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炭化微米木纤维滤芯柴油机排放纳米颗粒吸附特性
作者:管理员    发布于:2016-02-01 11:01:32    文字:【】【】【

  自然科学版)炭化微米木纤维滤芯柴油机排放纳米颗粒吸附特性郭秀荣,杜丹丰,马岩(东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150040)机尾气微粒捕集器滤芯。分析炭化微米木纤维滤芯及柴油机排放颗粒物特性,并利用巨正则系综蒙特卡罗法(GCEMC)模拟纳米颗粒在炭化微米木纤维活性炭孔中的吸附特征,进而利用柴油机尾气微粒捕集器性能检测试验台对活性炭孔吸附纳米颗粒的蒙特卡罗模拟结果进行验证。结果表明:当柴油机微粒捕集器中尾气温度为470 K,捕集器前部压力由102.5kPa过渡到125.0kPa时,炭化微米木纤维滤芯吸附纳米粒子平均数密度的GCEMC模拟结果约为6.28 cm-3,试验结果约为5.60x107cm-3,模拟结果和试验结果基本一致,该方法可以用来进行炭化微米木纤维滤芯吸附纳米颗粒过程的模拟研究。

  PM25是指大气中空气动力学直径小于或等于重的灰霾天气,其元凶就是PM2.5,而大气中近30 pm的颗粒物。目前我国许多大城市都出现了严的PM2.5都直接来源于机动车尾气,其中柴油车排放基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DL11CB01);黑龙江省自然科学基金资助项目(C201228)杜丹丰(1972―),男,黑龙江哈尔滨人,副教授(通信作者,ddf72163.com),主要从事汽车试验学研究。

  的碳烟颗粒物(particulatematerial,PM)比例大。研究表明:柴油车排放的PM.约为总排放颗粒数的95,因此控制包括纳米粒子(粒径小于50nm的碳烟颗粒)在内的小颗粒排放将成为控制柴油车微粒排放的主要研究方向。

  近年来柴油发动机虽然在减少颗粒物质量浓度的设计方面取得了长足的进步,但是纳米粒子数浓度的上升却成为困扰发动机继续升级的障碍2.微粒捕集器(dieselparticulatefilter,DPF)被认为是解决柴油机微粒排放问题有效的手段之已成为当前柴油车微粒排放控制技术的研究热点,但深受其价格、再生及过滤小颗粒PM等诸多问题的困扰,―直未得以良好的应用H.针对以上问题,笔者利用特殊工艺对微米木纤维进行整体炭化和活化,制成绿色环保、成本低、净化效率高、具有活性炭性质的炭化微米木纤维(carbonizedmicronwoodfiber,CMWF)过滤体(亦称滤芯)4.该过滤体的突出优点是对小颗粒吸附能力强。利用巨正则系综蒙特卡罗法(grand性炭孔中的吸附,并通过DPF性能检测试验台对活性炭孔吸附纳米粒子的GCEMC模拟结果进行验证。

  CMWF滤芯制作工艺及特性CMWF是顺纹刨切木材制成的几十微米厚、几百微米宽、几千微米长的高强度木纤维,经过胶合和热压重组成型,再经过特殊工艺炭化和活化而成的新型过滤材料H.5以微观力学和细胞学理幅度增加管胞容腔的接触面积,提高PM的吸附速度及在细胞中的吸附量。为传统木纤维端面细胞结构,为木纤维微米级切削后的细胞结构图。

  笔者所在课题组利用自行研制的数控大型微米刨片机加工微米级厚度刨花,并将刨花加工成微米木纤维;进而利用微纤丝模压制品加工专用压机制成微米木纤维滤芯,利用特殊炭化和活化工艺初步研制出CMWF滤芯并组装成可拆卸式DPF,CMWF过滤体制作过程如所示。

