1、1一种汽车尾气净化器的研究田甜 郭育新 吴松创 崔敏 范文成 徐航 华南理工大学广州学院汽车工程学院 广东 广州 510800摘 要 ： 汽车的节能减排研究有非常重要的现实意义。针对汽车尾气中颗粒和排放污染空气的问题，设计了一种分离尾气颗粒、过滤有害气体的净化器。利用气固两相流的理论分析了尾气颗粒净化原理。通过颗粒受力分析，建立颗粒的动量方程，选择正确的过滤材料，并通过对比试验，选择了合适的叶轮、电机等制作了尾气颗粒净化器,搭建柴油机尾气检测系统。试验数据表明，设计出的尾气净化器在短时间试验过程中是可以起到净化尾气的作用，在 1200r/min 的转速下，烟度值变化最大达到 1.65FSN，且
2、净化效果良好.在低速运转的时候，效果更佳。关键词：尾气颗粒；离心力；分离；壁流式蜂窝陶瓷；净化器中图分类号：TH117 文献标识码:A The study of The motor vehicle Exhaust Particulate PurifierTian Tian Guo Yuxin Wu Songchuang Cui Min Fan Wencheng Xu HangGuangzhou College of South China University of Technology, GuangZhou Guangdong 510800 China Abstract：The resear
3、ch of energy conservation and emission reduction of diesel engines is of practical significance. This research mainly designs a diesel particulate filter in order to reduce the diesel particulate emissions what pollutes the air. The theoretical basis is based on analyzing the purification of the exh
4、aust particles through using the gas-solid flow theory. By means of particle force analysis, this research is conducted from establishing particle momentum equation and doing comparison test. After selecting suitable impeller and electrical machine, the diesel particulate filter was produced. Whats
5、more, a diesel exhaust gas detection system was set up in order to test the diesel particulate filter. As it is proved in the test results, the diesel engine exhaust particulate purifier has a positive effect in reducing the diesel particulate emission especially in the short time test. The smoke in
6、tensity emission is reduced, 1.65 FSN(Filter Smoke Number) at most, in addition, there is a good purification effect. It is better to operate the diesel particulate filter in low speed in order to acquire good results.Key words: Diesel Engine; Exhaust particles; Centrifugal force; Separation; Purifi
