柴油机排气微粒旋流净化系统的试验研究1

摘要
  为减少柴油机排气微粒对环境的污染，开辟柴油机排气微粒后处理技术新领域，研制了柴油机排气微粒轴流直流式旋流净化器，对旋流净化器 的净化特性进行了理论分析和试验研究。试验研究结果表 明，排气微粒旋流净化技术对柴油机排气微粒的净化是有效的；柴油机运行工况及旋流子结构参数等对排气微粒净化效率有一定影响；排气微粒的凝聚是微粒旋流分离净化的前提。通过对净化器结构的优化设计以及采取必要的微粒凝聚措施，可以显著提高柴油机排气 微粒旋流净化器的净化效率。
  关键词  柴油机 排气微 粒旋 流分 离器 试验 研究
  引  言
  目前柴油机排气微粒机外后处理方法是微粒的过滤及过滤体再生技术 ，这一技术存在的主要问题是过滤体的阻力大、强度弱、使用寿命短、易发生高温烧结和爆裂以及过滤体再生及控制系统 比较复杂、可靠性较差、成本价格过高等。这些问题的存在妨碍了这一技术的推广应用。
  以前的许多研究表明，旋流分离器对于细小颗粒 (粒径一般小于 2 p,m)的分离效率较低 ，因而难以有效地进行细小颗粒的分离。旋流分离器作为气固分离设备早已应用于许多工业领域 ，其结构形式、分离机理以及流场分析等方面的研究已进入了新的研究阶段 ，可以净化的微粒粒径逐渐减小 ，使其逐渐可以用于柴油机排气微粒的净化。英美等国的科 学家近两年来正在积极地开展这一方面的研究¨  。文献 [4]仅就柴油机排气微粒旋流分离的可行性进行了理论分析和预测 ，尚未进行过试验研究 。文献中分析认为 ：旋流分离器具有无运动部件、工作稳定可靠、造价低、维修方便等优点 ，如果能将其用于柴油机排气微粒的分离净化，无疑将为柴油机排气微粒机外后处理技术的开发研究开辟个新的领域。
  为此，2003年 9至 l1月间 ，笔者与济南柴油机厂的科研人员一道，在文献 [4]的启发下 ，针对 12V190柴油机的排气及微粒的特点 ，研制了柴油机排气微粒旋流净化系统 ，并对它的特性进行了理论分析及试验研究，通过对净化器结构的优化设计以及采取必要的微粒凝聚措施 ，提高了柴油机排气微粒旋流净化器的净化效率。
  轴流直流式柴油机排气微
  粒旋流净化器 的理论分析
  柴油机排气微粒旋流分离净化器的主要部分是旋流子。笔者在旋流净化器中采用轴流直流式旋流子作为分离器件。
   为了便于分析 ，特作如下假设：旋流子与外界没有热量交换 ，气流流经叶片时是一个绝热过程；微粒足够分散 ，旋流分离时不考虑微粒问的相互作
  用 ；微粒为球状 ，其当量直径为 d。微粒的临界分离直径定义为气流通过分离室的
  时间内，正好沿径向由筒体轴线处移动到筒体内壁而被分离的微粒粒径。在以上假设条件下，通过理论推导可以求得旋流净化器的微粒临界分离直径和微粒分级净化效率。
   利用数学模型对柴油机排气微粒旋流分离净化器的净化特性进行分析。分析中气流和微粒的物性参数按实际情况选取 。旋流子结构参数主要有分离室直径、长度、导流叶片出口角度以及叶片轮毂半径等。它们对旋流净化器的微粒分离净化效率具有较大的影响。
  流速越高，净化效率亦越高，但流速超过 5 m／s以后 ，其对净 化效 率 的影响不 如预计的明显 ，特别是对 I  m以下小微粒来说更是如此。因此，盲目地提高气体流速 ，对提高 I p,m以下小微粒的净化效率不会产生明显的影响 ，反而会增加排气阻力 ，对柴油机的运行不利。
  据分析知 ，分离室长度对微粒分离净化效率的影响与气体流速相似，但分离室长度大于 0．2 m以后 ，其长度对 I  m以下微粒的分离已不起太大的作用。
  导流叶片出口角决定了气流偏转程度及切向速度的大小，而切向速度又直接决定了微粒所受离心的大小。叶片出口角对微粒净化效率的影响比气流速度及分离器长度的影响更加强烈一些 ，导流叶片出口角越大，净化效率越高。
  分离室半径及叶片轮毂半径对净化器微粒净化效率的影响。由图可看出，分离室半径
  越小 ，则净化效率越高。在相同的分离室半径条件下 ，叶片轮毂半径越大，净化效率越高。这一点对较大的微粒比较明显 。
  参数的变化可以改变净化器的净化效率。但净化效率的提高往往总是以加大排气 阻力为代价的。因此，在努力提高净化效率的同时，还要使排气阻力控制在允许的范围内。
  参考有关资料，在使排气阻力尽可能低的条件
  下对净化器的旋流子结构参数做如下选取 ：旋流子分离室半径20 mm，长 度 250nlnl，叶 片 轮 毂 半 径9 mm，叶片出口角 45。。在此条件下 ，相当于柴油机最高转速 (N=2 000 r／rain)时的分离室内气体流速达到 25 m／s以上 。为此 ，在具体的净化器结构上可考虑采用多个旋流子并联的方式 ，将分离室内气体的最高流速限制在 10 m／s以内，以降低排气阻力。计算时 ，分离室内气体流速取 10 m／s。据分析 知 ，旋 流净 化 器对 于 0．5 p,m 和 I p,m 的微粒净化效率分别为 50％左右和 70％左右。小于 0．5 la,m微粒的净化效率则较低。因此为了提高旋流净化器的净化效率 ，应设法使柴油机排气微粒凝聚成较大的颗粒 。

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