设为首页加入收藏
全站搜索
新闻详情
 
新闻搜索
 
 
栏目导航
 
 
当前位置
柴油机排气微粒壁流式陶瓷过滤体过滤机理及影响因素
作者:管理员    发布于:2015-12-24 15:51:26    文字:【】【】【

  柴油机排气微粒壁流式陶瓷过滤体过滤机理及影响因素宁智1,宋波资新运2,刘建华1(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044;军事交通学院,天津300161)的3种过滤机理:惯性碰撞机理、拦截机理和扩散机理,以及微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速、气流温度等因素对3种微粒过滤捕集机理下的壁流式过滤体的微粒捕集系数及综合微粒捕集系数的影响及规律,在此基础上分析了提高壁流式过滤体微粒捕集系数的技术途径。研究结果可以为柴油机排气微粒壁流式陶瓷过滤体微粒捕集效率的定性与定量研究以及过滤体的结构优化设计提供依据。

  20世纪70年代以来,人们对柴油机排气微粒后处理技术进行了广泛而深入的研究。微粒的后处理技术主要有微粒的过滤捕集技术、静电捕捉技术以及离心分离技术等。在众多的柴油机微粒后处理技术中,微粒过滤技术是目前公认的为有效且商业应用可行性好的技术。

  在柴油机排气微粒过滤捕集技术中,对过滤体的基本要求是:有较高的过滤效率、较低的排气阻力、较好的机械强度和抗热震性能等。在上述基本要求中,过滤效率和排气阻力是两个为重要的参数,同时这两个参数又是相互矛盾和相互制约的。

  过滤体的过滤性能受气流参数、微粒分布以及基金项目:国家自然科学基金资助项目(40475048)北京市自然科学基金资助项目(8042018)北京交通大学学报过滤体微观结构等众多因素的影响。虽然目前国内外对过滤体已有非常深入的研究,但从过滤机理角度对微粒过滤效率进行分析还非常少。

  粒过滤模型,在此基础上分析了壁流式过滤体的3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,研究结果可以为壁流式过滤体微粒捕集效率的定性与定量分析及过滤体结构优化设计提供依据。

  1微粒过滤捕集模型与分析根据过滤理论,壁流式过滤体的微粒捕集数学方程可以表示为集系数的大小可以反映过滤体捕集微粒的能力;Co为微粒浓度;U为排气流速;f为过滤体过滤壁面的微孔孔径。

  过滤体微粒捕集系数受多种捕集机理共同影响。研究表明,壁流式陶瓷过滤体的微粒捕集机理主要有3种,即惯性碰撞机理、拦截机理和扩散机理。不同捕集机理在不同条件下对微粒捕集系数的影响不尽相同。以下分别对壁流式过滤体的3种微粒捕集机理进行分析,探讨它们在不同的条件下所体现出的特性。

  1.1惯性碰撞机理微粒随气流穿过过滤体的多孔壁面时,由于微粒质量比气体微团大得多,当气流转折时,微粒有足够的动量继续对着壁面前进而偏离流线。偏离的结果是一些微粒碰到壁面而被捕集分离。在惯性碰撞机理中,一般把微粒理想化为只有质量而没有体积的质点。

  根据Davies等人对大量试验结果的分析与推导,在壁流式过滤体微粒捕集过程中,惯性碰撞捕集系数可以表达为等。给出了在不同排气流速及壁面微孔孔径情况下,壁流式过滤体的惯性碰撞捕集系数与微粒粒径之间的变化关系。

  从可以看出,粒径小于0. 2Pm时,惯性碰撞捕集作用已非常有限。在目前的壁流式过滤体壁面微孔孔径及过滤体内排气流速的变化范围内,过滤体微孔孔径越小、排气流速越高,则惯性碰撞捕集系数越大,尤其对较大微粒的影响更为明显。减小过滤体微孔孔径或提高过滤体内的排气流速都可以有效提高壁流式过滤体的微粒惯性碰撞捕集系数,但同时也会增加排气阻力。

  惯性碰撞捕集系数的变化规律惯性碰撞机理在微粒捕集过程中主要对大微粒作用明显,对小微粒的作用则非常有限。随着现代柴油机技术水平的不断提高,柴油机排气中的微粒浓度逐渐减小,微粒分布逐步向小微粒方向发展,因此对于壁流式过滤体来说,惯性碰撞机理在柴油机微粒捕集过程中的作用将会变得越来越有限。

  1.2拦截机理拦截机理认为微粒只有大小而没有质量。因此,不同大小的微粒都将随流线绕捕集物流动。如果流线上的某个微粒的中心到捕集物的距离小于该微粒半径的话,则该微粒将被捕集物拦截而从排气中分离出来。

  根据理论分析及大量的试验研究,壁流式过滤体微粒拦截捕集系数可以表示为(2),其中,dp为入= -为气体的平均自由程,其微粒粒径,Pp和pg分别为微粒密度和气流密度,r为气流粘度。

