链烷烃的总含量在2％～22％之间；多环芳香烃的总含量在1％～13％之间。柴油机在不同运行工况下，其排出SOF碳原子数分布稍有不同。另外，袋滤器过滤后微粒中SOF的百分含量比陶瓷过滤器过滤后的略低；袋滤器过滤后微粒SOF中各组分百分含量均在20％以下，各组分过滤比较均匀；陶瓷过滤器过滤后个别工况个别组分的相对含量达到近40％；袋滤器对多环芳香烃的过滤效率要高于陶瓷过滤器。综合来看，袋滤器是一种过滤效果较好的后处理装置。 2．柴油机排气微粒燃烧特性的分析研究。对采集的柴油机排气微粒，利用热重分析技术，研究了微粒在氧气浓度分别为10％、20％、30％，升温速率分别为10℃/min、20℃/min、30℃/min、40℃/min，微粒质量分别为>5mg、3．5mg～3mg、<1．5mg的燃烧性能。结果表明：微粒的燃烧明显分为挥发份析出（低温段）和固定碳（高温段）的燃烧两个阶段。低温段的失重占总失重的20％左右；高温段的失重占总失重的70％左右，说明微粒燃烧过程主要是固定碳的燃烧。氧气浓度较低的时候，燃烧需要较高的温度；反应温度较低的时候，需要较高的氧气含量。综合起来看，在氧浓度较低时，随着氧气浓度增大，燃烧性能呈现良好的趋势。但同时也表现出，氧气浓度为20％、30％时的情况比较接近，与氧气浓度为10％时的差距比较明显。说明提高空气中氧气浓度对微粒燃烧性能影响不大。另外研究还发现，当氧气浓度在20％、30％时的反应平均活化能为60kJ/mol左右。目前采用燃油添加剂可以使微粒的活化能降低到这个数值，也就是说如果用空气或含氧量更高的气体来做燃烧反应气氛的话，可以满足过滤器被动再生时对微粒活化能的要求。 3．根据理想流体质点的声传播控制方程，建立了考虑流速、热传导和粘性时，微粒过滤器内的声传播控制方程。以此为基础，利用达西定律求解微粒过滤器相邻单元孔壁的压降，进而建立了微粒过滤器的传播常数和传递矩阵的计算模型。以此模型计算了发动机在特定工况下的插入损失，并和试验测量的数值进行了对比分析，验证了理论分析的正确性。 4．建立了微粒过滤器气体流动的三维数值模型。以k-ε紊流模型理论为基础，把过滤单元作为多孔介质，模拟了袋滤器内的排气流动特性，并用FLUENT软件进行求解。最后将数值计算值与试验值进行对比，验证了所建模型的正确性。计算结果表明：在袋滤器内部，压力是层层递减的，而在过滤单元处突然降低，说明过滤单元是产生压力损失的主要原因。另外，入口壁面附近也是产生压力损失比较集中的一个位置。袋滤器结构参数会影响整个袋滤器的压力损失。 5．设计了适用于固定式柴油机以及公交车等对场地要求不严的设备，利用袋滤器技术来控制微粒排放的固定式卸灰系统，解决了再生难的问题。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1柴油机微粒排放及危害

1.1.2柴油机微粒排放控制标准

1.2柴油机微粒排放控制技术的研究现状

1.2.1柴油机微粒排放机内控制技术

1.2.2柴油机微粒排放机外控制技术

1.3目前研究中存在的问题与本文的主要工作

第二章柴油机微粒过滤器过滤前后微粒成分的测定及分析

2.1概述

2.2试验装置和试验仪器

2.2.1试验装置

2.2.2试验仪器

2.3试验内容

2.3.1取样器的制作及排气流量(流速)的测量

2.3.2排气微粒的采集

2.3.3微粒中可溶性有机成分SOF与不可溶成分IOF的定量确定

2.3.4微粒中可溶性有机成分SOF的分离与测定

2.4试验结果及分析

2.4.1微粒排放量与功率的关系

2.4.2排气微粒中SOF与IOF所占比例

2.4.3空白滤纸和试剂的分析

2.4.4 5种工况下过滤前后微粒的总离子流色谱图及检出物分析

2.4.5 5种工况下微粒中SOF各检测物的色谱峰面积直方分布图

2.4.6过滤前后微粒SOF中有机成分分类比较

2.4.7 SOF中烷烃碳原子数分布

2.5本章小结

第三章柴油机排气微粒的燃烧特性分析

3.1概述

3.2热分析方法

3.2.1热重法和微商热重法及其特点

3.2.2动态法热重动力学的局限性

3.2.3热重法研究反应动力学的误差来源

3.3柴油机微粒的燃烧特性及动力学分析

3.3.1主要仪器与方法

3.3.2实验内容

3.3.3微粒的燃烧特性分析

3.3.4微粒的燃烧动力学分析

3.4本章小结

第四章柴油机微粒过滤器声学特性研究

4.1概述

4.2理想流体质点的声传播

4.3微粒过滤器中的声传播

4.3.1考虑热粘性效应时微粒过滤器中的声传播

4.3.2微粒过滤器的传递矩阵

4.4微粒过滤器的插入损失

4.4.1微粒过滤器插入损失的测量

4.4.2试验值与计算值的对比

4.5本章小结

第五章微粒袋滤器内气体流动的数值模拟

5.1概述

5.2数值模拟的基本方法和紊流模型

5.3数值模拟计算软件FLUENT程序介绍

5.3.1FLUENT程序简介

5.3.2 FLUENT程序的功能及使用

5.4多孔介质

5.4.1多孔介质理论概述

5.4.2多孔跳跃边界条件

5.5柴油机微粒袋滤系统内部流动特性的数值模拟

5.5.1基本假设以及模型简化

5.5.2数值模拟的控制方程

5.5.3计算区域和网格的设定

5.5.4边界条件及初始条件的设定

5.5.5收敛的判断

5.6计算结果

5.6.1压力场

5.6.2排气流速和结构参数对袋滤器的影响

5.7试验及模型验证

5.7.1试验装置及方法

5.7.2试验结果及模型验证

5.8本章小结

第六章柴油机微粒袋滤器固定式卸灰系统的试验研究

6.1概述

6.2试验装置

6.2.1试验用客车

6.2.2固定式卸灰系统

6.3试验结果及分析

6.3.1卸灰系统试验结果分析

6.3.2公交客车排气微粒的质量估算

6.3.3对排气噪声的影响

6.4本章小结

第七章 全文总结及展望

7.1全文总结

7.2主要创新点

7.3工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表或已被录用的学术论文

ENGLISH DISSERTATION

Paper Ⅰ：Analysis of Soluble Organic Fraction Before and After Filtration in Diesel Exhaust Particulate

Paper Ⅱ：Analysis of Cornbustion Characteristic of Diesel Exhaust Particulate with Different Gas