颗粒捕集器捕集效率及对柴油机性能影响的研究

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当今柴油机由于其良好的动力性被广泛应用在汽车领域 。但是柴油机微粒粒径小(9∞，D，J、于 lbLm)，质量轻，长期悬浮于大气中，被人吸人后会对降造成极大的危害。为了治理由汽车排放引起的污染问题，世界各国对汽车尾气排放污染物制定了相应的排放法规，以控制汽车污染物的排放。随着排放法规的日益严格，我们在采鳃内净化的同时还必须增加后处理技术才能使排放达标。对于柴油机而言，主要排放物是微粒和NOx；主要针对微粒排放，研究DPF降低汽车尾气中的微粒排放的效果和对柴油机陛能的影响。

2降低柴油机微粒排放的控制策略为了能有效降低柴油机微粒排放，各种柴油机机内净化技术应用到柴油机上，如改进燃油品质，增压中冷、优化燃烧室、高压共轨、多气门等技术，但是随着排放法规的日益严格，机内净化技术在进-步降低微粒排放上遭遇瓶颈，这是因为：(1)改进燃油品质虽然能在-定程度上降低微粒排放，但是这种油价格昂贵，在工业制造过程中花费的代价大。(2)从改进燃烧的角度来降低柴油机微粒排放已经接近极限。(3)采用柴油高压喷射技术后，柴油机微粒排放的总质量有了大幅降低，但是细小微粒的数量增加，体积减小，对环境造成的危害更大。因此仅仅依靠机内净化技术是不够的，必须运用柴油机微粒后处理技术才能进-步降低微粒的排放。常用的微粒后处理技术有以下几种。

2.1静电捕集技术静电捕集技术是使排气中的微粒带上电荷，在电场力的作用下被集尘极捕集下来[7-31。它的优点是捕集效率高，捕集微粒的粒径范围广，柴油机排气温度高，能在高温条件下连续工作。静电捕集技术面临最大的问题是高压电源供给。

22微粒氧化催化转化器(POC)微粒氧化催化转化器(POC)是-种针对柴油机排放污染物中微粒成分设计的后处理装置，属于氧化催化转化器的范畴。它对微粒的捕集效率可以达到 60%以上，虽然没有微粒捕集器(DPF)的捕集效率高，但与微粒捕集器相比，具有成本低，无须复杂的标定过程和开发周期短，可靠性好等优点。POC捕捉颗粒的形式主要有三种：压紧捕捉、热泳捕捉与吸附捕捉 。

2.3袋滤器捕集技术袋滤器是利用纤维作为过滤介质将排气中的微粒过滤出来的装置，其结构简单、工作可靠、成本低、过滤效率高 ，对半径大于0.1p.m的微粒，过滤效率达90%以上，其最大的问题是由于排来稿日期 ：2012-08-1 1基金项目：国家自然科学基金资助项目(50976051)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政办发2011]6号)作者简介：胡 俊，(1988-)，男，江苏南通人，在读硕士，学生，主要研究方向：内燃机排放与控制；孙 平，(1963-)，男，江苏南通人，博士，教授、博导，主要研究发向：内燃机排放与控制及热负荷第6期 胡 俊等：颗粒捕集器捕集效率及对柴油机性能影响的研究 l35气温度高，过滤介质使用寿命短。

2.4微粒捕集器柴油机微粒捕集技术是目前国际上公认的最为有效的柴油机排气微粒后处理技术，也是目前国际上商用前景最好的排气微粒后处理技术[51。它的工作原理是当柴油机废气通过捕集器过滤体时，排气流进入口通道，迫使排气流通过多孔陶瓷壁面，PM就被捕集下来。加装 DPF后，由于过滤体的阻力会导致柴油机的排气背压增大，而排气背压的增大会影响柴油机的性能，通过台架实验研究了加装 DPF后柴油机性能的变化以及捕集效率。壁流式蜂窝陶瓷结构示意图，如图 1所示。

排气图 1壁流式蜂窝陶瓷结构示意图Fig.1 Structure Scheme of Honeycomb W al-Flow Ceramic Monolith3试验装置和研究方法(1)试验用柴油机为满足国Ⅲ排放标准的4缸柴油机，主要参数，如表1所示。(2)测量仪器及设备，试验用设备仪器，如表2所示。(3)试验方案，在 2150r/min、3190r/min两种转速下选取负荷分别为 25%、50%、75%以及 100%的工况点 ，对加装 DPF前后各个工况点的排气背压、油耗、NO 、烟度进行测试分析。

表 1柴油机主要技术参数Tab.1 Main Technical Parameters of Diesel Engine表 2试验用设备仪器Tab.2 Main Test Equipments for Experiment4试验结果及分析4.1 DPF对柴油机排气背压及经济性的影响由于 DPF的压力损失导致柴油机排气背压升高，因此会对柴油机性能产生-定的影响。DPF压力损失主要有：摩擦阻力损失、透过压力损失和出口压力损失，摩擦损失和过滤体透过压力损失是决定DPF压力损失主要因素。在不同的转速下加装DPF前后排气背压的变化清况，如图2所示。由图2可以看出加装 DPF后排气背压增大 10kPa左右。在相同负荷下，转速为2150r/rain时加装 DPF前后背压之差要小于转速为3190r/min的工况，这是因为转速越大，排气流速变大，DPF摩擦损失变大。

