柴油機(jī)排放顆粒后處理裝置設(shè)計(jì)論文

1、 . PAGE35 / NUMPAGES39柴油機(jī)排放顆粒后處理裝置設(shè)計(jì)摘要本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是運(yùn)用柴油機(jī)排放相關(guān)知識設(shè)計(jì)出過濾效率在98%以上的柴油機(jī)顆粒物過濾裝置（DPF）系統(tǒng)。為滿足我國國情和設(shè)計(jì)要求，過濾體選用價(jià)廉實(shí)用的鐵絲網(wǎng)卷合成圓柱狀，再生系統(tǒng)選用反吹加熱再生，加熱源來自液化石油氣(LPG)。結(jié)合流體力學(xué)相關(guān)知識計(jì)算管長和管徑等尺寸。再生系統(tǒng)選擇成熟的氣體燃燒器和鼓風(fēng)機(jī)，在合適的尺寸下與過濾裝置進(jìn)行裝配。接著結(jié)合汽車電子相關(guān)知識對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電控化以達(dá)到最優(yōu)化工作，這牽扯到大量的傳感器應(yīng)用知識，參數(shù)匯總計(jì)算，以與單片機(jī)技術(shù)。最后本文中還設(shè)計(jì)了幾種實(shí)驗(yàn)，用以對本次設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)鍵

2、詞柴油機(jī)顆粒物過濾裝置（DPF） 過濾體 反吹加熱 液化石油氣(LPG) 排氣管 Dieseldischarged particulate after-treatment device designed。（。）Tutor:Abstract：The design goal is to use the knowledge to design diesel exhaust filtration efficiency of 98% or more of the diesel particulate filter (DPF) system.In order to meet Chinas national

3、 conditions and design requirements, the filter body use inexpensive and practical synthesis of cylindrical roll of barbed wire, recycled renewable heating system selected blowback, liquefied petroleum gas from the heating source (LPG).Knowledge of fluid dynamics calculations combined length and tub

4、e diameter and other dimensions.Regeneration System Selection mature gas burners and blowers, at the right sizes and filtering devices for assembly.Then combine the knowledge of the entire automotive electronic control systems in order to achieve optimal work, which involves a large number of sensor

5、 applications knowledge, parameter summary calculations, and microcontroller technology.Finally, this paper also designed several experiments to the design of the device to be optimized.Key words：Diesel particulate filter (DPF)Filter bodyBlowback heatingLiquefied petroleum gas (LPG)Exhaust Pipe目 錄 T

6、OC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc3589969161 緒論 PAGEREF _Toc358996916 h 1HYPERLINK l _Toc3589969172 機(jī)顆粒物的組成與生成機(jī)理 PAGEREF _Toc358996917 h 2HYPERLINK l _Toc3589969183 油機(jī)顆粒物排放后處理技術(shù)介紹 PAGEREF _Toc358996918 h 3HYPERLINK l _Toc3589969193.1 柴油機(jī)氧化催化器（DOC） PAGEREF _Toc358996919 h 3HYPERLINK l _Toc3589969213.2 柴

7、油機(jī)微粒捕捉器（DPF） PAGEREF _Toc358996921 h 3HYPERLINK l _Toc3589969223.2.1 催化再生 PAGEREF _Toc358996922 h 4HYPERLINK l _Toc3589969233.2.2 噴油助燃再生 PAGEREF _Toc358996923 h 5HYPERLINK l _Toc3589969243.2.3 電加熱再生 PAGEREF _Toc358996924 h 5HYPERLINK l _Toc3589969253.2.4 反吹再生 PAGEREF _Toc358996925 h 5HYPERLINK l _To

8、c3589969263.2.5 微波加熱再生 PAGEREF _Toc358996926 h 6HYPERLINK l _Toc3589969273.2.6 連續(xù)再生 PAGEREF _Toc358996927 h 6HYPERLINK l _Toc3589969284 固定式反吹再生DPF總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358996928 h 7HYPERLINK l _Toc3589969294.1 過濾體的選擇 PAGEREF _Toc358996929 h 7HYPERLINK l _Toc3589969304.2 再生系統(tǒng)各裝置的選擇 PAGEREF _Toc358996930 h

9、 7HYPERLINK l _Toc3589969324.3 再生系統(tǒng)工作過程 PAGEREF _Toc358996932 h 8HYPERLINK l _Toc3589969335 各主要零件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358996933 h 14HYPERLINK l _Toc3589969345.1 過濾體總成設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358996934 h 14HYPERLINK l _Toc3589969355.1.1 過濾體尺寸設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358996935 h 14HYPERLINK l _Toc3589969475.1.2 過濾體殼體的選擇 PAGERE

10、F _Toc358996947 h 14HYPERLINK l _Toc3589969515.1.3 排氣管設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358996951 h 14HYPERLINK l _Toc3589969565.2 旁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358996956 h 15HYPERLINK l _Toc3589969575.2.1 旁路管尺寸設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358996957 h 15HYPERLINK l _Toc3589969585.2.2 旁路單向閥的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358996958 h 16HYPERLINK l _Toc3589969

11、595.2.3 旁路消聲器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358996959 h 16HYPERLINK l _Toc3589969615.3 反吹風(fēng)管設(shè)計(jì)校核 PAGEREF _Toc358996961 h 18HYPERLINK l _Toc3589969706 燃燒器和鼓風(fēng)機(jī)選擇 PAGEREF _Toc358996970 h 22HYPERLINK l _Toc3589969716.1 燃燒器選擇和說明 PAGEREF _Toc358996971 h 22HYPERLINK l _Toc3589969726.2燃燒器注意事項(xiàng) PAGEREF _Toc358996972 h 22HYPER