7、er一、引言汽车发动机分为汽油机和柴油机。汽油发动机在“轿车进入家庭”的带动下，其发展速度明显超过了柴油发动机。表明在目前中国汽车市场，尤其是轿车市场人们普遍接受的是汽油发动机。然而，柴油机以其优越的动力性、经济性和可靠性在工程行业得以广泛应用。但柴油机在使用中会排出大量燃烧裂解的碳粒、未燃碳氢化合物、润滑油、硫化物及含金属成分的灰分所构成的碳烟。这种碳烟，不但对大气环境造成污染, 而且吸附在上面的多环芳烃具有致癌作用 2, 3。2国内外对发动机的排气处理技术主要体现在三方面：一是机前处理；二是机内净化；三是后处理的研发 4。目前大部分的后处理技术主要是针对减少 NOx、固体碳颗粒（PM）来实
8、现净化尾气的目的。随着排放法规的日益严格，对燃油品质的调节与控制以及对机体结构、部件的改造完善都很有限，难以满足日趋严格的排放要求，且发动机机内净化技术实现起来已经愈有难度且成本较高，排气后处理技术就成为了减少尾气污染的重要手段 9。二、发动机尾气净化原理净化器的设计原理是在汽车排气管道中设置高速旋转机构，产生足够离心力，使排气中的颗粒粉尘等污染物在自身重力和离心力的作用下沉降到管壁的过滤器上（即在离心力的作用下，把碳烟颗粒从气体内部甩向管壁） ，从而达到气体净化和颗粒两相分离的目的。净化器装置内由离心力分离机构和二次过滤机构组成，产生离心力的电机由汽车照明电源驱动。其结构及工作原理是将进气接
9、口和出气接口连接在汽车的尾气排气管路上；工作时，未净化的尾气通过进气接口进入到分离叶轮的内表面中心，分离叶轮由高速电机驱动而高速旋转，于是尾气中的固态和液态颗粒将在离心力的作用下沿着分离叶轮内表面沉积，分离叶轮内表面周边已初次净化的尾气将通过壁流式蜂窝陶瓷等材料进行二次过滤之后由出气接口排出；整个净化器拆装方便简单，净化器内部滤芯和金属石棉网可多次更换清洗循环使用。2.1 尾气两相流动分析发动机尾气中的气体与颗粒属于两相流动的种气固两相流 10。尤其以柴油机尾气颗粒分离器就是利用悬浮在气流中的不同粒度和密度的固体颗粒受到不同作用力而改变运动轨迹，从而分离出粉尘颗粒。颗粒在两相流中的状态可用欧拉
10、法和拉格朗日法两种方法来描述 11。柴油机尾气颗粒在净化器中所受的力可分为三种：与流体颗粒的相对运动无关的力，如重力、惯性力和压差力；依赖于流体颗粒的相互运动，其中一些是与相对运动的方向平行的纵向力，如阻力、虚拟质量力、Basset 力等；与相对运动方向垂直的侧向力，如升力、Magnus 和Saffman 力等。而柴油发动机的排放颗粒分布在不同的转速下结果不同，取 2000r/min 情况下，颗粒直径在 10-6m10-5m 的颗粒占总质量的 72%，颗粒直径在 10-5m10-4m 的颗粒占总质量的 17.8%，其他颗粒直径尺寸情况占总质量的 10.2%。2.2 颗粒动量方程在建立颗粒相模型
11、时，假定颗粒为稀相，不考虑颗粒间的相互作用；不考虑作用在颗粒上的浮力、虚假质量力、Basset 力、Magnus 力和 Saflhlan 力；考虑作用在颗粒上的重力和离心力的合力；将颗粒受到的力分解成外力和粘性力两部分。对于单一粒子在外力作用下的运动，粒子所受的力有重力和离心力的合力以及气体对粒子的阻力 12, 13，所以:（1）式中，Mp（kg）为颗粒质量，v（m/s）为颗粒速度，t（s）为时间，Fe（N）为颗粒受到的重力和离心力的合力，F D （N）为气体对粒子的阻力。关于球形粒子阻力:(2)式中:C D为阻力系数， d（m）是颗粒直径， （kg/ml）是颗粒周围气体的密度，v （m/s）
12、是颗粒和周围气体的相对速度。先令 a=Fe/mp，因此(3)式中: p（kg/m ）为颗粒的密度，dp （m）为颗粒的直径。在达到稳定速度前，粒子运动的速度随时间而变化，阻力系数的变化引起粒子3所受阻力的变化，考虑到 CD是 Re 的函数，用 Re 来代换速度 V 进行简化分析。取 v=v0，Re= Re0，当 t=0 时，则上式可以解为(4)在外力方向上，为了计算粒子的运动距离 z，将 dz/dt=v 代人 dRe/dt 式中，积分得: (5)不考虑斯托克斯定律情况，考虑到颗粒捕集的情况多是符合斯托克斯定律，此时 CDRe2=24Re，将这等式代入到(4)，(5)式中可以得出:(6)(7)稳
