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柴油机排放颗粒后处理装置设计姓名(学校专业班级)指导教师[摘要]本次设计的目标是运用柴油机排放相关知识设计出过滤效率在98%以上的柴油机颗粒物过滤装置(DPF)系统为满足我国国情和设计要求,过滤体选用价廉实用的铁丝网卷合成圆柱状,再生系统选用反吹加热再生,加热源来自液化石油气LPG结合流体力学相关知识计算管长和管径等尺寸再生系统选择成熟的气体燃烧器和鼓风机,在合适的尺寸下与过滤装置进行装配接着结合汽车电子相关知识对整个系统进行电控化以达到最优化工作,这牵扯到大量的传感器应用知识,参数汇总计算,以及单片机技术最后本文中还设计了几种实验,用以对本次设计的装置进行优化[关键词]柴油机颗粒物过滤装置(DPF)过滤体反吹加热液化石油气LPG排气管Dieseldischargedparticulateafter-treatmentdevicedesigned()Tutor:Abstract Thedesigngoalistousetheknowledgetodesigndieselexhaustfiltrationefficiencyof98%ormoreofthedieselparticulatefilterDPFsystem.InordertomeetChinasnationalconditionsanddesignrequirementsthefilterbodyuseinexpensiveandpracticalsynthesisofcylindricalrollofbarbedwirerecycledrenewableheatingsystemselectedblowbackliquefiedpetroleumgasfromtheheatingsourceLPG.Knowledgeoffluiddynamicscalculationscombinedlengthandtubediameterandotherdimensions.RegenerationSystemSelectionmaturegasburnersandblowersattherightsizesandfilteringdevicesforassembly.Thencombinetheknowledgeoftheentireautomotiveelectroniccontrolsystemsinordertoachieveoptimalworkwhichinvolvesalargenumberofsensorapplicationsknowledgeparametersummarycalculationsandmicrocontrollertechnology.Finallythispaperalsodesignedseveralexperimentstothedesignofthedevicetobeoptimized.Keywords DieselparticulatefilterDPFFilterbodyBlowbackheatingLiquefiedpetroleumgasLPGExhaustPipe目录TOC\o1-3\h\z\u1绪论12机颗粒物的组成及生成机理23油机颗粒物排放后处理技术介绍
33.1柴油机氧化催化器(DOC)
33.2柴油机微粒捕捉器(DPF)
33.
2.1催化再生
43.
2.2喷油助燃再生
53.
2.3电加热再生
53.
2.4反吹再生
53.
2.5微波加热再生
63.
2.6连续再生64固定式反吹再生DPF总体设计
74.1过滤体的选择
74.2再生系统各装置的选择
74.3再生系统工作过程85各主要零件设计
145.1过滤体总成设计
145.
1.1过滤体尺寸设计
145.
1.2过滤体壳体的选择
145.
1.3排气管设计
145.2旁路系统的设计
155.
2.1旁路管尺寸设计
155.
2.2旁路单向阀的设计
165.
2.3旁路消声器设计
165.3反吹风管设计校核186燃烧器和鼓风机选择
226.1燃烧器选择和说明
226.2燃烧器注意事项
226.3鼓风机的选择267安装后试验方法
277.1实验器材
277.2实验方法278多空泡沫金属新型过滤材料的介绍
298.1泡沫金属材料和陶瓷材料的对比分析
298.2多孔泡沫金属炭烟过滤机理分析299几种过滤体分析方法
309.1Happel-Kuwabara单元模块分析
309.2过滤体效率测试
309.3过滤体的改进3110关于我国未来DPF的应用思考32致谢33参考文献341绪论近年来,柴油机在汽车中的使用日益广泛,轿车柴油机化也将是未汽车行业的发展趋势,因为它与汽油机相比,具有良好的经济性、动力性和可靠性,以及较高的热效率和较低的CO、HC排放,但较高的NOx和颗粒物PM排放成为限制柴油机发展的主要障碍为满足对车用柴油机不断提高的排放要求,柴油机排气后处理问题成为了人们研究的焦点柴油机排放的PM和NOx对环境有十分恶劣的影响科学研究表明,NOx排放可形成光化学烟雾,PM的排放则使人们致癌,降低其排放是当前热点控制柴油机对环境污染的首要任务是降低其NOx和PM排放量目前,世界各国都在致力于减少柴油机NOx和PM排放的技术研究随着人们对环境保护的重视,越来越严格的车用柴油机排放法规将会制定并实行由于机内净化技术的潜力有限,排放物的进一步降低必然要通过机外净化技术的采用油品质量的提高特别是硫含量的减少是降低柴油机PM排放的必经之路我国燃油硫含量过高限制了许多种类的颗粒物排放后处理技术的运用,因此我国应采用可靠性较高的主动再生柴油机颗粒物捕捉器我国从上世纪80年代中期就开始了DPF问题的探索和研究工作但进展缓慢对于DPF的材质和DPF的再生问题的研究依然没有得到实质性进展目前我国从事研发和生产DPF的企业不多国内基本无法提供具有成熟应用的DPF产品奥运前夕北京政府招标100台DPF安装在公交、环卫、邮政等系统的柴油车上作试点其中标单位全为外企本次毕设以公交车为实验对象2机颗粒物的组成及生成机理柴油机颗粒物组成主要由三部分组成,即固态的未燃碳颗粒聚合物(DS)、可溶有机物(SOF)、无机盐类及其它的一些聚合物柴油机微粒的主要成分是碳烟碳烟形成的条件是高温和缺氧由于柴油机的油气混合并不均匀,尽管总体上是富氧燃烧,但局部的缺氧还是导致了碳烟的生成一般认为碳烟形成的过程是烃类燃料中的烃分子在高温缺氧的条件下热裂解形成部分乙烯和聚合烯;乙烯和聚合烯在不断的脱氧后聚合成以碳为主的直径为2nm左右的碳烟核心;气体中的烃在这个碳烟核心表面的凝聚以及碳烟核心之间的凝聚使得碳烟核心的表面增大,成为直径为20——30nm左右的碳烟基元至此,碳烟的质量已经基本确定最后,碳烟基元堆积成微粒如图