12、LINK l _Toc3589969736.3 鼓風(fēng)機(jī)的選擇 PAGEREF _Toc358996973 h 26HYPERLINK l _Toc3589969747 安裝后試驗(yàn)方法 PAGEREF _Toc358996974 h 27HYPERLINK l _Toc3589969757.1 實(shí)驗(yàn)器材 PAGEREF _Toc358996975 h 27HYPERLINK l _Toc3589969777.2 實(shí)驗(yàn)方法 PAGEREF _Toc358996977 h 27HYPERLINK l _Toc3589969788 多空泡沫金屬新型過濾材料的介紹 PAGEREF _Toc3589969

13、78 h 29HYPERLINK l _Toc3589969798.1 泡沫金屬材料和瓷材料的對比分析 PAGEREF _Toc358996979 h 29HYPERLINK l _Toc3589969808.2 多孔泡沫金屬炭煙過濾機(jī)理分析 PAGEREF _Toc358996980 h 29HYPERLINK l _Toc3589969819 幾種過濾體分析方法 PAGEREF _Toc358996981 h 30HYPERLINK l _Toc3589969829.1 Happel-Kuwabara單元模塊分析 PAGEREF _Toc358996982 h 30HYPERLINK l

14、_Toc3589969839.2 過濾體效率測試 PAGEREF _Toc358996983 h 30HYPERLINK l _Toc3589969859.3 過濾體的改進(jìn) PAGEREF _Toc358996985 h 31HYPERLINK l _Toc35899698610 關(guān)于我國未來DPF的應(yīng)用思考 PAGEREF _Toc358996986 h 32HYPERLINK l _Toc358996987致 PAGEREF _Toc358996987 h 33HYPERLINK l _Toc358996988參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc358996988 h 341 緒論近年來，柴

15、油機(jī)在汽車中的使用日益廣泛，轎車柴油機(jī)化也將是未汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，因?yàn)樗c汽油機(jī)相比，具有良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性，以與較高的熱效率和較低的CO、HC 排放，但較高的NOx和顆粒物( PM) 排放成為限制柴油機(jī)發(fā)展的主要障礙。為滿足對車用柴油機(jī)不斷提高的排放要求，柴油機(jī)排氣后處理問題成為了人們研究的焦點(diǎn)。柴油機(jī)排放的PM和NOx對環(huán)境有十分惡劣的影響?？茖W(xué)研究表明，NOx排放可形成光化學(xué)煙霧，PM 的排放則使人們致癌，降低其排放是當(dāng)前熱點(diǎn)。控制柴油機(jī)對環(huán)境污染的首要任務(wù)是降低其NOx和PM 排放量。目前，世界各國都在致力于減少柴油機(jī)NOx和PM排放的技術(shù)研究。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的重視，越

16、來越嚴(yán)格的車用柴油機(jī)排放法規(guī)將會(huì)制定并實(shí)行。由于機(jī)凈化技術(shù)的潛力有限，排放物的進(jìn)一步降低必然要通過機(jī)外凈化技術(shù)的采用。油品質(zhì)量的提高特別是硫含量的減少是降低柴油機(jī)PM排放的必經(jīng)之路。我國燃油硫含量過高限制了許多種類的顆粒物排放后處理技術(shù)的運(yùn)用，因此我國應(yīng)采用可靠性較高的主動(dòng)再生柴油機(jī)顆粒物捕捉器。我國從上世紀(jì)80年代中期就開始了DPF問題的探索和研究工作,但進(jìn)展緩慢,對于DPF的材質(zhì)和DPF的再生問題的研究依然沒有得到實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。目前,我國從事研發(fā)和生產(chǎn)DPF 的企業(yè)不多,國基本無法提供具有成熟應(yīng)用的DPF 產(chǎn)品。奧運(yùn)前夕,政府招標(biāo)100臺DPF,安裝在公交、環(huán)衛(wèi)、郵政等系統(tǒng)的柴油車上作試點(diǎn),

17、其中標(biāo)單位全為外企。本次畢設(shè)以公交車為實(shí)驗(yàn)對象。2 機(jī)顆粒物的組成與生成機(jī)理柴油機(jī)顆粒物組成主要由三部分組成，即固態(tài)的未燃碳顆粒聚合物（DS）、可溶有機(jī)物（SOF）、無機(jī)鹽類與其它的一些聚合物。柴油機(jī)微粒的主要成分是碳煙。碳煙形成的條件是高溫和缺氧。由于柴油機(jī)的油氣混合并不均勻，盡管總體上是富氧燃燒，但局部的缺氧還是導(dǎo)致了碳煙的生成。一般認(rèn)為碳煙形成的過程是：烴類燃料中的烴分子在高溫缺氧的條件下熱裂解形成部分乙烯和聚合烯；乙烯和聚合烯在不斷的脫氧后聚合成以碳為主的直徑為2nm左右的碳煙核心；氣體中的烴在這個(gè)碳煙核心表面的凝聚以與碳煙核心之間的凝聚使得碳煙核心的表面增大，成為直徑為2030nm左

