节能减排论文

一种基于DPF*高效可控再生的发动机颗粒物减排装置设计说明书摘要：为解决柴油机的排放问题，通过实验设计了一套一种基于DPF*高效可控再生的发动机颗粒物减排装置柴油机颗粒捕捉器。本装置通过提高燃烧效率，在颗粒物进入大气之前将其捕捉，随后进行处理或催化氧化。关键词：发动机颗粒物燃烧效率可再生作品内容简介随着汽车工业的发展和汽车保有量的持续增加，汽车排放污染物已成为大气环境最大的污染源之一。为解决柴油机的排放问题，需要在柴油车尾部做后处理。本小组通过实验设计了一套一种基于DPF*高效可控再生的发动机颗粒物减排装置柴油机颗粒捕捉器（DieselParticulateFilter）是一种安装在柴油发动机排放系统中的蜂窝陶瓷过滤器。它可以在颗粒物进入大气之前将其捕捉，捕捉器补集效率可达90%以上。本装置是通过提高燃烧效率来实现的，机后处理措施是将尾气中的污染物收集、处理或催化氧化。根据国内外相关环保排放法规，机后处理设备是柴油机车必须装配的器件，只有经后处理达标后的汽车才能生产和行驶[1]。柴油车颗粒过滤器（DPF）是解决柴油车尾气颗粒污染物的关键技术之一，当废气通过DPF的多孔结构时，它会捕集颗粒，随着烟灰颗粒在DPF中累积量增多，影响发动机的正常工作，DPF系统通过主动再生或被动再生的方法，去除过滤过程积聚的颗粒物，以恢复其对颗粒物的捕集能力，即柴油车颗粒过滤器的再生。1研制背景及意义背景：第一、节能减排是中国可持续发展的必然选择。关于中国的能源家底，有一种说法是中国富煤、贫油、少气。节能减排完全没有必要，而实际上，煤炭资源虽然绝对数量庞大，但1800亿吨左右的可采储量，只要除以13亿这个庞大的人口基数，人均资源占有量就会少得可怜。我国节能减排的压力比世界上任何一个国家都要大，特别是，我国还是世界上能源浪费较为严重的国家之一。第二、节能减排是应对资源稀缺与环境承载能力有限的挑战的必然选择。近年来，我国的资源环境问题日益突出，节能减排形势十分严峻。发达国家上百年分阶段出现的环境问题，近20多年来在我国集中出现。由于我国已经进入工业化和城镇化加速期。重化工业较快增长还会持续一段较长时间，这一过程中能源资源消耗和污染排放与经济增长一般呈现正向关联。因此，在资源稀缺与环境承载能力有限的情况下，传统的高投入、高消耗、高排放、低效率的增长方式已经走到了尽头。不加快转变经济发展方式，资源难以支撑。环境难以容纳，社会难以承受，科学发展难以实现。因此，为了我们的国家，为了我们了社会，推进节能减排势在必行。第三、节能减排是应对资源稀缺与环境承载能力有限的挑战的必然选择。近年来，我国的资源环境问题日益突出，节能减排形势十分严峻。发达国家上百年分阶段出现的环境问题，近20多年来在我国集中出现。由于我国已经进入工业化和城镇化加速期。重化工业较快增长还会持续一段较长时间，这一过程中能源资源消耗和污染排放与经济增长一般呈现正向关联。因此，在资源稀缺与环境承载能力有限的情况下，传统的高投入、高消耗、高排放、低效率的增长方式已经走到了尽头。不加快转变经济发展方式，资源难以支撑。环境难以容纳，社会难以承受，科学发展难以实现。因此，为了我们的国家，为了我们了社会，推进柴油发动机节能减排势在必行。第三、柴油发动机的时代背景。柴油发动机在高空燃比下具有更高的燃烧效率和燃油经济性，使得柴油车尾气中一氧化碳和二氧化碳含量远低于汽油车尾气中的含量，这些优势促进了柴油发动机的市场扩张。随着汽车工业的发展和汽车保有量的持续增加，汽车排放污染物已成为大气环境最大的污染源之一。据相关资料表明，大气污染物中的60%来自汽车排放，而且柴油发动机的不完全燃烧会产生氮氧化物（NOx）和颗粒物质（PM）等有害物质，长期暴露于细颗粒物中会导致心血管疾病、呼吸系统疾病等。第四、柴油发动机的技术背景。近年来，车用柴油机的微粒排放控制技术已取得了长足的发展。目前，这些技术可归纳为几类，分别是柴油机燃料技术、柴油机排放机内控制技术和柴油机排放机外后处理技术，为解决柴油机的排放问题，需要在柴油车尾部做后处理。柴油车颗粒过滤器的基体材料不仅影响其对颗粒物的过滤性能，而且会影响过滤体再生效率[1]。传统柴油机车在运行过程中，DPF一直处于捕集颗粒物的状态，但由于再生效率低下，导致DPF被颗粒物堵塞，使得性能下降、油耗升高、寿命下降。