2.1所示图
2.1碳烟PM的形成过程柴油机微粒中的硫化物主要来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据英国Ricardo研究所的研究,柴油机微粒中的有机HC成分主要来源于润滑油,这个来源约占微粒有机成分的74%在我国,由于我国化工炼油工业和内燃机制造工业的相对落后,柴油机排气中有较多硫化物成分,而且相当部分润滑油也形成为未燃烃类排出发动机3油机颗粒物排放后处理技术介绍
3.1柴油机氧化催化器(DOC)DOC以铂和钯等贵金属作为催化剂,主要降低微粒排放中的SOF的含量,从而降低PM的排放其氧化原理与汽油机三效催化器氧化HC和CO的原理基本一样,可以同时有效减少排气中的HC和CODOC能够氧化排气中的30%——80%的气态HC和40%——70%的CO,以及除去微粒物总量的30%——50%,这主要氧化了50%——80%吸附在碳粒表面的可溶性有机成分DOC对于纯碳粒几乎不起作用氧化催化器同时对于目前排放法规还未限制的有害成分(如多环芳香烃、乙醛等)都能净化研究表明DOC可以使有毒的部分减少68%,多环芳香碳氢化合物排放减少56%,乙醛减少70%自1995年以后,全世界至少有50万辆卡车和公共汽车加装了DOC系统DOC在氧化掉PM中的一部分SOF的同时也将尾气中的部分SO2氧化成硫酸盐,所以对于含硫量较高的柴油来说,使用氧化催化器将使微粒物排放中的硫酸盐比例增大,这样就降低了氧化SOF的效果,甚至使PM的排放增加另外燃料中的硫还会引起催化剂中毒,所以使用高硫柴油会极大的影响氧化催化器的净化效果,还会降低催化器的寿命因此,选择合适的催化器和使用低硫燃油就显得尤为重要氧化催化器存在的主要问题是高温老化和催化器中毒高温老化主要是由于贵金属在高温下发生了烧结而导致了催化剂活性点减少、性能下降;催化器中毒主要是由于排气中的硫酸盐及颗粒等成分覆盖了载体表面活性点而导致了催化性能下降催化器的高温老化是不可逆的,而催化剂中毒后可以部分恢复活性另外燃油中的硫含量过高,会导致排气经DOC时硫酸盐成分的增加,有可能导致微粒排放的升高,因而DOC必须与低硫柴油一起使用单独使用DOC时,会造成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,通过改变载体的材料构成,也可以提高DOC的抗硫老化性能例如通过选择低的SO2吸附载体材料和再多加一层无贵金属负载的SO2阻隔层的方法,在不影响HC和CO转化率的同时,降低了DOC中硫酸盐的生成量,提高了催化剂的抗硫中毒性能
3.2柴油机微粒捕捉器(DPF)DPF是柴油机微粒排放后处理的主要方式,它由收集排气微粒的滤芯和各类周期性的把滤芯中积存的微粒烧掉或氧化掉的再生系统所组成该技术的应用方法是先用DPF捕集废气中的PM,然后通过对收集的PM的氧化来使DPF再生该方法可以从柴油机排气中除去碳烟颗粒,其效率远超过90%微粒捕捉器关键技术不是PM的捕集,而是过滤芯材料和过滤体的再生因为,微粒手机其采用的是毛孔吸附法,吸附后的微粒粘在载体毛孔通道上,堵塞排气通道,对柴油机排气产生阻力,将会直接影响到柴油机的经济性和动力性因此,收集器的载体在使用一段时间后必须对其进行清理再生DPF再生的方法有2种
(1)通过在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层来降低PM的燃点,是的PM能在较低的温度下燃烧,一般称为被动再生;
(2)利用外界能量来提高DPF内的温度,使PM着火燃烧,称为主动再生也可以把2种方案组合起来使用,以确保过滤器得到可靠的再生,维护PM过滤系统在寿命周期内的正常工作目前,主动再生方法有喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生及反吹再生等;被动再生有燃油添加剂再生、连续再生以及催化剂再生等2种方法都有其优点,如主动再生对汽车工况没有要求,效率高,可靠性好;而被动再生有较好的燃油经济性,较低的成本,整个系统也比主动再生简单二者都需要优化控制再生策略
3.
2.1催化再生催化再生技术是利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能,使其能在柴油机正常排气温度下进行燃烧,实现微粒过滤器的再生在再生过程中,过滤体所受到的热负荷较小,因此提高了过滤体的寿命及工作可靠性催化再生技术主要有2种
(1)将催化剂提前浸渍在过滤提上,以降低过滤体上微粒的活化能,但由于固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀,因此很难完全再生另外,由于柴油机排气中的微粒含量很大,随着时间的进行,催化剂的作用会逐渐削弱或完全消失,即催化剂中毒,从而影响到过滤体的有效再生和对其它有害气体的催化净化效果;
(2)采用燃油添加剂,即在燃油中加入金属有机物,燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作用,使微粒着火温度降低,从而在较低的排气温度小,不需外部能源,过滤体能自行再生但是,燃油添加剂的燃烧产物金属氧化物随排气流经过滤体时,有一部分会沉积下来,积累在过滤体上的添加剂金属燃烧产物会堵塞过滤体空隙,缩短过滤器使用寿命若沉积物过多,被压上升,就会通过定期更换过滤体来解决由于我国柴油中的硫含量在110-3以上,远高与金属催化剂所要求的硫含量(低于510-5)标准,因此催化技术在我国的应用还需要一段时间
3.
