（动力机械及工程专业论文）壁流式陶瓷过滤体的开发及应用研究.pdf

摘要 根据改善环境和降低柴油机微粒排放的需要，在国家高新技术发展计 划( 8 6 3 计划) 项目“柴油机微粒捕集器关键技术研究及产业化”的资助下， 本论文开展了壁流式陶瓷过滤体的研究。 根据开发高过滤效率、低排气阻力壁流式过滤体的需要，本文建立了 用于过滤体性能评价的气体流动阻力试验台、微粒捕集特性试验台以及_ 冲 击考核试验台；在此基础上开展了过滤体的性能试验与评价工作。过滤体 性能试验与评价工作为过滤体的开发与改进提供了方向和依据。 本文参考有关文献，建立了壁流式过滤体的微粒过滤模型，在此基础 上分析了壁流式过滤体的三种过滤机理，并对影响过滤体综合捕集系数的 各种影响因素进行了研究。 壁流式过滤体的两个重要性能指标是过滤效率和气流阻力。在参考有 关文献的基础上，本文选择并建立了壁流式过滤体过滤效率模型与气流阻 力模型。在此基础上，对壁流式过滤体的气流阻力特性及微粒过滤特性进 行了系统的分析，得出了许多有价值的结论。 为了使壁流式过滤体在实际应用中达到较高的过滤效率和较低的气流 阻力，同时也为了便于过滤体的实际生产，本文开展了壁流式过滤体结构 参数优化的研究。通过研究得到了壁流式过滤体的结构优化参数。 在壁流式过滤体实际应用过程中，过滤器的结构参数对过滤体的使用性 能及使用寿命有着非常重要的影响。本文利用p h o e n i c s 软件计算分析了排 气流速及过滤器结构参数对过滤器内排气速度分布均匀性及微粒分布均匀性 的影响规律。在一般型过滤器的基础上，从改善过滤器内排气速度分布均匀 性及微粒浓度分布均匀性的角度出发，提出了渐扩型过滤器和附加导流体的 过滤器两种过滤器的设计思想，并对三种结构形式过滤器内的排气速度分布 均匀性及微粒浓度分布均匀性进行了计算分析和比较。 本论文的工作对壁流式过滤体的研究与开发以及过滤器的合理设计具 有一定的指导意义。 关键词：壁流式陶瓷过滤体过滤效率排气阻力性能 i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e mo fi m p r o v e m e n to fe n v i r o n m e n ta n d r e d u c t i o no fd i e s e lp a r t i c u l a t em a t t e re m i s s i o n ，a n ds u p p o r t e db yt h ep r o g r a m o ft h en a t i o n a lh i 曲t e e hk e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a n ( 8 6 3 p l a n ) - t h e r e s e a r c ho fk e yt e c h n i q u ea n di n d u s w i a l i z a f i o no fd i e s e l p a r t i c u l a t e m a t t e r f i l t e r , t h ep a p e r i n i t i a t e st h e 咖d yo fc e r a m i cw a l l f l o wf i l t e r t od e v e l o pt h ew a l l f l o wf i l t e rw i t hh i 曲f i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya n dl o wt r a p p r e s s u r ed r o p ，w eh a v eb u i l du pt h r e ek i n d so f t e s t - b e d si n c l u d i n gt h a to fg a s f l o w r e s i s t a n c e o f p a r t i c u l a t em a t t e rf i l t e rc h a m e t e r i s t i ca n d o f t h es t r e n g t h 0 n 也eb a s i so ft h et e s tb e d s w ew o r ko nt h ep e r f o r m a n c et e s ta n de v a l u a t i o no f f i l t e r sw h i c hp r o v i d et h ed i r e m i n na n df o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n ta n d i m p r o v e m e n t o ff i k e r s a f t e rr e f e r r i n gt or e l e v a n td o c u m e n t a t i o n , w es e tu pt h ef i l 订a t i o nm o d e lo f t h ec e r a m i cw a l l f l o wf i l t e r o nt h eb