一種基于DPF*高效可控再生的發(fā)動機顆粒物減排裝置設計說明書摘要：為解決柴油機的排放問題，通過實驗設計了一套一種基于DPF*高效可控再生的發(fā)動機顆粒物減排裝置柴油機顆粒捕捉器。本裝置通過提高燃燒效率，在顆粒物進入大氣之前將其捕捉，隨后進行處理或催化氧化。關鍵詞：發(fā)動機顆粒物燃燒效率可再生作品內容簡介隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車保有量的持續(xù)增加，汽車排放污染物已成為大氣環(huán)境最大的污染源之一。為解決柴油機的排放問題，需要在柴油車尾部做后處理。本小組通過實驗設計了一套一種基于DPF*高效可控再生的發(fā)動機顆粒物減排裝置柴油機顆粒捕捉器（DieselParticulateFilter）是一種安裝在柴油發(fā)動機排放系統(tǒng)中的蜂窩陶瓷過濾器。它可以在顆粒物進入大氣之前將其捕捉，捕捉器補集效率可達90%以上。本裝置是通過提高燃燒效率來實現(xiàn)的，機后處理措施是將尾氣中的污染物收集、處理或催化氧化。根據(jù)國內外相關環(huán)保排放法規(guī)，機后處理設備是柴油機車必須裝配的器件，只有經(jīng)后處理達標后的汽車才能生產(chǎn)和行駛[1]。柴油車顆粒過濾器（DPF）是解決柴油車尾氣顆粒污染物的關鍵技術之一，當廢氣通過DPF的多孔結構時，它會捕集顆粒，隨著煙灰顆粒在DPF中累積量增多，影響發(fā)動機的正常工作，DPF系統(tǒng)通過主動再生或被動再生的方法，去除過濾過程積聚的顆粒物，以恢復其對顆粒物的捕集能力，即柴油車顆粒過濾器的再生。1研制背景及意義背景：第一、節(jié)能減排是中國可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。關于中國的能源家底，有一種說法是中國富煤、貧油、少氣。節(jié)能減排完全沒有必要，而實際上，煤炭資源雖然絕對數(shù)量龐大，但1800億噸左右的可采儲量，只要除以13億這個龐大的人口基數(shù)，人均資源占有量就會少得可憐。我國節(jié)能減排的壓力比世界上任何一個國家都要大，特別是，我國還是世界上能源浪費較為嚴重的國家之一。第二、節(jié)能減排是應對資源稀缺與環(huán)境承載能力有限的挑戰(zhàn)的必然選擇。近年來，我國的資源環(huán)境問題日益突出，節(jié)能減排形勢十分嚴峻。發(fā)達國家上百年分階段出現(xiàn)的環(huán)境問題，近20多年來在我國集中出現(xiàn)。由于我國已經(jīng)進入工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加速期。重化工業(yè)較快增長還會持續(xù)一段較長時間，這一過程中能源資源消耗和污染排放與經(jīng)濟增長一般呈現(xiàn)正向關聯(lián)。因此，在資源稀缺與環(huán)境承載能力有限的情況下，傳統(tǒng)的高投入、高消耗、高排放、低效率的增長方式已經(jīng)走到了盡頭。不加快轉變經(jīng)濟發(fā)展方式，資源難以支撐。環(huán)境難以容納，社會難以承受，科學發(fā)展難以實現(xiàn)。因此，為了我們的國家，為了我們了社會，推進節(jié)能減排勢在必行。第三、節(jié)能減排是應對資源稀缺與環(huán)境承載能力有限的挑戰(zhàn)的必然選擇。近年來，我國的資源環(huán)境問題日益突出，節(jié)能減排形勢十分嚴峻。發(fā)達國家上百年分階段出現(xiàn)的環(huán)境問題，近20多年來在我國集中出現(xiàn)。由于我國已經(jīng)進入工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加速期。重化工業(yè)較快增長還會持續(xù)一段較長時間，這一過程中能源資源消耗和污染排放與經(jīng)濟增長一般呈現(xiàn)正向關聯(lián)。因此，在資源稀缺與環(huán)境承載能力有限的情況下，傳統(tǒng)的高投入、高消耗、高排放、低效率的增長方式已經(jīng)走到了盡頭。不加快轉變經(jīng)濟發(fā)展方式，資源難以支撐。環(huán)境難以容納，社會難以承受，科學發(fā)展難以實現(xiàn)。因此，為了我們的國家，為了我們了社會，推進柴油發(fā)動機節(jié)能減排勢在必行。第三、柴油發(fā)動機的時代背景。柴油發(fā)動機在高空燃比下具有更高的燃燒效率和燃油經(jīng)濟性，使得柴油車尾氣中一氧化碳和二氧化碳含量遠低于汽油車尾氣中的含量，這些優(yōu)勢促進了柴油發(fā)動機的市場擴張。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車保有量的持續(xù)增加，汽車排放污染物已成為大氣環(huán)境最大的污染源之一。