2.2喷油助燃再生喷油助燃再生技术是通过一套专门的系统,适时地向过滤体上游空间喷入一定量的燃油和供给一定的空气,由点火系统将喷入的燃油点燃,使过滤体的温度上升,颗粒着火燃烧,以实现过滤体的再生再生系统很复杂,造价昂贵,而且容易出故障为保证过滤体的成功再生,要求再生燃油器具有点火可靠、燃烧完全及火焰分布均匀等特点如点火失败,将使燃料沉积在过滤体上,引起二次沉积和污染,并且容易引起爆燃燃烧不完全会使再生时排气冒烟,也会导致二次污染
3.
2.3电加热再生电加热再生技术与燃油助燃再生技术相类似,但它是以电能代替燃油燃烧加热空气或废气来实现对过滤体的再生这种再生技术对电功率要求较高,一般需要
1.5~3KW为了有效的利用电能,一般都采用废气旁通装置电加热再生是利用具有高导电性能的晶体SiC作为过滤材料,当需要再生时,将过滤体作为电加热元件直接对其通电加热,使沉积其上的碳烟颗粒升温燃烧,实现过滤体自身的再生因此这种再生技术系统比较简单,可控性好,并且在柴油机任何情况下都能对过滤体进行可靠的再生电加热再生对对车用电源的要求很高,在使用过程中需解决耗电量高的问题,结晶SiC的制造工艺复杂且成本高
3.
2.4反吹再生为了提高柴油机微粒过滤及再生系统的可靠性和使用寿命,将微粒的燃烧与过滤体分离开是一个有效的途径近几年,提出了一种新的有别于一般再生过程的再生技术,即反吹再生技术该再生过程的最大特点是能将过滤体与微粒燃烧分开,因此该系统不存在过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂和烧熔等问题,另外也解决了不燃物质在过滤体内累积的问题当过滤体需要再生时,压缩空气从过滤体出口出高速喷入,将微粒从过滤体表面清除,并落入微粒漏斗收集在漏斗内的微粒由漏斗内的销装电加热器连续燃烧掉
3.
2.5微波加热再生微波加热再生则是利用微波所独具的选择加热及体积加热特性,对沉积在过滤体上的对微波具有极强吸收能力的微粒以及过滤体本身进行加热,使微粒迅速燃烧微波再生时在过滤体内部形成空间分布的热源,对过滤体进行体积加热这种体积加热方式使沉积在过滤体内部的微粒就地吸热、着火及燃烧,过滤体内的温度梯度小,因而减少了热应力引起过滤体破坏的可能,无疑这些对过滤体的安全有效再生是十分有利的
3.
2.6连续再生连续再生微粒捕集系统(CRT)原理特点是在DPF或开放式的微粒氧化器(POC)前有1个特殊的氧化催化器,将排气中的NO转化成NO2,以提高排气中的NO2的浓度利用活性很大的NO2中的一个氧来氧化PM中的碳烟,以达到再生的目的同时CRT系统带来排放中的NO2比例升高问题,虽然排放法规是限定氮氧化合物总量,但是国外研究表明NO2毒性是NO的5~8倍,因此从真正清洁空气保护环境而不仅仅是追求排放法规要求角度,应用这一技术路线应考虑如何降低NO24固定式反吹再生DPF总体设计
4.1过滤体的选择过滤体材料的要求有四点(1高的微粒过滤效率;(2低的排气阻力;(3高的机械强度和抗振动性能;(4具备抗高温氧化的耐热冲击与耐腐蚀性其中,高的过滤效率与低的排气阻力是一对矛盾,选择材料时要综合考虑这两方面的性能目前,常用的过滤材料主要有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、编织陶瓷纤维、金属丝网与金属纤维毡等本设计过程过滤体材料选择金属丝网,为了进一步提高DPF的碳烟捕集率,提出了增加碳烟通过金属丝网的捕集路程、减少金属丝网线的间隙、以及改变金属丝网的编制方法等方案本设计过程采用由高密度带状铁丝网卷起制成的筒式滤芯,如图
4.1所示图
4.1过滤体实物图
4.2再生系统各装置的选择以LPG为加热源以市场上出售的LPG燃烧器燃烧、专用辅助风机与大容量鼓风机为基本构成并配以电控单元ECU将LPG燃烧放出的热功率设为23kW为了帮助燃烧燃烧器用辅助风机用的风量是
0.6m3/min燃烧后形成的高温燃烧气体进一步在混合室内与大容量鼓风机压入的空气进一步均匀混合稀释以设定的800℃的高温流出并进入DPF当开发金属丝网DPF安装在公交车后必须预防的问题之一是假如流入高温空气中央导管被堵塞或者是由于何种原因DPF没有及时再生时捕集的大量碳烟将使得金属丝网DPF的排气背压变的过高而导致公交车熄火为了防止这种突发故障在DPF上设置了旁通阀以及旁通管路其旁通阀和旁通管路如图
4.2所示当排气背压大于旁通阀的弹簧所设定的压力时旁通阀自动打开使尾气经旁通阀→旁通管路排除同时旁通管路内部结构就是一个消音器以保证从旁通阀管路排出的尾气不产生过大噪声图
4.2DPF及旁通管路