a s i so ft h em o d e l ，w ea n a l y s et h et h r e e k i n d sf i l w a t i o nm e c h a n i s mo fw a l l f l o wf i l t e ra n ds t u d ya l lk i n d so f p a r a m e t e r s i n f l u e n c i n g t h eo v e r a l lf i l t e rc a p t u r ec o e f f i c i e n t t h et w oi m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fc e r a m i cw a l l - f l o wf i l t e ra r e f i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya n dt r a pp r e s s u r ed r o p a c c o r d i n gt or e l e v a n tr e f e r e n c e s ， t h ep a p e re l e c t st os e tu pt h em o d e lo ff i l t r a t i o ne f f i c i e n c 3 7a n dt r a pp r e s s u r e d r o p ，t h r o u g h t h et w om o d e l s t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n y 8 e s t h ec h a r a c t e r s o fg a sr e s i s t e n c ea n dp a r t i c u l a t em a t t e rf i l t r a t i o na n dd r a w sm a n yv a l u a b l e c o n c l u s i o n s i no r d e rt or e a c hk g h e rf i l 廿a t i o ne f i q c i e n c ya n dl o w e rt r a pp r e s s h r ed r c 码 f ( 】rt h ew a l l f l o wf i l t e ri n p r a c t i c e a n df a c i l i t a t ei t s p r o d u c t i o n t h ep a p e r i n i t i a t e st h es t u d yo no p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r ep a r a n a e t e ro f t h ef i l t e ra sa r e s u l t w eg e tt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e n d u r i n g t h ea c t u a l a p p l i c a t i o n o ft h ew a l l - f l o wf i l t e r t h es 妇o n 2 陀 p a r a m e t e ro f t h ep a r t i c u l a t ef i l t e rs y s t e mh a sg r e a te 位c t so nt h ep e r f o r m a n c e a n dl 如s p a nf i l t e r t h r o u g ht h es o f t w a r ep h o n i c s ，t h ep a p e rc a l c u l a t e sa n d a n a l y s e st h er u l e so fi n f l u e n c e o ft h ev e l o c i t yo ft h ee x h a u s tg a sa n dt h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so ff i l t e rs y s t e mo n o nt h eb a s i so ft h en o r m a lp a r t i c u l a t e f i l t e rs y s t e m ，a n dt oi m p r o v et h ed i s l r i b u f i o nu n i f o r m i t yo fe m i s s i o nf l o wa n d t h ec o n c e n t r a t e dp a r t i c u l a t ei nt h ep a r t i c u l a t ef i l t e rs y s t e m ，t h ep a p e rp r e s e n t s t h e d e s i g n o ft w ok i n d so fp