13、定状态的颗粒各点的速度是不变的，即，由此可以推导出颗粒的沉降 (8)(6)式是颗粒开始沉降到最终达到一个固定的速度不变时需要的时间，(7)式是颗粒移动的距离，(8)是颗粒最终的沉降速度，颗粒将以保持这个速度不变的情况下一直运动下去。柴油机排出的颗粒直径很小，颗粒达到沉降速度需要的时间 t 很小，例如: ，在排气温度为450时， ，颗粒达到沉降速度所需的时间很短，可以不考虑，认为粒子直接以最终沉降速度下降，这个速度一可以理解为固体粒子在气体中受到重力和离心力合力时，粒子的最终的速度，也就是说，粒子受到重力和离心力合力时，并不是做加速运动，而是先做了一段加速，然后匀速运动，其加速段很短，所以对于柴
14、油机微粒，其沿重力和离心力合力方向的加速度以不考虑，即认为微粒一开始就以最终沉降速度运动。三、净化器设计制作及测试从净化器工作流程（如图 1）入手进行分析研究，明确其净化原理。在此基础上确定净化器的平面结构，如下图 2，并进一步确定结构参数对分离器性能的影响。柴油机车照明电源驱动离心力净化 二次过滤进气排气图 1 汽车尾气净化装置工作流程图1-电机 2-叶轮 3-电机壳 4-短壁流式蜂窝陶瓷 5-长壁流式蜂窝陶瓷 6-挡板8-箱体 9-滑块 10-螺栓 11-阀门图 2 尾气净化器平面结构图尾气净化器的结构尺寸是影响其性能的主要因素之一，参考大量的文献资料，根据对其它类型气固分离器的研究、分析
15、，可以用来分析研究影响尾气颗粒分离器性能的结构参数。认识并掌握结构参数对尾气颗粒分离器的性能的影响，在设计时可以综合考虑各个因素，合理地设计分离器的各部分尺寸，使之具有较高的分离效率，这将利于该类设备进一步的开发和推广应用。3.1 电机的选择要使颗粒物顺利分离，电机额定转速应当大于发动机排气的速度。下式为发动机排气进入分离器的速度：（11）代入数据计算可知，试验用发动机排4气速度范围为 010m/s 所以选用额定转速为 1000r/min 的高速电动机。净化器设计选取 G10872E-05W-B7T/EC 直流离心风机/DC24V，能够满足条件，且有外壳保护。3.2 分离叶轮特性分离叶轮特性包
16、括转速、叶片数量、叶片形状等因素与风速是控制颗粒平衡分离的主要参数。尾气颗粒净化器的性能取决于叶片的形状、转速等因素，或者说取决于分离叶轮产生的离心力。叶轮式旋转分离器的试验研究中对图3的两种转子的旋转分离器进行了对比试验研究。试验是在转速为68转速比时给粉浓度为0.54 kg/m3气体条件下获的。从试验结果可知，与斜叶式旋转分离器相比，带桨形叶片转子的旋转分离器具有分离效率高、分离精度高的优点，如图4所示。对于旋转分离器来说，其转子的结构对分离效果有明显的影响，叶片结构的变化，使得它所产生的离心力不一样，从而颗粒在分离区的停留时间也不样，导致整个的分离过程发生变化。由图4可见，与斜叶片形旋转
17、分离器相比，桨叶式分离器的分离作用显著，同样的余量细度值R90（注：90m筛网通过量）下，它能使R200（注：200m筛网残留量）值进一步降低。(a) 桨叶式 (b) 斜叶片式图3 叶轮式旋转分离器转子结构示意图Fig.3 The Schematic diagram of the rotor of the impeller rotary-splitter选择的叶轮不仅需要产生大的离心力使得柴油机尾气中颗粒被离心力甩出，还需要将选择桨叶作为分离器叶轮除去颗粒的尾气导向叶轮周围包裹的滤芯之外的金属石棉网。实验选择将叶轮叶片进行优化。上面的叶轮式旋转分离器两种叶片的形状是二维叶片，他们只在一个方向上