4.3再生系统工作过程它由LPG燃烧器、燃烧控制器、燃烧器用辅助风机、混合空气用鼓风机、变频器和电控单元ECU等基本单位构成燃烧控制器系统中使用限位、联锁限制安全动作范围,通过检测燃烧装置火焰的火焰监测器,监视燃烧状态来自火焰监视器的信号,经过烧嘴控制器,转换成操作部必要的信号,使安全切断阀动作万一,因燃烧装置发生某种故障,导致烧嘴不着火或者断火等异常情况产生的场合,火焰监视器检测到燃烧火焰异常,传送信号至烧嘴控制器,使安全切断阀关闭,防止燃料流人燃烧室内火焰检测器或者烧嘴控制器发生故障的场合,燃料切断阀动作,但具有不起动烧嘴的安全回路功能燃烧控制器的作用是使燃料安全燃烧打开总开关,鼓风机l以初始频率30Hz,鼓风机2以频率50Hz开始工作,此时ECU开始计时时间为t1,压力传感器检测风室压力,当风室压力大于P1,设定工作的最小压力为一个大气压时,由ECU给出控制信号,打开燃烧控制器,给定i为1,给定鼓风机1的频率为40Hz,给定目标温度400℃,由出口热电偶检测温度T,热电偶把模拟温度信号给温控仪表,温控仪表把温度信号转变为数字信号给ECU,当热电偶检测到的温度达到加400℃时,给定i加1,给定鼓风机1的频率为45Hz,给定目标温度500℃,当达到要求,继续循环,当i为4时,给定鼓风机l的频率为60Hz检测出口温度T是否小于容许的最大温度Tmax,当出口温度T小于Tmax时,再次检测出口温度并与容许的最大温度比较,当T仍小于Tmax时,比较T与目标温度Tg设定为800℃之间温度差值,当差值大于Tz温度差值设定值50℃时,给定A为5,当差值小于Tz温度差值设定值50℃时,给定A为l,利用频率修正公式F=F×1+i×T一Tg/Tg,给定鼓风机l频率F,测试时间t2,当t2与t1的差值大于工作时间ts设定工作时间20min时,停止工作,再生结束在工作过程中,当所测风压PP1时,说明有可能漏风,此时风机报警,错误计数器加1,停止工作当所测温度T大于Tmax时,说明燃烧温度过高,有可能损坏设备,此时风机关,停止燃烧,过热报警,错误计数器加1,停止工作整个装置由ECU控制,燃烧控制器控制燃烧,LPG燃烧生成的热空气从如图
4.4所示DPF下端的小口进入DPF,对DPF中的PM进行加热,使DPF中的PM燃烧,从而实现DPF的再生图
4.3系统结构示意图图
4.4DPF结构示意图图
4.5控制流程程序图5各主要零件设计
5.1过滤体总成设计
5.
1.1过滤体尺寸设计过滤体孔隙过大不利于过滤效率,过小排气背气压增大,所以要选择合适的孔隙结合对排放颗粒直径的研究选择孔隙为
0.4mm的铁丝网在微粒捕集器的实际应用中微粒捕集器与发动机排量之间的关系为Vcot=l~2Vp(Vp为排量)选取柴油机排量Vp=
8.12L取Vcot=
1.6Vp,计算得Vcot=13L一般排气压力在
0.01~
0.6Mpa才可以不影响发动机的正常工作本实验选择的发动机排气压为
0.5Mpa,最终排气压力为
0.02Mpa由公式P1/P2=A2/A1=D22/D12得过滤体大概外直径D2==250mm内直径因反吹管而定d2=30mm由体积和直径可以得出过滤体长度L1=4Vcot/2502-302=304mm,考虑到过滤材料对尾气的阻力选L1=280mm
5.
1.2过滤体壳体的选择过滤体壳体由圆柱部分和圆锥部分构成,壁厚=5mm和发动机排气管一致进气端设计为突然扩大以达到涡旋有利于扩散过滤,出气端设计为45o逐渐缩小以利于排气圆柱部分内直径d3=250mm外直径D3=260mm长度由过滤体长度而定中和考虑L2=410mm锥形部分大圆和圆柱部分螺栓连接,小圆部分和排气管螺栓连接壁有开口朝内是由反吹管插上连接,外部与反吹管由螺栓连接
5.
1.3排气管设计排气管的长度和流通截面积越小越有利于排气能量的利用但也不能过小定义排气管长度影响系数L为压力波在排气管中从一端传到另一端并返回起点的时间和曲轴每转1°CA所需的时间之比则:L=12Ln/aT(L——排气管长度m;n——发动机转速r/min;aT——当地声速m/s;一般L=30~50°CA)即L=L.aT/12n(n=2000r/minaT=340m/s)计算得L为2550mm~4250mm所以本次设计的尺寸应该在排气管范围内
5.2旁路系统的设计
5.
2.1旁路管尺寸设计旁路管直径选择较小于排气管,以利于加工和排气压力波增大,选择外径D=50mm壁厚5mm旁路管长度按照过滤装置长度定,尺寸合适即可,初选1070mm计算旁路的排气压力差
(1)排气管到旁路管的突然间小压力损失△P=HfgHf==
0.64查表得由与测量得排气流速在
0.5MP时平均流速在50m/s代入上式得:△P=
0.
731.205502/2=
0.0012MP2旁路排气管长度对排气压的影响首先计算Re、选择指数n==是湍流查表得=根据求L的计算公式因所以L=将代入,则代入数值=
1.205Kg/m3R=
0.02m△P选最大差
0.5MP,分别以、、代入上式,可得A、B、C三点的混合长度为LA=
0.047mLB=
0.078mLC=
0.083m数据显然大于管径显然压力降远小于
0.5MP计算沿途阻力系数=
12.
410.7R=
0.028(显然压力降远小于
0.5MP)所以管径和管长对压力降影响在合理范围
5.
2.2旁路单向阀的设计本次设计选用锥阀式普通单向阀设定当过滤体再生失效时,背气压大幅度增加,当超过正常排气压
0.5MP时,阀芯被推开,旁路阀工作,开口和进口公称直径为d=50mm,公称压力p=
0.5MP~2MP可手工调节
5.