意义：面对如此严峻的形势，我们想到了通过DPF技术捕捉汽车排放的颗粒物，从而达到节能减排的效果。而当前的汽车限号等措施，虽然有一定的效果，但是对人们的生活带来了不便，利用这一装置可以减少柴油机排放，减少大气污染。2设计方案2.1装置控制装置自主进行过滤工作：颗粒物的粒径大于多孔介质孔道的粒径而被截留在过滤介质表面；颗粒物进入多孔介质孔道，通过撞击和扩散被截留在过滤介质内部；在过滤过程中，捕集的颗粒物可以通过所谓的“结块过滤”效应提高收集效率[1]。2.2过滤部分装置过滤部分设计如图1所示：图1颗粒过滤方式过程示意图设计时考虑的主要问题：尾气氧气浓度低，不利于装置工作。经过查阅资料我们决定增加氧调控装置，增加空气流通，使颗粒物处于富氧状态从而易于燃烧。排气温度低，装置达不到工作状态。通过加设加热装置，从而使颗粒物达到起燃点。加设加热装置使DPF装置的热负担加重。布置环状冷却装置，避免高温损害DPF。3理论设计计算氧调控装置通过AVLBoost模拟计算确定效率与经济最合适的氧浓度，分别研究了500℃、550℃和600℃时不同氧浓度下颗粒物含量与时间的关系，结果如下图所示。在氧浓度为20%左右时，DPF再生情况明显改善，此后氧浓度增加，颗粒物减小幅度并不明显。综合再生速率和经济效益，选择20%氧浓度为适宜浓度。图2500℃时不同氧浓度下颗粒物含量与时间的关系图3550℃时不同氧浓度下颗粒物含量与时间的关系图4600℃时不同氧浓度下颗粒物含量与时间的关系加热装置使用回形电加热方式。AVLBoos分别研究了氧浓度在14%、20%和24%时不同入口温度下颗粒物含量与时间的关系，结果如下图所示。图5回形电加热方式示意图发现在550℃以上时，DPF再生速率增加并不明显，而且550℃为颗粒物的起燃点，故选择550℃为加热温度。图6氧浓度在14%时不同入口温度下颗粒物含量与时间的关系图7氧浓度在20%时不同入口温度下颗粒物含量与时间的关系图8氧浓度在24%时不同入口温度下颗粒物含量与时间的关系环状冷却装置水泵泵水，实现水的逆流散热循环。通过电控实现精确地制冷循环，当DPF的温度达到600℃时开始循环。控制循环温度范围在600℃到800℃之间，防止DPF的热损坏。图9环状冷却装置4工作原理及性能分析工作原理：装置对颗粒物的过滤分为两个阶段，初级阶段，颗粒物通过撞击和扩散的方式被截留在过滤器孔壁的内部，即深床过滤阶段，随着颗粒物的收集，壁流式过滤器的孔隙率和渗透性等参数会逐渐改变，通常持续几分钟。随后，达到最大堆积密度的过滤基体孔壁变得对颗粒几乎“不可渗透”，并且在多孔过滤器表面上形成烟灰层，这个阶段是过滤形成阶段[2]。性能分析：通过排放试验对DPF*高效可控再生的颗粒物减排发动机常规污染物CO、HC、NOx和PM以及非常规污染物NO2和SO2的排放水平进行检测和对比分析，此外对全负荷烟度水平也进行了检测。试验结果表明:这种基于DPF*高效可控再生的发动机颗粒物减排装置对常规污染物的减排效果更优。能够有效地降低SO2的排放;可以改善发动机高转速时的全负荷烟度，而且受油品等级影响很小[4]。完成制作后，作品实物结构见图2。图10实物结构实物结构5创新点及应用（1）具有特定的孔结构和一定的孔隙率[3]（2）过滤高效。（3）DPF可再生，并且有被动再生和主动再生两种方式。据不完全统计，全国卡车保有量为14000000辆。如果每辆卡车都安装上我们这台装置，那么每天就可以节省柴油0.92亿升，减少颗粒物排放140000kg。这种基于DPF*高效可控再生的发动机颗粒物减排装置在未来会有很广阔的应用前景。参考文献[1]曹莉萍,杜毅帆,温伯霖,舒荣禄,王伟.柴油车颗粒过滤器（DPF）基体材料研究进展[J].中国陶瓷,2022,58(07):1-8.DOI:10.16521/ki.issn.1001-9642.2022.07.001.[2]BENSAIDS,MARCHISIODL,FINOD,etal.Modellingofdieselparticulatefiltrationinwall-flowtraps[J].ChemicalEngineeringJournal,2009,154(1-3):211-218.[3]UANB,ZHANR,LINH,etal.Reviewo