18、弯曲，二维叶片的表面是由垂直于分离器轴线与叶片表面的交线构成，这个交线总是与分离器的轴线相交。如图5所示，(a)的上图是叶片的俯视图，(a)的下图是叶片展开的侧视图，(b)和(c)是两种二维叶片布置的俯视图。图4 两种分离器的分离效果对比Fig.4 The contract separation effect of the two purifiers实验选择扭曲的三维百叶窗式叶片，它可以提高速比的离心叶轮的优化设计水平。当带有颗粒的气流到达三维百叶窗式叶片位置，在叶片高速旋转作用下含尘气流急速转向，因颗粒和气流具有不同惯性力，在叶片离心力作用下，颗粒运动轨迹将偏离气体运动方向而分离开来。气流在
19、运动惯性和压差的作用下，向叶片周围四散开来。(a) 叶片的出口角 (b) 正交叶片 (c) 后向叶片图 5 二维叶片结构示意图Fig.5 The Schematic diagram of the two-dimensional blade叶片尺寸通过计算也有一个最佳值。偏离最佳值时，则某一性能指标的改善是以性能指标的损失或减弱为代价的。叶片尺寸小于最佳的叶片尺寸，则因叶片旋转5产生的离心力场的不足而使得分离器中本应分离出去的相颗粒不能分离出去。当增大叶片长与宽的尺寸后产生的离心力大，颗粒在分离区停留时间增长，可以使直径更小的颗粒分离出来，提高分离器的分离效率。但是也增加电机的负荷，电机与叶片匹
20、配难度提高。通过实验验证，设计的叶片尺寸如图 3 所示。3.3 试验测试汽车尾气检测用的是奇瑞汽车，将过滤器安放在汽车排气管口，连接好传感器后进行测试。测试时我们用控制变量法逐一测量各种情况下过滤器的过滤效果。例如什么都没有的情况下；只有纤维陶瓷的情况；只有纤维陶瓷纸的情况；纤维陶瓷和纤维陶瓷纸的情况。所有的情况我们都将实验数据记录了下来。大家各司其职，装配过滤器的、启动发动机的、记录数据的等等，分工明确。最后发现陶瓷加纤维陶瓷纸的过滤效果比单一的只使用陶瓷的过滤效果要好，但是考虑到纤维陶瓷纸的吸附性能虽然不错，但是它的透气性并不好，我们担心因此而增加排气管的背压影响发动机的效率，所以我们最终
21、采用的是只有纤维陶瓷的过滤器，这种情况下过滤效果也能达到百分之五十，若是做工精密的話我想过滤效果会有大幅的提高。以下为部分实验数据。图 6 汽车尾气检测图从试验结果看，汽车尾气净化器能够减少尾气中有害气体及颗粒的排放。在 30 分钟的运转时间内发动机排气管温度正常，不影响净化器电机工作，但是在全负荷台架试验时，柴油机转速达到1500 转后，排气歧管温度明显上升，柴油机运转 40 分钟后排气歧管温度达到710。这样的温度直接影响了在排气管尾部的净化器电机的工作效率甚至可能直接烧坏电机。通过优化净化器电机的安装位置、采用耐高温绝缘材料、优化电机工作温度参数等措施, 可以提高柴油机尾气颗粒净化器的净
22、化效率，并且可以延长其使用寿命。第一次综合检测（无过滤材料在电机告诉旋转下所得数据）Rpm T HC CO2 CO NO O2高怠速 2458 25oC 4*10-6 3.02% 0 0 0低怠速 796 26oC 3*10-6 2.90% 0 0 0第二次综合检测（由陶瓷过滤材料所得数据）Rpm T HC CO2 CO NO O2高怠速 2464 27oC 1*10-6 2.03% 0 1*10-60低怠速 796 27oC 1*10-6 1.30% 0 0 06表一 排气中各项成分对比数据四、结论（1）通过试验数据表明，设计出的尾气净化器在短时间试验过程中是可以起到净化尾气中颗粒及 HC、
23、CO 2的作用，且净化效果良好，尤其是在试验台操作的时候，效果更佳。（2）因净化器具有两部分装置，前部起分离作用，后部起过滤作用，试验结果不能表明哪部分装置的效果会更好，这将为下步研究作指向。（3）设计出的尾气净化器结构简单、维修方便、成本低、过滤装置可循环使用，净化颗粒效果好，且适用于所有汽车。待净化器技术成熟后，可大规模推广使用。参考文献1 Kong L, Yu K. A model for the spare-part distribution management in diesel engine industryC. 2010.2 李倩，谢云龙，钟依均，等. 柴油机碳颗粒物净化技术的
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