2.3旁路消声器设计消声器分类常用的消声器结构有很多种,根据消声原理的不同,一帮可以分为以下几种,阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器和微穿孔板消声器
(1)阻性消声器的消声原理和抗性消声器完全不同,它是利用内部的吸声材料或吸收结构的吸声特性达到降低噪声的目的阻性消声器一般情况下不是在所有频率内都有很好的声学性能,哥哥频率段的噪声被吸收的多少差别很多当声波从入口段进入消声器管道以后,因为空气运动产生的摩擦生热作用和空气的流体粘滞作用,声能量主要转化为热能的形式散发,从而达到消除噪声的目的,也因为阻性消声器的小声性能主要是因为摩擦生热所以在高频范围内阻性消声器有良好的消声能力,对比起来低频范围的声学性能不够理想
(2)抗性消声器主要是利用不同形式的结构具有不同的声学特性这一特征进行消声的,也因此被叫做声学滤波结构此种消声器式一种利用声波在消声器内部向前传播时遇到截面发生变化使声波发生反射的结构由此可见,这种靠声波发生反射的消声器本身没有直接吸收声波能量的功能,并且抗性消声器的声学特性与阻性消声器特点完全不同,抗性消声器主要被用于控制中、低频段噪声抗性消声器在不同频率有不同的消声特性,其决定因素是本身的结构参数抗性消声器内部没有安装具有吸声能力的玻璃棉等阻性材料整个结构采用全金属的制造方式,所以温度较高的地方一般使用抗性消声器同时,全金属结构还具有以下优点抗腐蚀能力大、生产成品低、使用寿命长,在汽车排气噪声的控制方面得到了广泛的应用一般分为扩张式,共振式等类型
(3)阻抗消声器式在前面两个消声器的基础上发展起来而又有别于阻性消声器和抗性消声器的一种新型消声器阻抗消声器顾名思义既有阻性消声器的特点又兼备抗性消声器的消声能力这是由阻抗消声器的结构决定的阻抗消声器式阻性消声器和抗性消声器的有机结合,因为兼备两种消声器的特点,所以在低频和高频都有不错的表现从原理上看,阻抗消声器中的阻性成分“内部填充的阻性材料,使其具有较好的高频消声能力”,抗性消声能力是由内部的单节扩张室结构或者共振结构等决定的,所以在中低频也具有不错的消声能力
(4)微穿孔板消声器一般是用较薄的金属板制成,通过薄板上直径较小的孔,形成高声阻的吸声元件穿孔板的消声性能相比单节扩张式消声器有不同的消声特性在中频段会出现一个共振频率,出现一个较大的消声峰值这种消声器消声性能的影响因素很多,穿孔率、穿孔厚度、小孔直径的大小等很多因素都会影响消声器的消声性能,具体参数对消声本次设计采用阻性消声器,形式选圆形直管式,直径D=150mm;进气管穿孔,管直径d1=60mm排气管直径d2=60mm长度L=300mm如图
5.1图
5.1消声器示意图
5.3反吹风管设计校核
(1)反吹管分两部分DPF壳体内和壳体外,壳体内长度一定在水平部分410mm
(2)直径可以通过公式计算式中d——管道内直径,mm;Vf——流体体积流量,m3/h;u——流体平均流速,m/s;W——流体质量流量,kg/h;ρ——流体密度,kg/m3通常可由图
5.2或图
5.3查得管径由图得出管径选则为外径30mm壁厚5mm图
5.2流速、流量、管径计算图图
5.3液体、气体经济管径图
(3)拐角和管长对压力降的影响运用当量长度法也就是将管件和阀门等折算为相当的直管长度,此直管长度称为管件和阀门的当量长度计算管道压力降时,将当量长度加到直管长度中一并计算,所得压力降即该管道的总摩擦压力降常用管件和阀门的当量长度见表
5.1由表得选斜接弯管45°则Le=15D=450mm则相当计算总长为L=450+410=850mm的管表
5.1常用管件以管径记的当量长是湍流(式中选定流速大于100m/s)湍流时
0.7R=
0.07式中d——管道内直径,mm;W——流体质量流量,kg/h;Vf——流体体积流量,m3/h;µ——流体粘度,mPa·s;——流体速度m/s;——运动粘度m2/s代入数值=
0.07,L=1070mm,=100m/s,d=20mm,ρ=
1.205Kg/m3,得Mp由此可得管径和管长对压力降影响很小6燃烧器和鼓风机选择
6.1燃烧器选择和说明燃烧器选择主要考虑以下几点
(1)尺寸大小;考虑到公交车的容纳空间我们认为燃烧器尺寸长宽应为4030
(2)燃烧功率;考虑到过滤体的再生温度650℃到1000℃,我们选择的燃烧器应该有较大的最高功率
(3)电控系统;现在各种车辆都有较先进的电控系统,依靠传感器和电控系统可以对再生系统的频率和程度有较好的控制
(4)耗电量;汽车的电瓶有限所以整个系统的耗电量要小,这对可靠性有较好的提高,也可以节能
(5)简单易修可靠性;对于整个反吹风过滤系统都要简单,可靠,因为成本的增加会使采购意愿产生挫折感,这对于大规模普及不利,如果快速普及可以在短时间内解决我国排放问题
(6)燃料应该是污染低的气体燃料;气体燃料是现在流行的低污染汽车燃料,所以反吹风的燃料选LPG,燃烧器是气体燃料燃烧器综上所述我选百得燃烧器,原因是他有多的型号和详细的说明通过示意图和参数的分析应选TBL130PDACA这个型号参数如表
6.1所示表
6.1燃烧器参数图