  2柴油发动机排放颗粒物特性分析近年来,国际上广泛开展了柴油机超微颗粒排放方面的研究。根据颗粒粒径的不同,排放颗粒可分为核模态(粒径小于50nm)、积聚模态和粗糙模态。其中核模态占排气总颗粒数量的90以上,而其在排放颗粒总质量中所占的比例却不超过1002.研究结果表明:超过90以上的纳米颗粒由挥发性颗粒前驱物成核而成。7指出,碳氢燃料的不完全燃烧所生成的碳烟是以碳原子作为主要成分并含有10~30氢原子的碳氢化合物所组成。在缺氧条件下,碳氢燃料中的重质烃在液态下直接脱氢碳化,成为焦碳状的液相析出型态碳粒,粒度一般比较大;而轻质烃首先气化,然后裂解成甲烷和乙烯之类的低分子碳氢化合物以及多环芳烃,它们不断脱氢形成原子级的碳粒子并聚合成直径2nm左右的碳烟核心,碳烟核心再碰撞凝聚并与其它有机物附着,碳核增大为直径20~50nm左右的碳烟基元。在这些碳烟基元中,部分会在排气系统中继续积聚,而剩郭秀荣等:炭化微米木纤维滤芯柴油机排放纳米颗粒吸附特性余部分则随尾气到达CMWF滤芯前端。由于在柴油车排放物中,从数量上看,核模态粒子所占比例很大,所以研究CMWF滤芯对核模态粒子的吸附容量意义重大。主要利用GCEMC方法对CMWF滤芯吸附纳米粒子的颗粒数加以统计,在分析过程中,将含纳米碳烟颗粒的尾气视为流体进行研究。

  CMWF滤芯吸附过程模拟GCEMC是模拟吸附过程的一种行之有效的方法。在巨正则系综中,化学势、温度和体积是固定不变的,而系综中的粒子数是可变的。目前,国内外多位研究者利用GCEMC方法对活性炭孔吸附气体及纳米级粒子进行了研究08.文中将利用计算机模拟CMWF滤芯吸附纳米粒子的过程。

  3.1势能模型在计算机分子模拟中,广泛采用Lennard-ones(L)势能模型。由于纳米粒子为挥发性颗粒前驱物成核而成的非极性颗粒,故采用在巨正则系综中广泛应用的截断漂移L势能(CSL)来表征流体纳米颗粒之间的相互作用08.距离,nm;r.为截断半径,nm,采用球形截断计算势能,截断半径为3.8f,CTff为纳米粒子尺寸参数。

  流体相与单个狭缝炭孔墙之间的势能采用平均场理论中的10-4-3势能模型。为流体在CMWF滤芯狭缝孔中的示意图,狭缝孔孔径H是炭孔墙的中心原子到正对面炭孔墙中心原子的距离。

  定义与狭缝炭孔墙垂直的方向为z轴,则势能可表述为=114nm3;A为石墨的晶面间距,A =0.335nm;z为流体粒子和炭孔墙之间的距离,nm;CTfP分别为纳米粒子的尺寸参数和能量参数,根据9,假设纳米粒子平均尺寸参数为39nm且到达CMWF滤芯前端的粒子数密度为2 cm-3,根据的计算方法可得纳米粒子的能量参数为f/kB =727.5K,其中为波尔兹曼常数,K-1;w和‘分别为炭孔墙的尺寸参数和能量参数,(7W=0.34nm,ww/kis=28K011;和是交互作用参数,它们可以从Lorentz~berthelot混合规则获得:(ff+ww)/2,对固定的孔径H流体相在活性炭孔中的总势能ET可以表示为2种相互作用势能之和,即流体相粒子之间的势能Ef和流体相粒子与炭孔墙之间的3.2模拟过程中的物理量3.2.1量纲归一为了方便和简化计算,文中模拟所涉及量都以流体相粒子的尺寸参数和能量参数作为对比量进行量纲归具体形式如下:势,V为体积,nm3;T为温度,K;p为压强,Pa. 3.2.2化学势的确定理想气体的化学势为抓,理想气体的化学势量纲归一后为在/T系综热力学平衡时,孔中流体相与主体流体相的化学势相同。系统化学势//为2部分之和,即理想气体化学势/4和剩余化学势M为//=+/4(9)

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