a r t i c u l a t ef i l t e rs y s t e m si n c l u d i n gg r a d u a l l y e x p a n d i n gt y p ea n df l o wi n d u c t o r a d d e do n ea n dc a l c u l a t e s ，a n a l y s e sa n d c o m p a r e st h ed i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t y o fe m i s s i o nf l o wa n dt h ec o n c e n t r a t e d p a r t i c u l a t e i nt h e p a r t i c u l a t ef i l t e rs y s t e m o f t h r e ek i n d so f s t r u c r t t r e t h e p a p e rh a sc e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c eo n t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n t o f w a l l f l o wf i l t e ra n dr e a s o n a b l ed e s i g no f f i l t e r k e y w o r d s ：c e r a m i cw a l l - f l o wf i l t e r ；f i l t r a t i o ne t f i e i e n e y ；t r a pp r e s s u r ed r o p p e r f o r m a n c e 第章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 伴随着内燃机技术的进步，全球的汽车工业得到了迅速发展，汽车保 有量由二十世纪5 0 年代初的o 7 亿辆跃升到9 0 年代的6 4 亿辆。现在全球 每年生产汽车5 0 0 0 万辆以上，预计2 0 3 0 年时全球的汽车保有量将超过1 0 亿辆 n 。在为这个数字感到惊喜的同时，却不得不忧虑，如此多的汽车， 它们所排出的污染物会对环境造成多大的影响。众所周知，汽车排出的污 染物是地球生态环境的一个重要污染源，有关资料表明，汽车排出的污染 物是目前增长最快的空气污染源【2 ，大城市的大气污染物中就有6 0 来自 汽车的排放川。 随着全球环保意识的不断加强，治理汽车排放的呼声也日益高涨。早 在1 9 5 7 年，美国的加利福尼亚州就颁布了世界上第一部汽车排放法规。随 后，许多国家和地区也相应地制定了自己的排放法规，从而形成了以美国、 日本和欧洲为代表的三大汽车排放法规体系 4 】。与此同时，各国都开展了 内燃机排放净化技术的研究，经过几十年的努力，取得了丰硕的成果。但 随着各国排放法规的要求日益严格，对汽车排放净化技术的研究提出了更 高更严峻的挑战，国外的汽车厂商纷纷提出了“先满足法规，再满足用户” 的口号。因此，未来的内燃机不仅要有良好的性能指标，还必须符合环境 保护的要求，这已经成为全球的共识瞌j 。 目前，我国汽车总的拥有量与发达国家相比要少得多( 以北京、东京 和洛杉矶为例，汽车保有量分别为：北京约2 0 0 万辆，东京约4 3 0 万辆， 洛杉矶约8 0 0 万辆) ，但是由于中国的汽车排放水平低下，仍处于国外发达 国家二十世纪7 0 年代的水平，因此空气中有害物的浓度反而大大超过发选 国家；全世界2 0 个大气质量最差的城市中，中国就占了l o 个。在北京商 内，汽车排出的污染物已成为左右空气污染指数的首要污染物。我国“十 五”规划中对汽车工业提出了以下的要求：到2 0 0 5 年汽车产量达到3 2 0 万 辆，其中轿车产量为1 l o 万辆，汽车工业增加值为1 3 0 0 亿元占国内生产 第一章绪论 总值的1 左右。这就要求我们必须尽快提高汽车的排放水平，否则将会对 环境造成更大的污染。 中国对汽车排放的研究起步较晚。1 9 8 3 年颁布了第一套6 个汽车排放 标准，标志着中国的汽车排放控制工作开始起步。1 9 9 3 年国家环保局和国 家技术监督局联合颁布了新的排放标准。1 9 9 8 年7 月1 目，机械工业局公 布了控制汽车产品排放的工作方针和目标，同时建立了有关的管理体系和 运行制度，并提出了“全面控制，突出重点，科学治理，分步实施”的工 作方针，以期实现“现阶段达到欧洲八十年代中后期水平，到2 0 0 2 年达到 欧洲九十年代初期控制水平，2 0 1 0 年实现与国际控制水平同步”的总体目 标。这标志着中国对汽车排放控制工作的重视程度进一步提高。 在汽车动力装置中，内燃机一直是运用最广泛的动力装置。经过1 0 0 多年的不断改进，内燃机不仅热效率保持最高、功率密度大，而且使用寿 命长、工作可靠、操作方便、价格低廉，这是其它动力装置在短时期内难 以超越的。因此，在相当长的时间内，内燃机仍将是汽车的主要动力装置。 在内燃机中，柴油机与汽油机相比有更好的排放特性和燃油经济性，因此， 汽车的柴油化己成为必然。