18、右的碳煙基元。至此，碳煙的質(zhì)量已經(jīng)基本確定。最后，碳煙基元堆積成微粒。如圖2.1所示。碳煙核心2nm碳煙基元2030nm碳煙PM乙烯聚合物烴類燃料圖2.1 碳煙PM的形成過程柴油機(jī)微粒中的硫化物主要來源于柴油中硫的氧化，因此降低燃油中的硫含量是非常重要的。根據(jù)英國Ricardo研究所的研究，柴油機(jī)微粒中的有機(jī)HC成分主要來源于潤滑油，這個(gè)來源約占微粒有機(jī)成分的74%。在我國，由于我國化工煉油工業(yè)和燃機(jī)制造工業(yè)的相對落后，柴油機(jī)排氣中有較多硫化物成分，而且相當(dāng)部分潤滑油也形成為未燃烴類排出發(fā)動(dòng)機(jī)。3 油機(jī)顆粒物排放后處理技術(shù)介紹3.1 柴油機(jī)氧化催化器（DOC）DOC以鉑和鈀等貴金屬作為催化劑，

19、主要降低微粒排放中的SOF的含量，從而降低PM的排放。其氧化原理與汽油機(jī)三效催化器氧化HC和CO的原理基本一樣，可以同時(shí)有效減少排氣中的HC和CO。DOC能夠氧化排氣中的30%80%的氣態(tài)HC和40%70%的CO，以與除去微粒物總量的30%50%，這主要氧化了50%80%吸附在碳粒表面的可溶性有機(jī)成分。DOC對于純碳粒幾乎不起作用。氧化催化器同時(shí)對于目前排放法規(guī)還未限制的有害成分（如多環(huán)芳香烴、乙醛等）都能凈化。研究表明DOC可以使有毒的部分減少68%，多環(huán)芳香碳?xì)浠衔锱欧艤p少56%，乙醛減少70%。自1995年以后，全世界至少有50萬輛卡車和公共汽車加裝了DOC系統(tǒng)。DOC在氧化掉PM中的

20、一部分SOF的同時(shí)也將尾氣中的部分SO2氧化成硫酸鹽，所以對于含硫量較高的柴油來說，使用氧化催化器將使微粒物排放中的硫酸鹽比例增大，這樣就降低了氧化SOF的效果，甚至使PM的排放增加。另外燃料中的硫還會(huì)引起催化劑中毒，所以使用高硫柴油會(huì)極大的影響氧化催化器的凈化效果，還會(huì)降低催化器的壽命。因此，選擇合適的催化器和使用低硫燃油就顯得尤為重要。 氧化催化器存在的主要問題是高溫老化和催化器中毒。高溫老化主要是由于貴金屬在高溫下發(fā)生了燒結(jié)而導(dǎo)致了催化劑活性點(diǎn)減少、性能下降；催化器中毒主要是由于排氣中的硫酸鹽與顆粒等成分覆蓋了載體表面活性點(diǎn)而導(dǎo)致了催化性能下降。催化器的高溫老化是不可逆的，而催化劑中毒后

21、可以部分恢復(fù)活性。另外燃油中的硫含量過高，會(huì)導(dǎo)致排氣經(jīng)DOC時(shí)硫酸鹽成分的增加，有可能導(dǎo)致微粒排放的升高，因而DOC必須與低硫柴油一起使用。單獨(dú)使用DOC時(shí)，會(huì)造成NOx中NO2比例的增加，而NO2毒性是NO毒性的4倍。除了降低燃油中硫含量，通過改變載體的材料構(gòu)成，也可以提高DOC的抗硫老化性能。例如通過選擇低的SO2吸附載體材料和再多加一層無貴金屬負(fù)載的SO2阻隔層的方法，在不影響HC和CO轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，降低了DOC中硫酸鹽的生成量，提高了催化劑的抗硫中毒性能。3.2 柴油機(jī)微粒捕捉器（DPF）DPF是柴油機(jī)微粒排放后處理的主要方式，它由收集排氣微粒的濾芯和各類周期性的把濾芯中積存的微粒燒掉

22、或氧化掉的再生系統(tǒng)所組成。該技術(shù)的應(yīng)用方法是先用DPF捕集廢氣中的PM，然后通過對收集的PM的氧化來使DPF再生。該方法可以從柴油機(jī)排氣中除去碳煙顆粒，其效率遠(yuǎn)超過90%。 微粒捕捉器關(guān)鍵技術(shù)不是PM的捕集，而是過濾芯材料和過濾體的再生。因?yàn)?，微粒手機(jī)其采用的是毛孔吸附法，吸附后的微粒粘在載體毛孔通道上，堵塞排氣通道，對柴油機(jī)排氣產(chǎn)生阻力，將會(huì)直接影響到柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。因此，收集器的載體在使用一段時(shí)間后必須對其進(jìn)行清理再生。DPF再生的方法有2種：（1）通過在燃油中加入添加劑或在過濾材料表面涂催化層來降低PM的燃點(diǎn)，是的PM能在較低的溫度下燃燒，一般稱為被動(dòng)再生；（2）利用外界能量來提

23、高DPF的溫度，使PM著火燃燒，稱為主動(dòng)再生。也可以把2種方案組合起來使用，以確保過濾器得到可靠的再生，維護(hù)PM過濾系統(tǒng)在壽命周期的正常工作。目前，主動(dòng)再生方法有噴油助燃再生、電加熱再生、微波加熱再生與反吹再生等；被動(dòng)再生有燃油添加劑再生、連續(xù)再生以與催化劑再生等。2種方法都有其優(yōu)點(diǎn)，如主動(dòng)再生對汽車工況沒有要求，效率高，可靠性好；而被動(dòng)再生有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，較低的成本，整個(gè)系統(tǒng)也比主動(dòng)再生簡單。二者都需要優(yōu)化控制再生策略。3.2.1 催化再生催化再生技術(shù)是利用化學(xué)催化的方法降低微粒的反應(yīng)活化能，使其能在柴油機(jī)正常排氣溫度下進(jìn)行燃燒，實(shí)現(xiàn)微粒過濾器的再生。在再生過程中，過濾體所受到的熱負(fù)荷較