6.2燃烧器注意事项一般性注意事项
(1)本说明手册对于产品来说是必要的,是产品不可分割的一部分,一定要提供给顾客请仔细阅读本手册,其中包含有关安全地安装、使用和维护产品的重要信息请保留本手册以备需时之用
(2)必须依照现行的规则和制造商的指导,由有资格的技术人员来安装设备有资格的技术人员意思是能够胜任民用供热和热水生产领域的工作,或者是制造商授权的帮助中心安装不当可能引起损害和对人员、动物或物品的伤害这种情况制造商不负责任
(3)打开包装后要确认所有的部件都齐备并且完整如有疑问就不要动里面的设备并把它还给供货商所有的包装材料木板、钉子、塑料袋和膨胀聚苯乙烯等一定不要放在儿童能够触及的地方,以免对他们造成伤害一定要把这些包装材料收集好放在合适的地方以免污染环境
(4)在对设备进行任何的清洁和维护之前,一定要关闭设备电源,使用系统开关或者将系统关闭
(5)如果出现任何故障或者设备不能正常工作,将其停机,不要试图修理或者改动这种情况下,应该跟有资格的技术人员联系任何对于产品的维修均应由百得授权的服务中心使用原厂配件来进行以上提到的任何故障,均可能影响设备的安全性为保证设备能够有效正常地工作,由有资格技术人员按照生产商的指导对设备进行定期维护是必要的
(6)如果设备被出售、所有者变化,或者被移动或闲置,本说明手册一定要始终与设备在一起以便新的所有者或者安装者能够利用它
(7)对于所有可使用可选零件和组件包括电气的设备,一定要使用原装配件燃烧器
(1)设备必须只能作以下声明的用途用于锅炉、热风炉、烤炉或其它类似设备并且不能暴露在可能对设备造成危害的环境中其它的的使用均为不正确且是危险的
(2)设备必须根据现行规则安装在通风良好的合适的房间内且要保证供应足够的空气进行良好燃烧
(3)燃烧器空气进口不要有阻碍使进风口面积减小,也不要阻碍房间通风,避免形成有毒或有害气体
(4)对燃烧器进行联接前,检查铭牌上的内容,确认燃料所有的供应正确电源、燃气、轻油或其它燃料
(5)不要接触燃烧器上温度较高的部位通常这些部位靠近火焰或者燃料预热装置,运行温度很高,在燃烧器停机后也会保持一段时间的高温
(6)如果不再使用燃烧器了,须由合格的技术人员完成以下工作a断开与主电源的联接b关闭截止阀并将控制手柄拿走,切断燃料供给c对所有潜在危险部件做无害化处理特别注意事项:1检查燃烧器在锅炉上的安装,确保安装正确、安全,并使火焰完全在燃烧室内2启动燃烧器前,由有资格人员进行以下工作,最少每年一次a将燃料的流量设置为保证锅炉所需热量b调节燃烧空气的流动,以获得要求的工作范围c检查燃烧情况,确保产生的有毒物质和未燃烬气体含量不超过现行规则的要求d确认调节和安全装置工作正常e确认燃烧产物排除通畅f确认在调节完成后,所有调节装置的机械安全系统均密封良好g确认使用和维护说明书在锅炉房内使用须知:1如果燃烧器重复停止在锁定位置,不要频繁地手动复位这时应让合格的技术人员来解决问题2设备的运行和维护均要根据现行的规则,由合格的技术人员来执行电源:1根据现行规则正确联接且良好接地后,电气设备才是安全的有必要对必要的安全要求进行确认如有疑问,让合格的技术人员进行仔细地检查对于接地不好引起的损害,生产商不负任何责任2让合格的技术人员对接线进行检查,确认能够满足设备消耗电功率最大时的安全3对设备的供电不能使用适配器、插头和延长电缆4主电源电路上要有熔断开关5燃烧器电源的中线要接地如果火焰检测电路的中线没有接地,就要将端子2中线与RC回路的接地联接6使用任何用电设备,均应遵循一定的基本规则,包括-如果身上有水、潮湿或者脚湿的时候不要身体任何部位接触这些设备-不要拉电线-如果不是适宜型号,不要将这些设备暴露在有危险的环境如雨天或阳光下-不要让孩子或不专业的人员操作这些设备7客户不得更换供电电缆如果电缆损坏,停机,让合格的技术人员进行更换8如果暂时不使用设备,则建议切断系统向所有用电设备泵、燃烧器等的供电燃料供应:一般性注意事项:1必须依照现行的法律和规则,由有资格的技术人员来安装设备安装不当可能引起对人员、动物或物品的伤害,这种情况制造商不负责任2建议安装前对燃料供应系统管道进行仔细的内部清洗,清除任何可能影响燃烧器正常工作的残渣3如果是初次使用燃烧器,须由合格技术人员执行以下检查a检查锅炉房内外燃气的密封性b将燃料的流量设置为能够保证锅炉所需热量的合适值c确认供给燃烧器的燃料流量与燃烧器要求的相符d确认燃料进口压力与燃烧器铭牌上的标示相符e确认燃料供应管直径足够大以保证供应所需燃料量,并且根据现行规则,管路上要有安全装置4如果将有一段时间不使用设备,断开燃料的供给使用燃气的特别注意事项1须由合格技术人员根据现行规则执行以下检查a供气管路和阀组符合现行法律和规则b所有燃气管路的联接均密封良好2如果闻到有燃气a不要使用任何开关、电话或其它任何可能产生火花的设备b立即打开门窗,让新鲜空气冲走室内燃气c关闭燃气阀d向合格的技术人员求助3不要利用燃气管来作为电气设备的接地4设备不使用的时候要将其关闭,并且将燃气阀关闭5如果将有一段时间不使用设备,断开主燃气的供给6如果室内有燃气管路,或者因为出现有毒气体和易爆气体而产生危险情况的环境须保持通风良好