在欧洲，1 9 9 8 年柴油车的比例为2 5 ，2 0 0 3 年 达到了3 3 ，柴油化的趋势非常明显。中国汽车的柴油化也是一个必然的 过程f 6 】。 虽然柴油机有如此多的优点，但它产生的污染物却对环境有很大的危 害，尤其是微粒，这是柴油机产生的最主要的污染物之一。各个国家对柴 油机的微粒排放都有严格的要求。近年来，中国也开始加强对柴油机微粒 排放的控制：2 0 0 0 年公布的车型认证中要求2 0 0 1 年新生产的柴油机微粒 排放要控制在0 3 6 9 k w h ( 相当于欧洲一号排放标准) ，2 0 0 3 年控制在 01 5 9 k w - h ( 相当于欧洲二号排放标准) ，这对我国柴油机的生产提出了很 高的要求。 玉五柴油机微粒酶缢成、危害及捧放法规 1 2 1 柴油机拌气成份和排气微粒的组成 柴油机燃烧后排出的气体中，以水蒸气、二氧化碳、氧气和氮气为主 2 - 第一章绪论 此外还包括微粒、一氧化碳、未燃的碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、 硫酸盐和醛等微量成份。其中受排放法规控制的物质主要有：微粒、氮氧 化台物、碳氢化合物和一氧化碳1 7 “9 3 。 与汽油机的当量空燃比燃烧方式不同，柴油机采用的是高空燃比燃烧 方式，因此它的h c 和c o 的排放量远低于汽油机，n o x 的排放量与汽油 机相当，丽微粒( p m ) 的排放量帮是汽油机的几十倍甚至上百倍。在柴、滴 机内，n o x 的生成与微粒的生成是一种t r a d e o f f 的关系，即在一定的条件 下降低n o x 的排放将增加微粒的排放，反之亦然。所咀，要在缸内处理技 术中完全把两者控制得好具有相当的难度。尽管柴油机的n o x 与汽油机处 于同一个数量级上，但是由于柴油机采用大的空燃比，柴油机废气中氧的 含量比较高，n o x 很难像汽油机一样被还原成氮气。在目前的柴油机缸内 净化技术中，排放控制的重点主要放在n o x 上，这样，微粒的净化处理就 只能放在燃烧之后了。 柴油机的排气微粒组成取决于柴油机的运行工况，尤其是排气温度。 当排气温度超过5 0 0 0 c 时，排气微粒基本上是很多碳质微球的聚集体( 台 少量氢和其它元素) ，称为碳烟，有时也称烟粒( s o o t ，缩写d s ) 。当排气 温度低于5 0 0 0 c 时( 柴油机绝大多数工况都是这样) ，烟粒会吸附和凝聚多 种有机物，称为可溶成份( s o l u b l e o r g a n i c f r a c t i o n ，缩写s o f ) 。排气微粒 分为d s 和s o f 两个部份。一般来说，s o f 占总微粒质量的1 5 一3 0 。微 粒中s o f 含有对健康和环境有害的成份，包括各种未燃碳氢化合物、含氧 在机物( 醛类、酮类、酯类、醚类、有机酸类等) 和多环芳烃及其含氧和 含氧衍生物。微粒的凝聚物还包括少量无机物，如s 0 2 、n 0 2 硫酸( 硫酸 盐) 等。此外微粒中还有少量来自燃油和润滑油的钙、铁、硅、铬、锌、 磷等的化合物ml 】 。 1 2 2 柴油机微粒对人体的危害 柴油枧微粒对人体健康韵危害是非常严重的。一些研究己经证实柴油 机排气微粒可以引起慢性肺病。美国环保局( e p a ) 的试验证明，吸附在 柴油机排气微粒表层的可溶有机成份( s o f ) 具有诱变作用，其组份的9 0 咀上为致癌物质。一些毒性试验表明，s o f 中的苯芳芘( b a p ) 的硝化物 = 第一章绪论 和一些含氧的衍生物是直接诱变物，它们可以使细菌产生突变。1 9 9 2 年， 世界卫生组织( w h o ) 正式将柴油机排气微粒列为可能致癌物质。美国甚 至有可能因为柴油机微粒的致癌性而禁止柴油机在美国的使用。 1 2 3 柴油机微粒的排放法规 由于各国对柴油枫排放微粒的危害性认识程度不完全一致，因此不同 国家对柴油机排放的要求也就不尽相同。表1 1 给出了三种不同的排放法 规体系对重型柴油机微粒的排放标准【1 2 】。 表1 - 1 重型车用柴油机的微粒排放标准 国家实行年份微粒排放限值实验工况及排放物单位 1 9 8 8o _ 8 1 9 9 00 6 过渡工况 美国 1 9 9 10 2 5 1 9 9 40 1 0 g ( h p + m 1 9 9 80 1 0 1 9 9 4 0 7日本1 3 工况 日本 2 0 0 00 2 5 g ，( k w h ) 1 9 9 0 ( e u r o 0 、 g c g w h ) 1 9 9 2 ( e u r oi1 0 3 6 欧洲 1 9 9 5 ( e u r o 1 o 1 5欧洲1 3 工况 2 0 0 0 ( e u r o m ) 0 1 0e s c 吨t c 从上表可阻看出，各国对柴油机微粒的控制是越来越严格的。发达国 家从二十世纪7 0 年代末就开始重视柴油机的微粒排放控制。经过2 0 多年 的努力，柴油机的微粒排放控制技术有了很大的进展，其中一些技术的采 用已经使柴油机微粒摊放控制取得了阶段性突破 1 3 。1 4 1 。 1 3 柴油机微粒捧放控制技术 目前，柴油机微粒排放控制技术大体上可以分为两种：机内净化和机 外净化。