24、小，因此提高了過濾體的壽命與工作可靠性。催化再生技術(shù)主要有2種：（1）將催化劑提前浸漬在過濾提上，以降低過濾體上微粒的活化能，但由于固體微粒與催化劑的接觸反應(yīng)極不均勻，因此很難完全再生。另外，由于柴油機(jī)排氣中的微粒含量很大，隨著時(shí)間的進(jìn)行，催化劑的作用會(huì)逐漸削弱或完全消失，即催化劑中毒，從而影響到過濾體的有效再生和對其它有害氣體的催化凈化效果；（2）采用燃油添加劑，即在燃油中加入金屬有機(jī)物，燃燒后生成的金屬氧化物對微粒起催化作用，使微粒著火溫度降低，從而在較低的排氣溫度小，不需外部能源，過濾體能自行再生。但是，燃油添加劑的燃燒產(chǎn)物金屬氧化物隨排氣流經(jīng)過濾體時(shí)，有一部分會(huì)沉積下來，積累在過濾體上

25、的添加劑金屬燃燒產(chǎn)物會(huì)堵塞過濾體空隙，縮短過濾器使用壽命。若沉積物過多，被壓上升，就會(huì)通過定期更換過濾體來解決。由于我國柴油中的硫含量在110-3以上，遠(yuǎn)高與金屬催化劑所要求的硫含量（低于510-5）標(biāo)準(zhǔn)，因此催化技術(shù)在我國的應(yīng)用還需要一段時(shí)間。3.2.2 噴油助燃再生噴油助燃再生技術(shù)是通過一套專門的系統(tǒng)，適時(shí)地向過濾體上游空間噴入一定量的燃油和供給一定的空氣，由點(diǎn)火系統(tǒng)將噴入的燃油點(diǎn)燃，使過濾體的溫度上升，顆粒著火燃燒，以實(shí)現(xiàn)過濾體的再生。再生系統(tǒng)很復(fù)雜，造價(jià)昂貴，而且容易出故障。為保證過濾體的成功再生，要求再生燃油器具有點(diǎn)火可靠、燃燒完全與火焰分布均勻等特點(diǎn)。如點(diǎn)火失敗，將使燃料沉積在過濾

26、體上，引起二次沉積和污染，并且容易引起爆燃。燃燒不完全會(huì)使再生時(shí)排氣冒煙，也會(huì)導(dǎo)致二次污染。3.2.3 電加熱再生電加熱再生技術(shù)與燃油助燃再生技術(shù)相類似，但它是以電能代替燃油燃燒加熱空氣或廢氣來實(shí)現(xiàn)對過濾體的再生。這種再生技術(shù)對電功率要求較高，一般需要1.53KW。為了有效的利用電能，一般都采用廢氣旁通裝置。電加熱再生是利用具有高導(dǎo)電性能的晶體SiC作為過濾材料，當(dāng)需要再生時(shí)，將過濾體作為電加熱元件直接對其通電加熱，使沉積其上的碳煙顆粒升溫燃燒，實(shí)現(xiàn)過濾體自身的再生。因此這種再生技術(shù)系統(tǒng)比較簡單，可控性好，并且在柴油機(jī)任何情況下都能對過濾體進(jìn)行可靠的再生。電加熱再生對對車用電源的要求很高，在使

27、用過程中需解決耗電量高的問題，結(jié)晶SiC的制造工藝復(fù)雜且成本高。3.2.4 反吹再生為了提高柴油機(jī)微粒過濾與再生系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，將微粒的燃燒與過濾體分離開是一個(gè)有效的途徑。近幾年，提出了一種新的有別于一般再生過程的再生技術(shù)，即反吹再生技術(shù)。該再生過程的最大特點(diǎn)是能將過濾體與微粒燃燒分開，因此該系統(tǒng)不存在過濾體由于微粒燃燒發(fā)熱而產(chǎn)生爆裂和燒熔等問題，另外也解決了不燃物質(zhì)在過濾體累積的問題。當(dāng)過濾體需要再生時(shí)，壓縮空氣從過濾體出口出高速噴入，將微粒從過濾體表面清除，并落入微粒漏斗。收集在漏斗的微粒由漏斗的銷裝電加熱器連續(xù)燃燒掉。3.2.5 微波加熱再生微波加熱再生則是利用微波所獨(dú)具的選擇加

28、熱與體積加熱特性，對沉積在過濾體上的對微波具有極強(qiáng)吸收能力的微粒以與過濾體本身進(jìn)行加熱，使微粒迅速燃燒。微波再生時(shí)在過濾體部形成空間分布的熱源，對過濾體進(jìn)行體積加熱。這種體積加熱方式使沉積在過濾體部的微粒就地吸熱、著火與燃燒，過濾體的溫度梯度小，因而減少了熱應(yīng)力引起過濾體破壞的可能，無疑這些對過濾體的安全有效再生是十分有利的。3.2.6 連續(xù)再生連續(xù)再生微粒捕集系統(tǒng)（CRT）原理特點(diǎn)是在DPF或開放式的微粒氧化器（POC）前有1個(gè)特殊的氧化催化器，將排氣中的NO轉(zhuǎn)化成NO2，以提高排氣中的NO2的濃度。利用活性很大的NO2中的一個(gè)氧來氧化PM中的碳煙，以達(dá)到再生的目的。同時(shí)CRT系統(tǒng)帶來排放中