  影响壁流式过滤体惯性碰撞捕集系数的因素主要有排气流速、壁面微孔孔径、微粒粒径及排气特性盟中,P、T、Rexh分别是排气的压力、温度和气体常数。

  给出了不同排气流速及壁面微孔孔径情况下,壁流式过滤体的微粒拦截捕集系数与微粒粒径宁智等:柴油机排气微粒壁流式陶瓷过滤体过滤机理及影响因素之间的变化关系。从的结果中可以看出,拦截捕集系数与惯性碰撞捕集系数的变化趋势大致相同,但在相同的情况下,壁流式过滤体的拦截捕集系数比惯性碰撞捕集系数小一个数量级左右。因此,在壁流式过滤体中,拦截机理对小微粒的捕集作用是非常有限的。

  中的作用非常明显,对大微粒的作用则较小。通过比较可以发现,微粒粒径小于1m时,过滤体的微粒扩散捕集系数一般要比惯性碰撞捕集系数和拦截捕集系数大1~2个数量级。由于柴油机微粒属于亚微米范畴,利用壁流式过滤体进行柴油机微粒过滤时,扩散机理将起主导作用。

  拦截捕集系数的变化规律从中还可以看出,在相同的排气流速下,对壁流式过滤体来说,微孔孔径越小,拦截捕集系数越大;在相同的微孔孔径条件下,排气流速越大,拦截捕集系数越大;相对而言,微孔孔径对壁流式过滤体拦截捕集系数的影响大于排气流速的影响。

  从分析中可以看出,对壁流式过滤体来说,惯性碰撞机理和拦截机理都只对较大微粒的捕集才有比较明显的作用。与惯性碰撞机理相同,拦截机理对现代柴油机排气微粒捕集的作用也相对较小。

  1.3扩散机理在排气气流中,微粒由于受到气体分子热运动的碰撞而作布朗运动。当流场中存在捕集物时,捕集物对微粒的运动起到了汇的作用,从而引起微粒的扩散输运,使微粒脱离原来的运动轨迹向捕集物运从中可以明显看到,由于排气流速决定了微粒在壁流式过滤体内的滞留时间,因此对扩散捕集系数的影响非常明显;排气流速越小,扩散捕集系数越大。在相同的排气流速下,过滤体微孔孔径越小,扩散捕集系数也越大。随着微粒粒径的增大,微粒的布朗运动越来越弱,从而造成过滤体的微粒扩散捕集系数迅速下降。

  1.4综合机理对壁流式过滤体来说,上述3种捕集机理随微粒粒径的不同而表现出不同的作用,壁流式过滤体的微粒扩散捕集系数可以表达为一给出了不同排气流速及壁面微孔孔径情况下,壁流式过滤体的综合捕集系数随微粒粒径的变化情况。

  1―£,其中,£为过滤体的孔隙率,其中,0=为微粒扩散系数,Kb为波尔兹曼常数。

  给出的是在不同排气流速及壁面微孔孔径的情况下,壁流式过滤体的微粒扩散捕集系数随微粒粒径的变化情况。

  从中可以看出,与惯性碰撞和拦截机理相反在壁流式过滤体中,扩散机理在小微粒过滤捕集从中可以明显看出,壁流式过滤体对小微粒具有较高的综合捕集系数。当微粒粒径小于0.1 dm时,扩散捕集在微粒的捕集中起主导作用,微粒越小、排气流速越低,综合捕集系数越高。微粒粒径大于0.5dm以后,扩散捕集作用逐渐减弱,而惯性碰撞和拦截作用逐渐增强。特别值得注意的是,当微粒处于0.1~1.0m时,由于3种捕集作用皆处于一个较低的水平,因此壁流式过滤体的综合捕集系数较小,而这个范围正是柴油机微粒分布较多的区域,这将直接影响到壁流式过滤体的微粒过滤捕集ingHouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net北京交通大学学报效果。

  综合捕集系数的变化规律于较大的微粒0.Pm),排气流速的提高则有利于微粒的捕集。

  从总体上看,对于小于0.2Pm的微粒,降低排气流速,有利于综合捕集效率的提高;而对于0.5Pm以上的微粒,流速的作用则正好相反。减小过滤体微孔孔径,有利于0.1~1.0Pm范围内微粒的综合捕集系数的提高,但较小的过滤体微孔孔径将导致排气阻力的升高。

  1~1.0Pn粒径范围内的微粒综合捕集系数较小,因此为提高壁流式过滤体的微粒捕集净化效果,应尽量减少该区域内的微粒数量,使微粒向小或大的方向发展。

  从壁流式过滤体综合捕集系数变化的趋势及现代先进柴油机微粒排放特性来看,壁流式过滤体更适合现代先进柴油机排气微粒的捕集。而对技术状况较差的在用柴油机来说,为提高微粒捕集效果,则需根据柴油机的具体状况,尽可能优化壁流式过滤体微观结构参数及整体结构参数。