机内净化技术通过改进柴油机结构或增加附加装置来减少缸内燃 烧过程中微粒初始的形成，因此它主要是从微粒的生成机理方面去着手。 机外净化则是把燃烧室内已经形成的微粒在排入大气以前清除掉，考虑白匀 是如何使燃烧过程中产生的微粒对环境的危害减少到尽可能最小，机外簿 正 第一章绪论 化也叫排气的后处理技术。 1 3 1 机内挣化技术 柴油燃烧情况的好坏决定了柴油机的动力性、经济性和排放性。柴油 的燃烧主要取决于气流、柴油以及燃烧室三者之间的配合。微粒产生于燃 烧过程，因此，要降低微粒的排放首先应从改进柴油的燃烧开始，这也是 机内净化措施的出发点【1 5 _ 。 ( 1 ) 机内净化技术的主要措施 机内净化技术的措施主要有以下几种： 改进气流技术 为了改善发动机气缸内的气体流动，目前采用比较多的技术有：进气 涡流技术、多气门技术、涡轮增压技术以及可变配气相位技术等，它们共 同的作用都是适当地改变气缸内气体的流动以有利于燃料与空气的混合。 进气涡流技术能在不同的工况下改变气缸内的气流涡能的强度。当柴 油机低速时，增加气缸内气体的涡流，促进燃烧过程中微粒的氧化，以有 效地减少微粒的产生，同时提高柴油机的动力性和经济性。在柴油机高速 时，减少气缸内的涡流，以减少气缸内能量的损耗，提高燃烧效率，提高 柴油机的经济性，同时减少柴油机的排放。 多气门技术、涡轮增压技术以及可变化配气相位技术等都可大幅度她 提高柴油机的充气效率，从而改善柴油机的动力性、经济性和排放特性。 改进燃油喷射技术 燃油喷射是燃烧系统的核心，其基本任务是保证可燃混合气体的形成 和燃烧过程都尽可能在最有利的条件下进行，使柴油机在动力性、经济性、 排放以及噪音等各个方面都具有良好的性能。喷射系统在把柴油喷入燃烧 室内时，喷油压力、喷油规律、喷油速率和喷油正时等参数都会对柴油机 微粒的产生有重要影响，其中以喷油油压的影响最大。目前，发达国家柴 油机的喷射系统都是通过调整喷油压力、喷油规律、喷油速率和喷油时间 等参数来满足现阶段的排放法规。 第一章绪论 燃烧方式的改进 柴油机的排气微粒主要产生于非均质燃烧过程，因此有人提出在柴油 机上采用预混合燃烧，从而达到降低微粒排放的目的。预混合燃烧可通过 大幅度地增大喷油提前角以延长滞燃期，使得燃油与空气更充分地混合， 减少高温缺氧区域的形成，从而减少在此条件下燃油裂解形成碳烟微粒的 可能性。近年来国内外研究的热点问题h c c i 的燃烧方式就是利用的这个 原理。最近，国外又提出了“低温预混合燃烧”的新概念，即在采取预混 合燃烧的同时，在进气中引入燃烧废气以降低气缸中的燃烧温度，已经证 实这种方法可以同时减低n o x 和微粒的排放。 ( 2 ) 机内狰化技术遇到的困难 以上提到的几种机内净化措施都对微粒有不同程度的净化效果，但它 们在减少微粒排放的同时，有可能导致n o x 等气态排放物的增加，并使柴 油机的结构更加复杂，对柴油机的动力性和经济性都会产生不同程度的负 面影响。当前，微粒排放的机内控制技术面临者严峻的挑战，主要体现在 以下三个方面u7 j ： 通过优化燃烧过程解决柴油机的微粒排放问题潜力有限。 现代柴油机微粒排放的质量浓度仅为2 0 年前柴油机的1 0 ，目前的柴 油机已经综合采用了各种可能的机内净化技术。在没有新技术出现的情况 下，单纯依靠现有技术进一步降低柴油机微粒排放的潜力就很有限了，难 以满足更为严格的排放法规。当柴油机排放标准由欧提高到欧时，即 使微粒排放的标准不变，己有的机内净化技术也会因为排气再循环( 降低 氮氧化物的有效技术) 的使用而无法使微粒排放达标。 机内控制技术降低了微粒的质量浓度，但增加了数量浓度。 采用了现代柴油机投术尤其是柴油高压喷射技术后，虽然柴油机的微 粒总质量大幅度减少，但微粒的数量反而增加了，这些所谓的“小微粒” 的增多所造成的危害更大。这一问题已经引起发达国家的高度重视，来来 法规将会对柴油机微粒排放的数量进行限制。 ，从燃油方面降低柴油机微粒排放的可能性也不大。 6 第一章绪论 为了研究通过燃油来降低微粒排放的可能性，国外使用了一种特殊的 柴油( 不含硫和芳香烃，十六烷值9 2 ) 与瑞典的标准柴油( 硫含量为4 0 0 p p m 、 芳香烃3 0 ，十六烷值4 8 ) 进行对比，发现微粒的排放只减少了1 0 。而 这种特殊柴油价格相当昂贵，而且不能通过石油进行炼制。因此，从改变 燃油质量上来减少微粒排放的可能性不大。 以上三个方面的问题加大了柴油机微粒排放机内控制技术的难度。国 内外研究人员普遍认为，要想在保证柴油机动力性和经济性的同时全面降 低微粒排放，仅仅依靠机内净化技术是不够的，必须同时利用柴油机排气 后处理技术【1 8 】。 1 3 2 柴油机微粒捧放控制的后处理技术 后处理技术的作用主要是在柴油机的废气经过排气系统时，有效地去 除废气中的微粒，主要有以下几种技术： ( 1 1 高温氧化技术 通过高温氧化技术能降低柴油机排气中8 0 的微粒，但需要8 0 0 。c 以 上的湿度和4 s 以上的时闰，这在柴油机的实际运转工况下很难实现。而且， 高温氧化只对微粒中可氧化的成份有用，因此其应用受到很大的限制。 ( 2 1 用水或其它溶液清洗技术 用水或者其它溶液清洗排气只能降低微粒排放的1 0 左右，且占用体 积很大，在工程机械上有过应用，但不适台车用。 ( 3 ) 旋风除尘技术 旋风除尘技术是利用微粒的离心力将微粒从气流中分离出来。