29、的NO2比例升高問題，雖然排放法規(guī)是限定氮氧化合物總量，但是國外研究表明NO2毒性是NO的58倍，因此從真正清潔空氣保護(hù)環(huán)境而不僅僅是追求排放法規(guī)要求角度，應(yīng)用這一技術(shù)路線應(yīng)考慮如何降低NO2。4 固定式反吹再生DPF總體設(shè)計(jì)4.1 過濾體的選擇過濾體材料的要求有四點(diǎn)：（1)高的微粒過濾效率；（2)低的排氣阻力；（3)高的機(jī)械強(qiáng)度和抗振動(dòng)性能；（4)具備抗高溫氧化的耐熱沖擊與耐腐蝕性。其中，高的過濾效率與低的排氣阻力是一對矛盾，選擇材料時(shí)要綜合考慮這兩方面的性能。目前，常用的過濾材料主要有壁流式蜂窩瓷、泡沫瓷、編織瓷纖維、金屬絲網(wǎng)與金屬纖維氈等。本設(shè)計(jì)過程過濾體材料選擇金屬絲網(wǎng)，為了進(jìn)一步提高

30、DPF的碳煙捕集率，提出了增加碳煙通過金屬絲網(wǎng)的捕集路程、減少金屬絲網(wǎng)線的間隙、以與改變金屬絲網(wǎng)的編制方法等方案。本設(shè)計(jì)過程采用由高密度帶狀鐵絲網(wǎng)卷起制成的筒式濾芯，如圖4.1所示。圖4.1 過濾體實(shí)物圖4.2 再生系統(tǒng)各裝置的選擇以LPG為加熱源,以市場上出售的LPG燃燒器燃燒、專用輔助風(fēng)機(jī)與大容量鼓風(fēng)機(jī)為基本構(gòu)成,并配以電控單元( ECU)。將LPG燃燒放出的熱功率設(shè)為23kW,為了幫助燃燒,燃燒器用輔助風(fēng)機(jī)用的風(fēng)量是0. 6m3 /m in,燃燒后形成的高溫燃燒氣體進(jìn)一步在混合室與大容量鼓風(fēng)機(jī)壓入的空氣進(jìn)一步均勻混合(稀釋) ,以設(shè)定的800的高溫流出,并進(jìn)入DPF。當(dāng)開發(fā)金屬絲網(wǎng)DPF

31、 安裝在公交車后,必須預(yù)防的問題之一是假如流入高溫空氣中央導(dǎo)管被堵塞或者是由于何種原因DPF沒有與時(shí)再生時(shí),捕集的大量碳煙將使得金屬絲網(wǎng)DPF的排氣背壓變的過高而導(dǎo)致公交車熄火。為了防止這種突發(fā)故障, 在DPF上設(shè)置了旁通閥以與旁通管路,其旁通閥和旁通管路如圖4.2所示,當(dāng)排氣背壓大于旁通閥的彈簧所設(shè)定的壓力時(shí),旁通閥自動(dòng)打開,使尾氣經(jīng)旁通閥旁通管路排除。同時(shí)旁通管路部結(jié)構(gòu)就是一個(gè)消音器,以保證從旁通閥管路排出的尾氣不產(chǎn)生過大噪聲。圖4.2 DPF與旁通管路4.3 再生系統(tǒng)工作過程它由LPG燃燒器、燃燒控制器、燃燒器用輔助風(fēng)機(jī)、混合空氣用鼓風(fēng)機(jī)、變頻器和電控單元(ECU)等基本單位構(gòu)成。燃燒控

32、制器系統(tǒng)中使用限位、聯(lián)鎖限制安全動(dòng)作圍，通過檢測燃燒裝置火焰的火焰監(jiān)測器，監(jiān)視燃燒狀態(tài)。來自火焰監(jiān)視器的信號，經(jīng)過燒嘴控制器，轉(zhuǎn)換成操作部必要的信號，使安全切斷閥動(dòng)作。萬一，因燃燒裝置發(fā)生某種故障，導(dǎo)致燒嘴不著火或者斷火等異常情況產(chǎn)生的場合，火焰監(jiān)視器檢測到燃燒火焰異常，傳送信號至燒嘴控制器，使安全切斷閥關(guān)閉，防止燃料流人燃燒室?；鹧鏅z測器或者燒嘴控制器發(fā)生故障的場合，燃料切斷閥動(dòng)作，但具有不起動(dòng)燒嘴的安全回路功能。燃燒控制器的作用是使燃料安全燃燒。打開總開關(guān)，鼓風(fēng)機(jī)l以初始頻率30Hz，鼓風(fēng)機(jī)2以頻率50Hz開始工作，此時(shí)ECU開始計(jì)時(shí)時(shí)間為t1，壓力傳感器檢測風(fēng)室壓力，當(dāng)風(fēng)室壓力大于P1，

33、(設(shè)定工作的最小壓力為一個(gè)大氣壓)時(shí)，由ECU給出控制信號，打開燃燒控制器，給定i為1，給定鼓風(fēng)機(jī)1的頻率為40Hz，給定目標(biāo)溫度400，由出口熱電偶檢測溫度T，熱電偶把模擬溫度信號給溫控儀表，溫控儀表把溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號給ECU，當(dāng)熱電偶檢測到的溫度達(dá)到加400時(shí)，給定i加1，給定鼓風(fēng)機(jī)1的頻率為45Hz，給定目標(biāo)溫度500，當(dāng)達(dá)到要求，繼續(xù)循環(huán)，當(dāng)i為4時(shí)，給定鼓風(fēng)機(jī)l的頻率為60Hz。檢測出口溫度T是否小于容許的最大溫度Tmax，當(dāng)出口溫度T小于Tmax時(shí)，再次檢測出口溫度并與容許的最大溫度比較，當(dāng)T仍小于Tmax時(shí)，比較T與目標(biāo)溫度Tg(設(shè)定為800)之間溫度差值，當(dāng)差值大于Tz(