  2微粒捕集系数的影响因素以下分别分析排气流速、过滤体微孔孔径和孔隙率以及气流温度对不同粒径微粒的综合捕集系数的影响。计算分析时,上述参数在一般的柴油机排气参数及壁流式过滤体结构参数的范围内取值。

  2.1排气流速对综合捕集系数的影响给出了在其他参数一定的条件下,排气流速对不同粒径微粒的综合捕集系数的影响。

  从中可以看出,微粒粒径小于0.排气流速越高,壁流式过滤体的综合捕集系数越小,且微粒粒径越小,排气流速的影响越为明显。微粒粒0m/s流速时的捕集系数仅为0.15m/s流速时的1/3左右。微粒粒径超过0. 5Pm后,扩散作用减弱而惯性碰撞与拦截作用则迅速增强,综合捕集系数随排气流速的增加而上升。因此,对于较小微粒《0. 2Pm)的捕集来说,降低气流速排气流速对综合捕集系数的影响2.2过滤体微孔孔径对综合捕集系数的影响给出了在其他参数一定的条件下,壁流式过滤体的微孔孔径对不同粒径微粒的综合捕集系数的影响。

  过滤体微孔孔径对综合捕集系数的影响从中可以看出,减小过滤体微孔孔径有利于提高各种粒径微粒的综合捕集系数。微粒越小,微孔孔径的影响越为显著。但相对排气流速的影响来说,微孔孔径对捕集系数的影响相对较小。过滤体微孔孔径过小会使柴油机排气阻力急剧升高,因此不宜通过采用减小微孔孔径的方法来提高壁流式过滤体的综合捕集系数。

  2.3过滤体孔隙率对综合捕集系数的影响给出了在其他参数一定的条件下,壁流式过滤体的孔隙率对不同粒径微粒的综合捕集系数的影响。

  从中可以看出,孔隙率对综合捕集系数的影响几乎与微孔孔径的影响完全一致。较小的过滤体孔隙率有利于提高各种粒径微粒的综合捕集系数,尤其是对0.05Pm以下微粒的影响更加显著;而对于大于0. 2Pm的微粒,则可以几乎不再考虑孔隙率对综合捕集系数的影响。较小的过滤体孔隙度有利于提高壁流式过滤体的综合捕集系数。而对率意呋着较高的排气阻力因此孔隙率的选择必须宁智等:柴油机排气微粒壁流式陶瓷过滤体过滤机理及影响因素考虑到壁流式过滤体的阻力因素。

  过滤体孔隙率对综合捕集系数的影响2.4气流温度对综合捕集系数的影响气流温度主要通过影响排气的粘度、密度以及微粒的布朗运动来影响过滤体的综合捕集系数。给出了在其他参数一定的条件下,气流温度对不同粒径微粒的综合捕集系数的影响。

  气流温度对综合捕集系数的影响从中可以看到,尽管在较高的排温下气流的粘度较高,但高温同时会促使微粒的布朗运动加剧、扩散能力增强。因此,排温越高,0.2ftn以下小微粒的综合捕集系数也越高;且微粒粒径越小,排温的影响越为显著。柴油机排气的高温特别有利于0.2ftn以下小微粒的捕集。

  5ftn以后,微粒捕集的扩散作用减弱,惯性碰撞及拦截作用增强。排气温度越高,气流粘度越大,从而削弱了惯性碰撞及拦截效应,使得壁流式过滤体的综合捕集系数越小。但相对而言,气流温度对0.5~1.0Mm范围内的较大微粒的综合捕集系数的影响较小。

  小微粒的捕集起主要作用,而惯性碰撞机理和拦截机理则对0.5Mm以上较大微粒的捕集起作用。在0. 1~1.0ftn微粒粒径范围内,壁流式过滤体的综合捕集系数较小。

  (2)对不同粒径的微粒来说,排气流速对壁流式过滤体的综合捕集系数的影响是不同的。粒径小于0.2Mm时,降低流速有利于提高壁流式过滤体的综合捕集系数;粒径大于0.5Mm后,排气流速的作用则正好相反。

  (3)壁流式过滤体的微孔孔径及孔隙率仅对0.1Mm以下小微粒的捕集具有一定的影响;微孔孔径或孔隙率越小,过滤体的综合捕集系数越高。但相对排气流速及排气温度的影响来说,微孔孔径和孔隙率对捕集系数的影响相对较小。微粒粒径大于0. 2Mn后,则可以不考虑过滤体微孔孔径和孔隙率对捕集系数的影响。

  捕集系数也越高;且微粒粒径越小,气流温度的影响越为显著。柴油机排气的高温特别有利于0.2Mm以下小微粒的捕集。微粒粒径大于0. 5Mm以后,气流温度对综合捕集系数的影响则正好相反。相对而言,气流温度对0.5~1.0Mm范围内的较大微粒的综合捕集系数的影响较小。

访问统计
51客服