但是柴 油机微粒大多在o 3 p m 以下，而且随着柴油机技术的发展，微粒有越来越 小的趋势，因此离心分离的效果很差，清除效率不过1 0 左右。 ( 4 ) 静电捕集技术 静电捕集技术是将微粒进行荷电，然后剥用高压电场使微粒沉降。这 种装置所需空间太大，不适用于车用发动机。有人试验过把静电凝聚与离 ，0 分离相结台而开发出了静电旋风捕集器，捕集效率有很大提高，僵在捕 第一章绪论 集物处理、高压电极的绝缘以及结构紧凑性等方面仍存在很多问题。 ( 5 、工业用袋式除尘技术 这种技术用于捕集柴油机的排气微粒，可以获得高达9 0 的捕集效率， 但滤袋的清灰和烟灰的二次处理比较复杂。另外，即使是最耐热的滤袋也 不能承受柴油机大负荷时的高排气温度，排气冷却系统又很复杂而且庞大， 而且滤袋本身也很笨重。因此，滤袋技术也很难用于车用柴油机。 f 6 1 利用多孔介质的微粒捕集技术 在前五种技术都有各种各样的缺点时，利用多孔介质进行微粒的捕集， 即通常所说的微粒捕集器方案，就是比较可行的方案了。当微粒经过多孔 体材料时，被多孔体材料吸附从而达到减少微粒排放的目的。在该技术的 研究过程中，人们开发了多种不同物质的多孔体材料，并对它们的再生进 行了广泛而深入的研究。 微粒的过滤过程可以按滤芯的结构特征不同而分为表面过滤型和体积 过滤型两种 例。前者主要用比较密实的过滤体表面阻挡微粒，后者主要用 比较疏松的过滤体积容纳微粒。表面过滤型滤芯一般单位体积的表面积很 大，既可获得较高的过滤效率，又可具有较小的气流阻力，但滤芯结构比 较复杂，在很高的温度和温度梯度下易于损坏【2 0 j 。体积过滤型滤芯结构均 匀，不易产生很高的热应力，但一般很难兼顾高过滤效率和低气流阻力。 从高的过滤效率和尽可能低的气流阻力两方面来考虑，表面过滤型的过流 体应用得更广泛，这也是本文所要研究的过滤体。 l 4 微粒搐集器的研究现状和发展 目前，国外已有不少国家在车上装有柴油机微粒捕集器( 过滤器) 。欧 洲的标致雪铁龙集团公司2 0 0 0 年在标致6 0 7 型轿车上开始使用，至今已在 四种车型上装有微粒捕集器。臼本于1 9 9 5 年开始在东京和横滨等大城市的 公交车上进行了中试，到1 9 9 8 年已有8 0 多辆车装有各种娄型的微粒过滤 器，大部分的车行驶距离超过了1 0 万公里。p u r e m 公司也开发出了满足欧 排放标准的货车柴油机微粒捕集器，微粒排放能达到o0 2g k w h 口“。目 一8 第一章绪论 前，国内过滤体材料还处于开发阶段，尚没有微粒捕集器产品，距离商业 应用还有相当的距离。 目前，过滤器的应用有两个问题需要解决，一是如何选择合适的过滤 体材料和结构，二是如何对过滤体的再生过程进行有效的控制。 1 4 1 过滤体的材料与结构 过滤体材料性能的好坏直接影响到微粒的过滤效果、过滤体的使用寿 命和可靠性以及过滤体的再生效果。过滤技术实用化的前提是选用经济耐 用的过滤材料并配合以合适的再生方法。在实际车载应用中，过滤体必需 具有一定的机械强度，并满足耐热冲击、耐高温以及抗热疲劳等要求。在 选择过滤体材料时，过滤效率和气流阻力是需要重点考虑的因素。气流阻 力过高会引起柴油机动力性和燃油经济性急剧恶化，过滤效率过低会使相 当一部分微粒没有得到净化而择入大气。 目前，国内外研究的过滤体材料与结构有许多种，其中最常用的是壁 流式陶瓷过滤体、泡沫陶瓷过滤体、陶瓷纤维过滤体以及金属丝网过滤体 i ”1 。 ( 1 ) 壁流式蜂窝陶瓷过滤体 壁流式陶瓷过滤体是目前综合性能最优、国外应用和研究最为广泛的 过滤体。一般采用堇青石为材料，通过高精度模具将含有发泡剂的泥浆挤 压成多孔道蜂窝状过滤体毛坯，再经过特殊工艺对平行孑l 道进行相间堵孔， 最后在高温炉内烧成。该过滤体的优点是微粒过滤效率高、耐高温、机械 强度高；缺点是物理参数各向异性，而且微粒都沉积在进气道内，因此再 生过程中受热不均匀，易发生热损坏。 ( 2 1 泡沫陶瓷过滤体 泡沫陶瓷过滤体一般也以堇青石材质为主要材料，它的微观结构与泡 沫塑料十分相似，其内部有许多被称为“气室”的小孔，每个气室通过开 口与多个相邻的气室相通。柴油机排气微粒流经过滤体时，其中的部分微 粒会沉积在气室中，微粒过滤效率一般为4 0 6 0 。 泡淙陶瓷过滤体的优点是再生时多孔结构使火焰易于传播而且泡沫 9 第一章绪论 陶瓷物性参数各向同性，熟再生时温度较低、产生的热应力较小，不易造 成过滤体的热损坏。其缺点是结构疏松、强度低，在排气的冲击和机械振 动下易损坏。 ( 3 1 陶瓷纤维过滤体 陶瓷纤维过滤体具有高度表面积化和良好的抗高温能力，不受固定尺 寸的限制，也容许改变各种设计参数以使过滤体的性能达到优化。陶瓷纤 维过滤效率很高，而且能适应催化使用的要求。它的缺点在于陶瓷纤维是 一种脆性材料，在编织和使用过程中比较容易损坏；另外再生比较困难。 ( 4 ) 金属丝网过滤体 金属丝网过滤体表面光滑，孔隙大小均匀，因此易于微粒的捕集。金 属丝网过滤体可以做成多层结构，因此微粒的过滤效率高、强度好、抗机 械冲击的能力强。缺点是耐高温能力较弱，不适合热再生技术。另外，高 密度金属丝网的成本较高，这也妨碍了金属丝网过滤体的广泛使用。 1 4 2 微粒捕集器的再生技术 目前，国内外研究的柴油机微粒捕集器的再生技术主要有：热再生技 术、连续催化再生技术和反吹再生技术等。 ( 1 ) 热再生技术口3 f 2 4 热再生技术采用外界提供的附加的能源，提高滤芯的温度，使沉积在 滤芯中的微粒燃烧，以恢复滤芯的洁净状态。常用的附加能源为燃油或燃 气燃烧器、电阻加热器和微波发生器等。 ( 2 ) 连续催化再生技术【2 5 连续催化再生技术利用催化剂降低微粒的着火温度和提高其氧化速 率，使之能在柴油机实际使用条件下保证过滤体较高的再生效率。连续催 化再生技术包括：催化过滤器再生和燃油催化再生。前者是在过滤体表面 涂金属催化剂以降低微粒的氧化温度，后者是在燃油中加入催化剂以降低 微粒的氧化温度。 f 3 1 反吹再生技术 2 6 1 0 第一章绪论 反吹再生技术根据微粒在壁流式过滤体内沉积的单向性，利用高压气 体反吹，把沉积的微粒吹下来，从而达到过滤体再生的目的。 就目前的研究来看，以上三种再生技术都存在一定的缺陷，还没有一 个再生控制方法能够完全满足商业运营的要求。比较有前景的方法是把两 种或者两种以上的再生技术相结合。国内外已有利用反吹再生技术与连续 催化再生技术相合进行过滤体再生的尝试，取得了不错的效果。 1 5 本文的主要工作 目前，世界柴油机发展所面临的主要问题是如何有效地控制微粒与 n o x 的排放。由于从燃烧的角度解决柴油机的微粒排放己接近极限，因此 采用排气后处理技术是目前解决柴油机排放最好的方法。微粒过滤器目前 似乎是把柴油机微粒排放降低到接近于零的最好途径。 在我国柴油机整体水平比较低的情况下，开发柴油机微粒捕集技术对 我国汽车工业的发展、改善汽车的排放水平、节约能源等都有着不可估量 的作用。 本文的工作是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“柴油机微 粒捕集器关键技术研究及产业化”的一部分。 本论文采用理论分析、试验研究以及利用计算流体力学( c f d ) 软僻 来展开项目的研究工作。 根据项目研究的需要，本文主要对壁流式陶瓷过滤体的开发、过滤体 参数优化、过滤体的规格划分、过滤器的结构设计等方面进行研究，主要 研究内容包括： ( 1 ) 壁流式陶瓷过滤体的开发与性能评价 本研究项目与工厂合作，开发研究壁流式过滤体，并在开发的试验系 统上对所开发的过滤体的性能进行试验评价。 c ) 壁流式陶瓷过滤体微观参数的优化 在试验的基础上，建立过滤体气流阻力和过滤效率数学模型。通过计 算分析研究壁流式过滤体壁面微观结构参数对微粒捕集和气流阻力的影 响：研究不同的排气气流参数( 速度、温度及粘度等) 等外在因素对过漓 第一章绪论 体微粒捕集和气流阻力的影响。以高过滤效率和低气流阻力为目标，确定 在不同的工况条件下都有较高捕集效率和较低气流阻力的壁流式陶瓷过滤 体的微观参数。 f 3 1 过滤体结构参数优化与规格系列划分的研究 研究壁流式陶瓷过滤体宏观结构参数与微粒捕集效率和气流阻力的关 系；研究过滤体宏观尺寸与微观尺寸的匹配关系。在对国内柴油机种类和 排放特性进行分析的基础上，确定不同柴油机用过滤体的宏观和微观参数， 并依此对过滤体进行规格划分，为过滤体的产业化奠定基础。 ( 4 ) 过滤器的结构优化设计 对于柴油机排气微粒过滤器的外部形状和尺寸进行优化，以达到最佳 的过滤效果并提高过滤体的可靠性。 第二章壁流式陶镯立滤体的开发与评价 第二章壁流式陶瓷过滤体的开发与评价 2 1 引言 根据改善环境、降低柴油机微粒排放的需要，在国家高技术研究发展 计划( 8 6 3 计划1 项目“柴油机微粒捕集器关键技术研究及产业化”的资助下， 我们与宜兴非金属化工机械厂合作，共同开发研究了具有我国独立知识产 权的壁流式陶瓷过滤体。 壁流式陶瓷过滤体的性能指标主要包括气流阻力、过滤效率以及强度 寿命等。所开发的过滤体，气流阻力指标要求安装过滤体后的柴油机，其 功率损失及油耗增加不得超过一定限值【2 7 2 8 】；过滤效率指标要求安装过滤 体后的柴油机，其微粒的排放应达到或超过相当一段时期内国家排放法规 的要求；强度指标则要求过滤体在一定的使用寿命期内，不会出现破损及 失效等问题1 2 9 7 3 0 1 。 为满足上述的过滤体性能指标，在对过滤体进行性能试验评价及分析 的基础上，通过对过滤体原料配方以及生产工艺的不断改进，先后分两个 阶段，开发出五批壁流式过滤体，使过滤体的综合性能逐步得到提高。同 时，为了提高过滤体的再生性能，我们还探索性地开发了新型金属涂层壁 流式过滤体。研究工作取得了比较满意的结果。 2 2 壁流式陶瓷过滤体的开发与研制 壁流式过滤体的开发主要分为两个阶段。 在开发的第一阶段，根据壁流式过滤体研究的已有经验，确定过滤体 的原料配方与颗粒度分布、过滤体的烧制工艺以及封孔工艺，先后开发出 三批过滤体。通过对第一阶段开发的三批过滤体的系统试验分析研究，找 出过滤体在过滤效率、气流阻力以及耐冲击可靠性方面存在的问题，为过 滤体第二阶段的开发工作指明方向。 根据壁流式过滤体性能试验中所发现的过滤体气流阻力偏大以及强 度较弱的问题，开展丁壁流式过滤体第二阶段的开发。在开发的第二阶段， 第二章壁流式陶瓷过滤体的开发与评馀 有目的地对过滤体的成分配方及烧制工艺进行了改进，相继又开发出第 四批和第五批壁流式过滤体。 2 2 1 过滤体第一阶段的开发 为满足壁流式过滤体的使用要求，我们与宜兴非金属化工机械厂合作， 在以前生产直孔蜂窝陶瓷经验的基础上，开展了对壁流式陶瓷过滤体第一 阶段的开发研究。