34、溫度差值設(shè)定值50)時(shí)，給定A為5，當(dāng)差值小于Tz (溫度差值設(shè)定值50)時(shí)，給定A為l，利用頻率修正公式F=F(1+i(T一Tg)Tg)，給定鼓風(fēng)機(jī)l頻率F，測試時(shí)間t2，當(dāng)t2與t1的差值大于工作時(shí)間ts(設(shè)定工作時(shí)間20min)時(shí)，停止工作，再生結(jié)束。在工作過程中，當(dāng)所測風(fēng)壓PP1Y燃燒器開i=1,TG=TG(i),F=F2(i)出口溫度TNTTGYi=i+1(i4),TG=TG(i),F=F2(i)NYNYNi=A1出口溫度測量TYN i 4N風(fēng)機(jī)報(bào)警風(fēng)機(jī)頻率F3T TmaxT TmaxT-TgtsNY停止處理ERRCNT=ERRCNT+1ERRCNT=ERRCNT+1結(jié)束圖4.5 控

35、制流程程序圖5 各主要零件設(shè)計(jì)5.1 過濾體總成設(shè)計(jì)5.1.1 過濾體尺寸設(shè)計(jì)過濾體孔隙過大不利于過濾效率，過小排氣背氣壓增大，所以要選擇合適的孔隙。結(jié)合對排放顆粒直徑的研究選擇孔隙為0.4mm的鐵絲網(wǎng)。在微粒捕集器的實(shí)際應(yīng)用中,微粒捕集器與發(fā)動(dòng)機(jī)排量之間的關(guān)系為：Vcot=(l2)Vp （Vp為排量）選取柴油機(jī)排量Vp=8.12L,取Vcot=1.6Vp，計(jì)算得Vcot=13L一般排氣壓力在0.010.6Mpa才可以不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作本實(shí)驗(yàn)選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓為0.5Mpa，最終排氣壓力為0.02 Mpa由公式P1/P2=A2/A1=D22/D12得過濾體大概外直徑：D2=250mm,直徑

36、因反吹管而定d2=30mm。由體積和直徑可以得出過濾體長度：L1=4Vcot/(2502-302)=304mm，考慮到過濾材料對尾氣的阻力選L1=280mm5.1.2 過濾體殼體的選擇過濾體殼體由圓柱部分和圓錐部分構(gòu)成，壁厚=5mm和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管一致。進(jìn)氣端設(shè)計(jì)為突然擴(kuò)大以達(dá)到渦旋有利于擴(kuò)散過濾，出氣端設(shè)計(jì)為45o逐漸縮小以利于排氣。圓柱部分直徑d3=250mm,外直徑D3=260mm。長度由過濾體長度而定中和考慮L2=410mm。錐形部分大圓和圓柱部分螺栓連接，小圓部分和排氣管螺栓連接。壁有開口朝是由反吹管插上連接，外部與反吹管由螺栓連接。5.1.3 排氣管設(shè)計(jì)排氣管的長度和流通截面積越小,

37、越有利于排氣能量的利用,但也不能過小。定義排氣管長度影響系數(shù)L為壓力波在排氣管中從一端傳到另一端并返回起點(diǎn)的時(shí)間和曲軸每轉(zhuǎn)1CA所需的時(shí)間之比,則:L=12Ln/aT （L排氣管長度,m； n發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min ；aT當(dāng)?shù)芈曀?m/s； 一般L =3050CA）即 L=L .aT/12n （n=2000 r/min, aT=340 m/s）計(jì)算得L為2550mm4250mm所以本次設(shè)計(jì)的尺寸應(yīng)該在排氣管圍。5.2 旁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.2.1 旁路管尺寸設(shè)計(jì)旁路管直徑選擇較小于排氣管，以利于加工和排氣壓力波增大，選擇外徑D=50mm,壁厚5mm。旁路管長度按照過濾裝置長度定，尺寸合適即可，初選

38、1070mm。 計(jì)算旁路的排氣壓力差：（1）排氣管到旁路管的突然間小壓力損失：P=Hfg, Hf=,=0.64查表得。由與測量得排氣流速在0.5 MP時(shí)平均流速在50m/s,代入上式得:P=0.731.205502/2=0.0012MP(2)旁路排氣管長度對排氣壓的影響：首先計(jì)算Re、選擇指數(shù)n。= 是湍流查表得=根據(jù)求L的計(jì)算公式。因,所以L=將代入，則代入數(shù)值=1.205Kg/m3,R=0.02m, P選最大差0.5MP，分別以、代入上式，可得A、B、C三點(diǎn)的混合長度為LA=0.047m ,LB=0.078m, LC=0.083m (數(shù)據(jù)顯然大于管徑顯然壓力降遠(yuǎn)小于0.5 MP)計(jì)算沿途阻