6.3鼓风机的选择鼓风机选择的要素
(1)尺寸大小;鼓风机大小应在直径350mm内,对于车内狭小的空间,我们要使用小的鼓风机,而且鼓风机还要轻
(2)功率大小;功率大小要
0.2KW以上,风量在6m3/min鼓风机如图
6.1所示图
6.1鼓风机7安装后试验方法
7.1实验器材SEMTECH-DS车载尾气分析系统MAHA-MPM4颗粒物测量装置如图
7.1a装有DPF反吹风系统的公交车发动机台架实验平台
7.2实验方法在发动机实验台架上,根据相关标准对实施效果进行评价,颗粒物的基本测量方法是滤纸称重法,其它方法只能作为辅助手段;因为目前各种粒径分布测量方法都是基于气溶胶的测量原理进行实验,不同原理方法之间的差别较大,并且都不能等同滤纸称重法;建议对技术改造后的非常规污染物进行监督评价,检验是否有新生污染物;应按照相关耐久性标准,进行耐久性实验实验步骤
(1)检查准备实验器材
(2)在台架试验上组装发动机和DPF准备测试数据如图
7.1b
(3)连接好线路,打开设备
(4)开启发动机,检查运行情况,如果异常即可停止进行问题探讨和修改,甚至进行设计上的修改
(5)如果运行情况正常则记录测试数据
(6)分析实验数据,得出DPF对PM的减少起多大作用,各种排放物减少的量
(7)当完成台架试验后,对整车安装DPF和各种实验器材如图
7.1c
(8)测试运行情况并记录测试数据
(9)综合分析台架试验和整车试验的不同并提出修改意见
(10)当该DPF运行良好并有良好的减少尾气排放中的PM后,则对汽车进行各种路况下的测试(a)颗粒物测试装置b柴油机台架试验(c)汽车整车试验图
7.1各种实验形式8多空泡沫金属新型过滤材料的介绍
8.1泡沫金属材料和陶瓷材料的对比分析过去由于价格低廉、制作工艺简单国内通常采用泡沫陶瓷材料作为过滤载体但因k下降率低、机械性能差、回热不均、热再生易破裂等因素一直制约了其发展研究表明具有一定孔隙尺寸的开孔金属泡沫体可用作高温气体和液体过滤材料与陶瓷材料相比金属材料的强度、韧性、导热性方面更胜一筹此外它还具有同等尺寸下重量轻、k下降率高、背压低等优点特别适于越野车、农用机械设备、军用移动电站等经常在恶劣工况下作业的柴油机;再生方面均匀的热度分布使其不会在加热过程中开裂或熔化因其高热传导率还可用作热再生装置的辐射加热器;在成本上应用粉末冶金技术可以降低其成本泡沫金属目前已有应用HJS与SHW等公司采用该材料制成的过滤体由泡沫合金骨架焊接而成与壁流式蜂窝陶瓷的结构相似它们的k下降率相当;在铁铬铝与堇青石的对比试验中同等尺寸下铁铬铝制成的载体壁厚可减小1/3大大降低了压力损失
8.2多孔泡沫金属炭烟过滤机理分析对于多孔材料而言对炭烟颗粒的捕集机理主要分为拦截、惯性碰撞、扩散及重力沉降等4种它们与微粒和过滤纤维之间的相对大小及相对速度有很大的关系4种过滤机理在柴油机排放微粒过滤中的作用是不尽相同的较小的微粒由于扩散作用而在纤维上沉积;较大的微粒则主要通过拦截和惯性捕集效应沉积;更大的微粒则以重力沉降方式沉积事实上柴油机排放微粒的过滤是几种机理综合作用的结果而其中惯性碰撞机理是主导方式这是因为金属纤维及各节点的尺寸都相对较大微粒的流速较高重量较轻等特点使得扩散、拦截、沉降的作用相对较小9几种过滤体分析方法
9.1Happel-Kuwabara单元模块分析在不考虑颗粒与纤维碰撞时发生的反弹以及由于颗粒吸附形成纤维表面增厚等复杂的物理过程时,一般认为纤维捕获颗粒的机理主要有:颗粒布朗运动、直接碰撞、惯性碰撞通过分析选定的颗粒尺寸、密度、纤维尺寸、流场情况,本文假定模拟过程中颗粒的捕获完全由于惯性碰撞机理引起,即由于惯性作用,颗粒在飞近纤维时偏离流线而与纤维发生碰撞并吸附模拟计算通过对纤维截面形状的宽高比、纤维角、颗粒尺寸等的研究与分析,确立纤维过滤器设计的指导原则并且,将通过运行于中型计算机或工作站的数值算法,通过Fortran90语言在微型机上得以实现,以利于推广
9.2过滤体效率测试颗粒过滤体效率测试的试验系统布置如图
9.1所示,NISSANTD23型4缸柴油机的废气经由排气管和过滤体后通往实验室的通风系统,在过滤体的上游和下游布置了温度计、压力计和采样管路管路中阀门A、B控制过滤体上游和下游采样的切换排气经过稀释器后,流向颗粒尺寸分析仪(TSITMSMPS3310,测量范围
15.96-673nm)SMPS将这段尺寸范围分割成64个区间并测量每个区间的颗粒浓度(个/cm3)稀释器用于将采样的发动机排气稀释到SMPS测量允许的浓度计算机用于保存和处理SMPS测得的数据图
9.1系统布置图
9.3过滤体的改进在试验中观察发现经过一段时间过滤器不锈钢纤维表面沉积着数量甚多的碳烟颗粒沉积的颗粒增加了过滤体的体积和表面积因而对过滤效率有增强作用因模型未考虑颗粒沉积时,在惯性和拦截捕捉效应明显的颗粒尺寸范围计算结果远低于试验结果因此推断在模型中考虑颗粒的沉积效应是模型改进的方向之一颗粒在纤维表面的沉积在对过滤器试验的整个过程中都在进行颗粒的沉积情况和发动机工况、试验持续时间和过滤器中排气流量相关另外颗粒浓度亦随过滤器内深度方向变化因此有必要对颗粒沉积量的计算进行简化在试验中测得颗粒集中在
