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壁流式过滤体的流动阻力分析及再生效率研究
作者:管理员    发布于:2015-12-12 11:00:57    文字:【】【】【

  壁流式过滤体的流动阻力分析及再生效率研究张春润,邵玉平,孙海东,李新,资新运,何国本(解放军军事交通学院,天津300161)经壁流式过滤体时的压力降低主要由过滤体小孔壁面。PM层、入口和出口小孔通道等4处的流动阻力产生,其中前两处的流动阻力起主要作用。给出了过滤体再生效率的两种定义,并分析了其差别,指出对相同结构的过滤体,可以用再生前后排气流经过滤体的压差计算其再生效率;对不同结构的过滤体用该定义评价再生效率时,应考虑由于过滤体自身结构参数的变化引起的再生效率的变化。

  柴油机排放的PM对人体和环境带来了严重的危害,其毒性已被众多的研究成果所证实。微粒捕集器(DPF)在控制柴油机PM排放方面展示出不可替代的作用。研究表明,柴油机要达到更为严格的欧W和欧V排放法规,必须在其排气系统中加装DPF.在DPF中,壁流式过滤体是目前综合性能优、在国内外研究和应用广泛的过滤体。壁流式过滤体捕集排气PM的过滤过程经历了深床过滤和饼块过滤两个阶段。在过滤初期,由于多孔介质的微孔径大于排放PM的粒径,PM进入到过滤体多孔介质壁面内,由于碰撞、拦截、扩散的作用被捕集如a所示;研究表明111,由于壁流式过滤体的微孔径较小,平均孔径在10Mm~40Mm范围内,过滤过程中深床过滤阶段较短,小孔壁面PM过滤滤饼形成比较迅速且结构致密,所以很快发展为表面过滤阶段如b所示。由于滤饼层也为多孔结构,且其微孔径比过滤壁面的微孔孔径小得多,因此滤饼层的过滤效果比小孔壁面的过滤效果更好。

  在排气流经壁流式过滤体时会优先流向阻力较小的地方,故可以认为PM在过滤体通道内的捕捉和沉积是均匀发生的,即形成的PM滤饼沿整个小孔壁面是均匀的。过滤效率和流动阻力是评价DPF工作性能好坏的两大指标。分析DPF工作时过滤体内流动阻力的变化情况,不仅可以指导DPF的正确使用,还可为过滤体的再生提供科学的判据。

  b饼块过滤过滤过程示意壁流式过滤体的流动阻力分析排气流过干净壁流式过滤体时,其流动阻力体积流率;V= D2L为过滤体体积;D为过滤体直径;L为过滤体的有效长度;a为过滤体小孔的边长;ws为过滤体小孔壁面厚度;0为干净过滤体小孔孔壁的渗透率;F为摩擦因数,为28.454.其中,第1项为排气流过过滤体多孔介质壁面时的阻力,第2和第3项分别是排气流经入口小孔收穑日期:2005基金项目:国家高技术研究发展计划(863)专项经费资助(2003AA643010B)9:张春;润(1957男天津市人教授博士主要研究方向为柴油机排放控制车用发动机和出口小孔通道时的摩擦阻力。当壁流式过滤体捕集了一定的PM,PM滤饼形成后(见和),其流动阻力由以下几项组成孔壁面时的流动阻力;和△和都遵循达西定律。Apin和Apout分别为排气流经入口小孔和出口小孔时的流动阻力。式(2)中,饼层厚度;Q为通过单个小孔的排气体积流率;A为单个小孔的过滤面积。如所示,在一个承载了一定量PM的过滤体上,沉积在一个入口小孔通道内的PM的体积为过滤体小孔通道示意流动阻力各组成项的比较过滤初期,即在深床过滤阶段,ko的数值是变化的。研究表明131,当滤饼形成后,ko和ks都可以按常数考虑。在滤饼形成后,分析式(3)各组成项的数量级。已知koO(1013),ks0(1014),而排气换后得沉积了PM的入口小孔通道的有效流动宽度为a* -2w.有效流动宽度的改变导致了排气在入口小孔内流速的改变,进而造成了流动阻力的变化流过入口和出口小孔时的压降数量级均为O(1012)|4|;所以可以说,排气流经壁流式过滤体时,其流动阻力主要由小孔壁面阻力和PM层阻力两项组成。所以工程计算中可用式(4)代替式(3)。

  的增加,即随着PM滤饼的增厚,排气流经PM层时的阻力占了主导地位,此时随着PM沉积量的增加,过滤体的流动阻力大幅度上升151. 3再生效率定义而出口小孔由于没有PM沉积,其流动阻力不变这样,壁流式过滤体承载了一定的PM后,其总的流动阻力为随着过滤体小孔壁面上PM积累量的增多,发动机排气背压将上升。过高的排气背压会使发动机功率下降,油耗上升。此时应该用燃烧等方法将过滤器内累积的PM除去,即过滤体“再生”,使发动机在允许的排气背压下正常运行。

  过滤体能否良好再生,是整个DPF能否正常使用的关键。通常用再生效率来评价过滤体再生性能的好坏。过滤体再生效率的定义为161是再生前后过滤体的质量它包括张春润,等:壁流式过滤体的流动阻力分析及再生效率研究。67.过滤体自身的质量mo和捕集到的PM质量,即:mTi二m+m2,mi和m2分别是再生前后过滤体内捕集的PM质量,Am是再生除去的PM质量。

  以上定义的过滤体的再生效率,不仅与捕集到的和除去的PM质量有关,还与过滤体自身的质量有关。但从严格意义上讲,过滤体的再生效率不应该考虑过滤体自身的质量,应该由下式定义但在柴油机运行过程中,mi和m2不能直接测量,当选择了一种再生方法后,为了评估DPF工作时的再生效率,给出以下的定义力,Ap是干净过滤体的流动阻力。

  将上面导出的各式分别代入式(7),得的常数。可以看出,以过滤体再生前后的压降计算再生效率时,再生效率的大小不仅与再生前后过滤体内沉积的PM质量有关,还与过滤体的结构参数有关。如果以再生后过滤体内残存的PM质量m2为横坐标,以再生效率n为纵坐标,画出n和n的示意图如所示。

  从中可以看出,同样的再生状况下,用再生前后过滤体两端的压差计算出的再生效率大于用再生前后过滤体内沉积的PM量的计算值。对不同结构的壁流式过滤体,随着B的增加(Bi,B2为不同的B值),n越接近于n. 5结论a)排气流经承载了一定量PM的壁流式过滤体时,压力的降低主要由过滤体小孔壁面、PM层、入口和出口小孔通道等4处的流动阻力产生,其中前两处的流动阻力起主要作用;b)用排气流经过滤体时产生的压降定义的再生效率,其值仅与再生前后过滤体内PM的质量以及过滤体的结构参数有关,故对相同结构的过滤体可以用n来衡量DPF工作时再生效率的大小;c)对不同结构的过滤体用n评价DPF的再生效率时,应考虑由于过滤体自身结构参数的变化引起的再生效率的变化。

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