39、力系數(shù)。=12.410.7R=0.028 （顯然壓力降遠(yuǎn)小于0.5 MP）所以管徑和管長對壓力降影響在合理圍。5.2.2 旁路單向閥的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)選用錐閥式普通單向閥。設(shè)定當(dāng)過濾體再生失效時(shí)，背氣壓大幅度增加，當(dāng)超過正常排氣壓0.5 MP時(shí)，閥芯被推開，旁路閥工作，開口和進(jìn)口公稱直徑為d=50mm，公稱壓力p=0.5MP2MP,可手工調(diào)節(jié)。5.2.3 旁路消聲器設(shè)計(jì)消聲器分類：常用的消聲器結(jié)構(gòu)有很多種，根據(jù)消聲原理的不同，一幫可以分為以下幾種，阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復(fù)合式消聲器和微穿孔板消聲器。（1）阻性消聲器的消聲原理和抗性消聲器完全不同，它是利用部的吸聲材料或吸收結(jié)構(gòu)的吸聲特性達(dá)到降

40、低噪聲的目的。阻性消聲器一般情況下不是在所有頻率都有很好的聲學(xué)性能，哥哥頻率段的噪聲被吸收的多少差別很多。當(dāng)聲波從入口段進(jìn)入消聲器管道以后，因?yàn)榭諝膺\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦生熱作用和空氣的流體粘滯作用，聲能量主要轉(zhuǎn)化為熱能的形式散發(fā)，從而達(dá)到消除噪聲的目的，也因?yàn)樽栊韵暺鞯男÷曅阅苤饕且驗(yàn)槟Σ辽鸁崴栽诟哳l圍阻性消聲器有良好的消聲能力，對比起來低頻圍的聲學(xué)性能不夠理想。（2）抗性消聲器主要是利用不同形式的結(jié)構(gòu)具有不同的聲學(xué)特性這一特征進(jìn)行消聲的，也因此被叫做聲學(xué)濾波結(jié)構(gòu)。此種消聲器式一種利用聲波在消聲器部向前傳播時(shí)遇到截面發(fā)生變化使聲波發(fā)生反射的結(jié)構(gòu)。由此可見，這種靠聲波發(fā)生反射的消聲器本身沒有直接

41、吸收聲波能量的功能，并且抗性消聲器的聲學(xué)特性與阻性消聲器特點(diǎn)完全不同，抗性消聲器主要被用于控制中、低頻段噪聲?？剐韵暺髟诓煌l率有不同的消聲特性，其決定因素是本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)?？剐韵暺鞑繘]有安裝具有吸聲能力的玻璃棉等阻性材料。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用全金屬的制造方式，所以溫度較高的地方一般使用抗性消聲器。同時(shí)，全金屬結(jié)構(gòu)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：抗腐蝕能力大、生產(chǎn)成品低、使用壽命長，在汽車排氣噪聲的控制方面得到了廣泛的應(yīng)用。一般分為擴(kuò)式，共振式等類型。（3）阻抗消聲器式在前面兩個(gè)消聲器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來而又有別于阻性消聲器和抗性消聲器的一種新型消聲器。阻抗消聲器顧名思義既有阻性消聲器的特點(diǎn)又兼?zhèn)淇剐韵暺鞯南暷芰?/p>

42、。這是由阻抗消聲器的結(jié)構(gòu)決定的。阻抗消聲器式阻性消聲器和抗性消聲器的有機(jī)結(jié)合，因?yàn)榧鎮(zhèn)鋬煞N消聲器的特點(diǎn)，所以在低頻和高頻都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。從原理上看，阻抗消聲器中的阻性成分“部填充的阻性材料，使其具有較好的高頻消聲能力”，抗性消聲能力是由部的單節(jié)擴(kuò)室結(jié)構(gòu)或者共振結(jié)構(gòu)等決定的，所以在中低頻也具有不錯(cuò)的消聲能力。（4）微穿孔板消聲器一般是用較薄的金屬板制成，通過薄板上直徑較小的孔，形成高聲阻的吸聲元件。穿孔板的消聲性能相比單節(jié)擴(kuò)式消聲器有不同的消聲特性。在中頻段會(huì)出現(xiàn)一個(gè)共振頻率，出現(xiàn)一個(gè)較大的消聲峰值。這種消聲器消聲性能的影響因素很多，穿孔率、穿孔厚度、小孔直徑的大小等很多因素都會(huì)影響消聲器的消聲

43、性能，具體參數(shù)對消聲。本次設(shè)計(jì)采用阻性消聲器，形式選圓形直管式，直徑D=150mm；進(jìn)氣管穿孔，管直徑d1=60mm,排氣管直徑d2=60mm。長度L=300mm。如圖5.1。圖5.1 消聲器示意圖5.3 反吹風(fēng)管設(shè)計(jì)校核（1）反吹管分兩部分DPF殼體和殼體外，殼體長度一定,在水平部分410mm。（2）直徑可以通過公式計(jì)算：式中d管道直徑，mm； Vf流體體積流量，m3/h； u流體平均流速，m/s； W流體質(zhì)量流量，kg/h；流體密度，kg/m3。通常可由圖5.2或圖5.3查得管徑。由圖得出管徑選則為外徑30mm壁厚5mm。圖5.2 流速、流量、管徑計(jì)算圖圖5.3 液體、氣體經(jīng)濟(jì)管徑圖（3）

44、拐角和管長對壓力降的影響：運(yùn)用當(dāng)量長度法也就是將管件和閥門等折算為相當(dāng)?shù)闹惫荛L度，此直管長度稱為管件和閥門的當(dāng)量長度。計(jì)算管道壓力降時(shí)，將當(dāng)量長度加到直管長度中一并計(jì)算，所得壓力降即該管道的總摩擦壓力降。常用管件和閥門的當(dāng)量長度見表5.1。由表得選斜接彎管45則Le=15D=450mm,則相當(dāng)計(jì)算總長為L=450+410=850mm的管。表5.1 常用管件以管徑記的當(dāng)量長 是湍流（式中選定流速大于100m/s）湍流時(shí) 0.15m時(shí),5%),這部分顆粒在纖維表面的積累和增長作用較小。另一方面,通過APS尺寸分析儀對尺寸圍120m顆粒進(jìn)行測量,得到在各種發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下,過濾器上游的顆粒濃度約在0