0.016~
0.6m尺寸范围内按对数正态分布计算表明由于颗粒体积甚小且单纤维收集效率较低dp
0.15m时5%这部分颗粒在纤维表面的积累和增长作用较小另一方面通过APS尺寸分析仪对尺寸范围12~0m颗粒进行测量得到在各种发动机工作条件下过滤器上游的颗粒浓度约在0~10个/cm3范围内波动在对颗粒的沉积效果的初步估计时取前述各影响参数的中间值并取5m为120m尺寸区间设该区间上对数正态分布的中等尺寸在半试验周期内计算得到流过每个单元的该尺寸范围的颗粒总数约在5103个模拟计算得到沉积在纤维表面的颗粒数约为4102~5102左右10关于我国未来DPF的应用思考我国经济在经过高速发展的十年后逐步进入中等速度的发展,以前的经济发展模式在改变,今后将重视经济发展的质量而不是数量,经济的重点将集中在科技和绿色经济,今后汽车排放法规将更加严格鉴于我国人口总量的庞大所以环境的压力将是很大的,尤其是中东部地区人口密集环境破坏严重,加之工业密集使得污染问题成为近几年人们关注的热点,新闻中频现污染问题今年春节过后京津翼地区PM
2.5产生的雾霾天气使人们产生极大地关注度和反思,接着山东、陕西、河南等地也出现此类情况在其后政府迅速出台各种政策来减少污染,大批工厂停产,汽车限行,天气预报加入各种污染指数更有境外媒体夸大污染影响对我国国际形象产生负面影响所有的这些都促使中国将更加重视生态环境,人们将从发达国家过去的经验中寻找中的治理之路柴油汽车和其他柴油机械在我国经济发展中占有很大比重,但是柴油燃烧后产生的没有充分燃烧的颗粒物使得它成为PM
2.5污染的主力,但是减少柴油机械又不是可行办法,所以人们必须想出减少颗粒物排放的办法,DPF系统是减少颗粒物排放的办法之一,简单可靠的DPF将在未来得到广泛应用,随着我国对环境的重视,人们对DPF的研究越来越活跃,这主要是基于它在未来的广大市场,尽管国外技术成熟但是我国国情不同,国外的产品虽然先进高效但是价格大、适应性差,这主要是我国燃油的标准低含硫量高所以国内的公司期望研发简单,有可观捕捉能力的DPF这不仅可以占据我国市场也可以扩大到广泛的第三世界国家因为进入21世纪,整个世界对于环境关注度有很大提高,气候论坛对于污染问题不断扩大,而我国对外界做过一定承诺,这也使得我们有很大的紧迫感今年在北京上海优先进行了欧Ⅴ标准的实现,燃油也有较大的提高这是对于很多种类DPF是有利的但我国的公司研发的DPF集中在公交等车辆,更广大的像卡车、工程机械、发电厂、船舶等柴油燃料机械却没有相配套DPF这和采购能力有关,所以政府必须向研发单位进行奖励或补贴,对于采购能力不强的行业进行补贴或无偿提供作为研发部门应该积极扩展各种有前景的环保行业从不同的柴油机械出发,研究不同的DPF,迅速使产业链建立起来,形成成熟行业对于世界先进概念颗粒物捕捉器我们要关注,像电磁捕捉、微波加热再生、催化及捕捉集成模块化、先进的电控技术、新型陶瓷材料过滤体等致谢在本次设计的过程中我回顾了大量的以前学过的只是,回忆起整个大学阶段的学习过程每门课程都有一个美好而独特的记忆,不同的老师,有时是不同的同学每一门课程在学的时候我们不一定重视而且也不一定能理解,当完成这次系统性综合性很强的毕业设计后我感觉又重新学习了一次这是一次很有意义而且很难忘的的经历,我们学会的不仅是知识还有人生道理,这对于我们即将走上工作岗位有很大帮助毕业后我们将会步入我们陌生的人生道路,再也没有人能一次一次的给我们不厌其烦的讲解该怎样做,一切都要靠我们自己去主动获取,也许这次我们克服一系列设计难题的经历是一次演习当然这次设计的完成有老师的帮助,他们让我们尽量自己克服,在关键节点给与我们关键性的指导对于一个即将脱离学校的人来说和老师的最后时刻是那么的美好,也许是最后的时刻给了我们师生之间更美好的情谊没有人能忘记这一段我们从学生到社会人的时光,所以没有人能忘记这一段时期内的人或事最后我要感谢参考文献的作者,尽管我不认识他们但是他们对我的论文有很大的帮助我们很多的同学都对那些科学工作者把研究成果给予学生们参考表示感谢参考文献
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3.
3.1系统结构示意图火焰检测杆减压阀安全切断阀燃烧室高温混合气副阀点火变压器LPG烧嘴控制器鼓风机1开始风机开F=F1时间t1NPP1Y燃烧器开i=1TG=TGiF=F2i出口温度TNTTGYi=i+1i4TG=TGiF=F2iNYNYNi=A1出口温度测量TYNi4N风机报警风机频率F3TTmaxTTmaxT-TgTzi=A2YF=F1+iT-Tg/Tg风机关风机频率F过热报警测量时间t2t2-t1tsNY停止处理ERRCNT=ERRCNT+1ERRCNT=ERRCNT+1结束热功率消耗电功率点火变压器电压火焰检测重量最大最小TBL130PDACA
2.6KW1300KW400KW25KV–30Ma–230V/50Hz3N~400V±10%-50Hz52kg光敏电阻排气4缸柴油机过滤器下游P、T过滤器上游P、T颗粒过滤器通风系统阀A阀B计算机SMPS稀释器。