據(jù)相關資料表明，大氣污染物中的60%來自汽車排放，而且柴油發(fā)動機的不完全燃燒會產(chǎn)生氮氧化物（NOx）和顆粒物質（PM）等有害物質，長期暴露于細顆粒物中會導致心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病等。第四、柴油發(fā)動機的技術背景。近年來，車用柴油機的微粒排放控制技術已取得了長足的發(fā)展。目前，這些技術可歸納為幾類，分別是柴油機燃料技術、柴油機排放機內控制技術和柴油機排放機外后處理技術，為解決柴油機的排放問題，需要在柴油車尾部做后處理。柴油車顆粒過濾器的基體材料不僅影響其對顆粒物的過濾性能，而且會影響過濾體再生效率[1]。傳統(tǒng)柴油機車在運行過程中，DPF一直處于捕集顆粒物的狀態(tài)，但由于再生效率低下，導致DPF被顆粒物堵塞，使得性能下降、油耗升高、壽命下降。意義：面對如此嚴峻的形勢，我們想到了通過DPF技術捕捉汽車排放的顆粒物，從而達到節(jié)能減排的效果。而當前的汽車限號等措施，雖然有一定的效果，但是對人們的生活帶來了不便，利用這一裝置可以減少柴油機排放，減少大氣污染。2設計方案2.1裝置控制裝置自主進行過濾工作：顆粒物的粒徑大于多孔介質孔道的粒徑而被截留在過濾介質表面；顆粒物進入多孔介質孔道，通過撞擊和擴散被截留在過濾介質內部；在過濾過程中，捕集的顆粒物可以通過所謂的“結塊過濾”效應提高收集效率[1]。2.2過濾部分裝置過濾部分設計如圖1所示：圖1顆粒過濾方式過程示意圖設計時考慮的主要問題：尾氣氧氣濃度低，不利于裝置工作。經(jīng)過查閱資料我們決定增加氧調控裝置，增加空氣流通，使顆粒物處于富氧狀態(tài)從而易于燃燒。排氣溫度低，裝置達不到工作狀態(tài)。通過加設加熱裝置，從而使顆粒物達到起燃點。加設加熱裝置使DPF裝置的熱負擔加重。布置環(huán)狀冷卻裝置，避免高溫損害DPF。3理論設計計算氧調控裝置通過AVLBoost模擬計算確定效率與經(jīng)濟最合適的氧濃度，分別研究了500℃、550℃和600℃時不同氧濃度下顆粒物含量與時間的關系，結果如下圖所示。在氧濃度為20%左右時，DPF再生情況明顯改善，此后氧濃度增加，顆粒物減小幅度并不明顯。綜合再生速率和經(jīng)濟效益，選擇20%氧濃度為適宜濃度。圖2500℃時不同氧濃度下顆粒物含量與時間的關系圖3550℃時不同氧濃度下顆粒物含量與時間的關系圖4600℃時不同氧濃度下顆粒物含量與時間的關系加熱裝置使用回形電加熱方式。AVLBoos分別研究了氧濃度在14%、20%和24%時不同入口溫度下顆粒物含量與時間的關系，結果如下圖所示。圖5回形電加熱方式示意圖發(fā)現(xiàn)在550℃以上時，DPF再生速率增加并不明顯，而且550℃為顆粒物的起燃點，故選擇550℃為加熱溫度。圖6氧濃度在14%時不同入口溫度下顆粒物含量與時間的關系圖7氧濃度在20%時不同入口溫度下顆粒物含量與時間的關系圖8氧濃度在24%時不同入口溫度下顆粒物含量與時間的關系環(huán)狀冷卻裝置水泵泵水，實現(xiàn)水的逆流散熱循環(huán)。通過電控實現(xiàn)精確地制冷循環(huán)，當DPF的溫度達到600℃時開始循環(huán)。控制循環(huán)溫度范圍在600℃到800℃之間，防止DPF的熱損壞。圖9環(huán)狀冷卻裝置4工作原理及性能分析工作原理：裝置對顆粒物的過濾分為兩個階段，初級階段，顆粒物通過撞擊和擴散的方式被截留在過濾器孔壁的內部，即深床過濾階段，隨著顆粒物的收集，壁流式過濾器的孔隙率和滲透性等參數(shù)會逐漸改變，通常持續(xù)幾分鐘。隨后，達到最大堆積密度的過濾基體孔壁變得對顆粒幾乎“不可滲透”，并且在多孔過濾器表面上形成煙灰層，這個階段是過濾形成階段[2]。性能分析：通過排放試驗對DPF*高效可控再生的顆粒物減排發(fā)動機常規(guī)污染物CO、HC、NOx和PM以及非常規(guī)污染物NO2和SO2的排放水平進行檢測和對比分析，此外對全負荷煙度水平也進行了檢測。試驗結果表明:這種基于DPF*高效可控再生的發(fā)動機顆粒物減排裝置對常規(guī)污染物的減排效果更優(yōu)。能夠有效地降低SO2的排放;可以改善發(fā)動機高轉速時的全負荷煙度，而且受油品等級影響很小[4]。完成制作后，作品實物結構見圖2。圖10實物結構實物結構5創(chuàng)新點及應用（1）具有特定的孔結構和一定的孔隙率[3]（2）過濾高效。（3）DPF可再生，并且有被動再生和主動再生兩種方式。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國卡車保有量為14000000輛。如果每輛卡車都安裝上我們這臺裝置，那么每天就可以節(jié)省柴油0.92億升，減少顆粒物排放140000kg。這種基于DPF*高效可控再生的發(fā)動機顆粒物減排裝置在未來會有很廣闊的應用前景。參考文獻[1]曹莉萍,杜毅帆,溫伯霖,舒榮祿,王偉.柴油車顆粒過濾器（DPF）基體材料研究進展[J].中國陶瓷,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