45、10個(gè)/cm3圍波動(dòng)。在對顆粒的沉積效果的初步估計(jì)時(shí),取前述各影響參數(shù)的中間值,并取5m為120m尺寸區(qū)間(設(shè)該區(qū)間上對數(shù)正態(tài)分布)的中等尺寸,在半試驗(yàn)周期,計(jì)算得到流過每個(gè)單元的該尺寸圍的顆?？倲?shù)約在5103個(gè)。模擬計(jì)算得到沉積在纖維表面的顆粒數(shù)約為41025102左右。10 關(guān)于我國未來DPF的應(yīng)用思考我國經(jīng)濟(jì)在經(jīng)過高速發(fā)展的十年后逐步進(jìn)入中等速度的發(fā)展，以前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式在改變，今后將重視經(jīng)濟(jì)發(fā)展的質(zhì)量而不是數(shù)量，經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)將集中在科技和綠色經(jīng)濟(jì)，今后汽車排放法規(guī)將更加嚴(yán)格。 鑒于我國人口總量的龐大所以環(huán)境的壓力將是很大的，尤其是中東部地區(qū)人口密集環(huán)境破壞嚴(yán)重，加之工業(yè)密集使得污染問題成

46、為近幾年人們關(guān)注的熱點(diǎn)，新聞中頻現(xiàn)污染問題。今年春節(jié)過后京津翼地區(qū)PM2.5產(chǎn)生的霧霾天氣使人們產(chǎn)生極關(guān)注度和反思，接著、等地也出現(xiàn)此類情況。在其后政府迅速出臺各種政策來減少污染，大批工廠停產(chǎn)，汽車限行，天氣預(yù)報(bào)加入各種污染指數(shù)。更有境外媒體夸大污染影響對我國國際形象產(chǎn)生負(fù)面影響。所有的這些都促使中國將更加重視生態(tài)環(huán)境，人們將從發(fā)達(dá)國家過去的經(jīng)驗(yàn)中尋找中的治理之路。 柴油汽車和其他柴油機(jī)械在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有很大比重，但是柴油燃燒后產(chǎn)生的沒有充分燃燒的顆粒物使得它成為PM2.5污染的主力，但是減少柴油機(jī)械又不是可行辦法，所以人們必須想出減少顆粒物排放的辦法，DPF系統(tǒng)是減少顆粒物排放的辦法之一

47、，簡單可靠的DPF將在未來得到廣泛應(yīng)用，隨著我國對環(huán)境的重視，人們對DPF的研究越來越活躍，這主要是基于它在未來的廣大市場，盡管國外技術(shù)成熟但是我國國情不同，國外的產(chǎn)品雖然先進(jìn)高效但是價(jià)格大、適應(yīng)性差，這主要是我國燃油的標(biāo)準(zhǔn)低含硫量高。所以國的公司期望研發(fā)簡單，有可觀捕捉能力的DPF。這不僅可以占據(jù)我國市場也可以擴(kuò)大到廣泛的第三世界國家。因?yàn)檫M(jìn)入21世紀(jì)，整個(gè)世界對于環(huán)境關(guān)注度有很大提高，氣候論壇對于污染問題不斷擴(kuò)大，而我國對外界做過一定承諾，這也使得我們有很大的緊迫感。今年在優(yōu)先進(jìn)行了歐標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，燃油也有較大的提高。這是對于很多種類DPF是有利的。但我國的公司研發(fā)的DPF集中在公交等車輛，

48、更廣大的像卡車、工程機(jī)械、發(fā)電廠、船舶等柴油燃料機(jī)械卻沒有相配套DPF。這和采購能力有關(guān)，所以政府必須向研發(fā)單位進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)或補(bǔ)貼，對于采購能力不強(qiáng)的行業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼或無償提供。作為研發(fā)部門應(yīng)該積極擴(kuò)展各種有前景的環(huán)保行業(yè)從不同的柴油機(jī)械出發(fā)，研究不同的DPF，迅速使產(chǎn)業(yè)鏈建立起來，形成成熟行業(yè)。對于世界先進(jìn)概念顆粒物捕捉器我們要關(guān)注，像電磁捕捉、微波加熱再生、催化與捕捉集成模塊化、先進(jìn)的電控技術(shù)、新型瓷材料過濾體等。致在本次設(shè)計(jì)的過程中我回顧了大量的以前學(xué)過的只是，回憶起整個(gè)大學(xué)階段的學(xué)習(xí)過程。每門課程都有一個(gè)美好而獨(dú)特的記憶，不同的老師，有時(shí)是不同的同學(xué)。每一門課程在學(xué)的時(shí)候我們不一定重視而且也不一定能理解，當(dāng)完成這次系統(tǒng)性綜合性很強(qiáng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)后我感覺又重新學(xué)習(xí)了一次。這是一次很有意義而且很難忘的的經(jīng)歷，我們學(xué)會(huì)的不僅是知識還有人生道理，這對于我們即將走上工作崗位有很大幫助。畢業(yè)后我們將會(huì)步入我們陌生的人生道路，再也沒有人能一次一次的給我們不厭其