靶2150r/rain未加装DPF25 5U 75 100负荷百分比(%)图2排气背压的对比Fig.2 The Comparison of Exhaust Back Pressure相同工况下油耗的对比，如图 3所示。在相同转速下，柴油机负荷越大，燃油的消耗率越低，这就说明高负荷时燃油的利用率高，燃油燃烧的热效率比较高。加装 DPF装置后燃油消耗率增大5%左右，这是因为排气背压增加，燃烧室残余废气增多，泵气损失变大，缸内燃烧恶化，燃料燃烧热效率下降。

5oo0 450400赫 避350热簦30025 5O 75 1o0负荷百分比(%)图3油耗率对比Fig.3 The Comparison of Specifc Fuel Consumption4.2 DPF对柴油机 N 及烟度排放特性的影响4.2.1 NOx排放特性分析柴油机排放的 N 是 NO、NO 、NO3、N20、N：O3及 N20 等各种氧化物的总称，如图4所示。但主要以NO和NO：为主，其中NO大约为90%，NO：大约为 10%。N 生成的因素主要有：高温、富氧及高温滞留时间。

苔爱辕SZ 0 25 5U 75 100负荷百分比(%)图4 NO，排放对比Fig.4 The Comparison of NOx Emission从图4中可以看出：发动机在同-转速下，随负荷的增加，NO 排放升高，这是由于随负荷的增大，可燃混合气的平均空燃比减小，燃烧压力和缸内温度升高，有利于N 的形成。在同负荷下，随转速的升高，NO 排放降低，这是因为转速升高，燃烧室中氧相对减少而导致燃烧恶化，温度提高的效果被氧分压减小所抵消，NOx排放降低。加装DPF后由于排气背压的增大相当于废气136 机械设计与制造No.6June.2013再循环(EGR)的作用，降低了缸内混合气含氧量并且增大了缸内混合气 比热容，这在-定程度上抑制了 NO 的生成；但是由于缸内温度升高有利于NO 的形成。所以加装 DPF后NO 的生成受这两种因素的制约。由图 3可以看出在 2150r/min工况下加装DPF后 N0 排放先增大后减小最后又变大，而在 3190r/min工况下NO 排放增大，但总体上DPF对NO 影响不大。

4.22烟度排放特性分析柴油机排气中的碳烟主要由燃料中的碳产生，其生成条件是高温和缺氧 。燃油在缸内变成气态的燃油分子，受高温及缺氧影响会发生部分氧化和裂解从而生成乙炔和多环芳香烃等物质，然后多个粒子会积聚成直径(1-2)nm左右的碳核，而其它物质如气相烃等会在碳核表面凝聚继而形成直径为 (1O-3O)nm左右的碳烟基元，最后聚集成(O.1-10)la，m的球状或链状碳烟颗粒。负荷、进气温度、过量空气系数、进气温度等都是影响排气烟度的主要因素。烟度对比，如图 5所示。

25 50 75 100负荷百分比(%)图5烟度对比Fig.5 The Comparison of Smoke Emission4.3 DPF过滤效率特性为了得出DPF的过滤效率，采用滤纸式波许烟度计测量出加装 DPF前后的烟度，DPF过滤效率，如图6所示。根据经验公式计算出过滤前后排气中微粒浓度，得出DPF的过滤效率：孚 ㈩式中：C ，C-力口装 DPF前后排气中的微粒浓度。

微粒质量浓度 C(mg/m )是由波许烟度通过经验公式换算， 1n 、1 206的 。C565 In( )J (2)式中： 广-波许烟度从图 6中可以看出在相同转速下，随着负荷的增大，DPF过滤效率逐渐变大，这是因为负荷越大，排气温度越高，在高温的条件下气流粘度较高，同时微粒做布朗运动加剧，扩散加强，因此过滤效率变大。在相同负荷下，当负荷小于 70%时，2150r/min工况下的捕集效率小于 3190r/min的效率，当负荷大于 70%时，捕集效率敲相反。这是因为转速越低，排气流速越低，那么微粒经过过滤体的时间也越久，DPF捕集效率也越高。同时转速越低，排气温度越低，捕集效率越小，这两种因素互相影响互相制约。为了验证上述经验公式计算的准确性，采用AVL SPC 472颗粒采集系统，选取 3190r/min全负荷工况进行单工况试验∨粒采集系统是分流稀释风道测量系统，从全部排气中引出-部分排气(采样比为定值)到稀释风道里，在稀释风道上，距离排气入口10倍于稀释风道直径的地方，稀释排气分别被微粒取样泵引向直径为70mm的微粒取样滤纸，最后采集颗粒会被滤纸收集。然后用微克天平称出采集颗粒的净质量，通过计算得出颗粒的浓度。首先设定该工况下的稀释比q为 5.6，稀释通道中稀释排气质量流量Gtot恒定为1.5g/s，采样时间t为440s，用天平称出初级滤纸和次级滤纸上收集的颗粒物质量总和Mmass，如表 3所示。

10095餐9025 50 75 100负荷百分比(%)图6 DPF过滤效率Fig.6 The Filtration Eficiency of DPF表 3滤纸上颗粒物净质量Tab.3 Particle Net Mass on Filter Paper根据以下公式计算 DPF的捕集效率：g：杀.c 簪试验结果计算出DPF的捕集效率为 89.1%，根据经验公式算出的捕集效率为93.3%，两者计算过滤效率的误差在 5%以内，证明了由经验公式计算捕集效率是可行并且准确的。

5结论(1)DPF能够减小微粒排放，过滤效率在90%以上。(2)柴油机加装DPF后排气阻力和排气温度的升高使燃烧恶化，油耗率升高，对 NOx排放有不同程度的影响。(3)根据经验公式计算出的过滤效率和在单工况试验计算出的捕集效率吻合良好。