在陶瓷原料配方以及颗粒度分布对壁流式过滤体的强 度、抗热震性、物理性质以及孔隙率的影响等方面作了积极的探索。 堇青石壁流式陶瓷过滤体要求热膨胀系数低、抗热震性好。虽然生产 过滤体的原料品种繁多，但必须采用c a 2 + 0 5 ，o + n a 2 0 造孔剂的选择 鉴于对蜂窝陶瓷坯体挤铺的影响，决定选用碳颗粒和有机高分子粒子 作为造孔剂。试验测试表明，有机高分子粒子的粒度可控，且产生的气孔 孔径比较均匀，因此优选粒度为o o g 0 + 1 2 5 m m 范围内的有机高分子颗粒 作为造孔剂。造孑l 剂掺量与孔径增长幅度的关系由图2 - 1 给出。 图2 1 造孔剂掺量与孔径增长幅度关系的试验结果 从图2 1 中可以看出，随造孔剂加入量的增加，过滤体微孔孔径增大； 用量 5 时，孔径变化较小；5 之后孔径快速增加；7 1 0 之间时孔 径达到l | l 墨值，随后减小并趋于平缓。这是由于造孔剂掺量 5 时造孔剂 如同细粉颗粒一样主要填充在大颗粒堆积的孔隙内，降低了细粉颗粒的接 第二章壁流式陶瓷过滤体的开发与评价 触机率。但造孔剂掺量过多时也会带来问题。大量的造孔剂在使颗粒扩大 的同时，也会使坯体向泡沫状态发展，使挤压用标准泥料塑性变差，不利 于过滤体的成型，烧结后坯体较琉松，强度较差。 综合试验结果分析，决定选择粒度为0 0 8 o 1 2 5i t l r f l 的有机高分子颗 粒作为过滤体的造孔剂，造孔剂的掺量为5 7 。 烧成工艺的选择 泥料经配制及练泥成型干燥后，需进行烧成。合理的烧成工艺对于保 证过滤体的质量及提高过滤体的性能具有重要的意义。 试验表明，随着烧成温度及保温时间的增加，壁流式堇青石蜂窝体的 孔隙率减小。烧成温度升高，粒子间的扩散能力增强，致密化程度提高； 同时随着坯体中液相量的增加，使坯体中的粒子更易拉紧靠拢，烧结更易 进行，冷却后玻璃相会量也较多，但烧结后坯体的孔隙率减小。为保持过 滤体的高孔隙率，并获得具有较大微孔孔径且热膨胀系数较低的蜂窝体， 经反复试验，选定的过滤体烧成工艺为：快速升温1 5 0 1 8 0 h ，烧成温 度1 3 2 0 1 3 5 0 ，保温时间4 6 h 。 经上述改进后，第二批过滤体样品的性能较第一批有明显的提高，但 气流阻力性能与美国康宁公司过滤体的性能相比仍有一定的差距。当排气 流量 1 0 0r f t 3 h 时，捧气流量越大，两者气流阻力的相差越明显。 ( 3 ) 第三批过滤体样品的开发 通过对第二批过滤体样品的测试结果进行分析，认为壁流式陶瓷过滤 体的微孔孔径大小在实际生成过程中可能较试样小，孔径的大小不够均匀。 为此，在选料及工艺上又作了以下改进，开发出第三批过滤体样品。 ( a 1 对滑料颗粒及堇青石熟料重新进行分级，使粒度集中在5 0 8 5u m 的范围内，中位径控制在6 7i - t m 。 ( b 1 选择粒度为3 2 0 目的石英砂以扩大过滤体的微孔孔径。石英砂的 加入量为3 5 ，这样可有效增大过滤体微孔孔径l 2i x m 。 f c l 调整生熟料的比例。适当增加生料比例，将生料的比例从2 0 ：5 调整为2 5 3 0 。 第二章壁流式陶瓷过滤体的开发与评价 ( d ) 在练泥方面，采用延长陈腐时间，减少练泥遍数的方法，以防止 多次练泥而造成堇青石熟料颗粒的碾碎。 经过一系列的改进，第三批过滤体样品在气体流量为2 0 0 3 0 0m 3 h 的范围内，气流阻力与康宁公司的产品已非常接近，但气流量进一步加大 后，在气流阻力方面仍存在一定的差距。 ( 4 ) 壁流式陶瓷过滤体的封孔工艺 在壁流式过滤体开发的第一阶段，对过滤体的封孔工艺进行了研究。 壁流式陶瓷过滤体采用交叉封孔方式，封孔工艺比较复杂。为取得理 想的过滤体质量效果，在过滤体开发的第一阶段主要将手工封孔改为手工 与机械相结合进行封孔。封孔时，在封孔孔壁处先用堇青石质泥桨进行浸 渍，待其略呈软状后，再压入封接泥料。经多次试验，使过滤体的质量明 显得到改进。该研究成果为进行完全机械式封孔工艺的研究奠定了基础。 2 2 2 过滤体第二阶段的开发 在壁流式过滤体第一阶段开发的基础上，根据过滤体存在的问题，叉 开展了壁流式过滤体第二阶段的开发。 ( 1 ) 生产工艺的改进 为保证壁流式过滤体的性能及尺寸的一致性，提高过滤体的可靠性， 并降低壁流式过滤体的生产成本，从壁流式过滤体开发伊始，就开始了对 壁流式过滤体的成形工艺、烧制工艺以及自动封孔工艺的摸索及研究。 在缺乏必要技术资料的情况下，经过逐步摸索，初步掌握了壁流式过 滤体的成形工艺、烧制工艺以及自动封孔工艺。 在壁流式过滤体生产工艺方面，封孔工艺是一项最为重要的工艺。封 孔的好坏对过滤体的可靠性具有重要的影响。 采用以往的封孔工艺时，常会出现封孔材料与过滤体内壁连接不够紧 密的情况，从而导致过滤体的过滤效率低，甚至会出现有些封孔材料被神 走的情况发生。 鉴于这种情况，决定将不同种的陶瓷混合物用于制造过滤体本体和越 孔泥。选用缩窭小子本体的封孔材料，但必须使箕能够承受本体的烧成温 第二章壁流式陶瓷过滤体的开发与评价 度，从而提高过滤体的使用温度。过滤体本体在1 3 2 0 1 3 5 0 烧成后压 入封孔材料，在1 3 0 0 左右进行二次烧成。过滤体二次烧成时尺寸不变