柴油機(jī)顆粒物捕集器的選擇和結(jié)構(gòu)參數(shù)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22379柴油機(jī)顆粒物捕集器的選擇和結(jié)構(gòu)參數(shù)分析案例 164691.1顆粒捕集器的設(shè)計(jì) 138261.1.1過(guò)濾載體的選擇 1156581.1.2蜂窩小孔的幾何形狀 15071.1.3顆粒捕集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21.1顆粒捕集器的設(shè)計(jì)1.1.1過(guò)濾載體的選擇一般用來(lái)承載化學(xué)反應(yīng)物的蜂窩陶瓷或金屬孔網(wǎng)統(tǒng)稱(chēng)為催化劑載體[27]，載體與缸內(nèi)排出的尾氣發(fā)生反應(yīng)，降低了NOx排放，在尾氣與載體接觸的時(shí)候，具有較大的表面積和較多的排氣相接觸，同時(shí)盡可能有較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行反應(yīng)。為了盡可能的降低NOx，載體的孔數(shù)自然是越多越好，如此接觸的表面積增大了，但是當(dāng)數(shù)目達(dá)到了一個(gè)閾值后，就會(huì)增加排氣背壓，破壞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒平衡，反而惡化排放，從制造工藝上面來(lái)看，孔數(shù)的增多還會(huì)提高制造的難度，所以載體孔數(shù)的多少應(yīng)于所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配。載體材料主要有陶瓷基、金屬基和復(fù)合基，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的是陶瓷過(guò)濾載體。陶瓷基載流體中開(kāi)發(fā)最早使用最廣泛的是堇青石，具有熱膨脹系數(shù)低、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，而陶瓷載載體中的壁流式蜂窩陶瓷載體尺寸較小，設(shè)計(jì)較為靈活，造價(jià)低，熱膨脹系數(shù)小，較強(qiáng)抗氧化性，較小的排氣阻力，耐熱、耐腐蝕性，綜上選擇壁流式蜂窩陶瓷載體。圖1.1蜂窩陶瓷載體結(jié)構(gòu)1.1.2蜂窩小孔的幾何形狀壁流式蜂窩載體內(nèi)部由許多軸向平行的孔道組成，他的端面的小孔呈線性排列，且交替封堵，小孔形狀一般取正方形。圖1.2蜂窩小孔形狀孔道邊長(zhǎng)的計(jì)算式是N=1/d2，其中N為孔密度，一般為47-93個(gè)/cm2，d為小孔邊長(zhǎng)，這里取孔密度為70個(gè)/cm2，則d=1.195mm,壁厚取t=0.4mm。1.1.3顆粒捕集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載體的設(shè)計(jì)載體的設(shè)計(jì)主要包括載體形狀和尺寸設(shè)計(jì)，載體形狀設(shè)計(jì)成圓柱形時(shí)其性能較好，因?yàn)檩d體的工作環(huán)境主要是高溫、高震蕩，而圓柱形的載體可以讓其所受的溫度和應(yīng)力成梯度均勻分布，從而提高其可靠性。對(duì)于濰柴WP13.500E501而言后處理系統(tǒng)的安裝空間較大，綜上選擇圓柱狀過(guò)濾載體。尺寸設(shè)計(jì)：連續(xù)再生式顆粒捕集器與發(fā)動(dòng)機(jī)排量之間的關(guān)系為；V=1～1.2Vst （2-1）式中，Vst指發(fā)動(dòng)機(jī)排量（L）本設(shè)計(jì)中WP13.500E501排量為11.54L，取V=1.6Vst，則：（2-2）又：（2-3）考慮到排氣需要在載體內(nèi)停留足夠的時(shí)間和流經(jīng)載體壓降損失，載體長(zhǎng)徑比一般取0.75-1.0.暫取載體直徑d=310mm,長(zhǎng)徑比L/d=0.85，則L=263.5mm，故顆粒捕集器（DPF）載體的體積：（2-4）滿(mǎn)足式（2-1）由上知連續(xù)再生式顆粒捕集器載體的參數(shù)如表2-1：DPF單位類(lèi)型壁流式-材質(zhì)堇青石-載體直徑310mm載體長(zhǎng)度263.5mm孔密度70個(gè)/cm2壁厚0.4mm孔道形狀正方形-孔道寬度1.195mm表2-1DPF載體參數(shù)墊層的設(shè)計(jì)墊層是顆粒捕集的重要組成部分，具有良好的絕熱性以提高DPF的耐久性，作用是殼體和載體可靠的連接在一起，本設(shè)計(jì)中墊層采用陶瓷密封墊。墊層型號(hào)的選擇對(duì)DPF使用性能影響較大，尤其是其名義厚度的確定。在允許范圍內(nèi)，名義厚度較大的具有以下優(yōu)點(diǎn)：較好的墊層密度分布、使殼體有更好的隔熱性能，提高其使用耐久性、可以較地避免墊層初裝時(shí)的載體受力不均衡的情況，減少熱膨脹性情況，但厚度越大經(jīng)濟(jì)性越差，因此確定厚度時(shí)應(yīng)綜合考慮價(jià)格和使用情況。本設(shè)計(jì)因?qū)︻w粒捕集器沒(méi)有特別要求，因此選用3M公司生產(chǎn)的型號(hào)為InteramTM100的墊層，單位面積重量為3662（g/cm2），名義厚度為5.4mm，充填密度取推薦值1.0g/m2。對(duì)于大多數(shù)墊層密封系統(tǒng)而言，InteramTM100密墊層必須包裹住陶瓷載體表面90%以上的區(qū)域。墊層的形狀由陶瓷載體的寬度決定，通常有卡扣式和互搭式兩種設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用能在包覆載體的同時(shí)密封接口的卡扣式墊層。圖1.3墊層形狀圖中B為墊層的寬度，它的尺寸要能夠基本包覆載體，但要比載體長(zhǎng)度少4—6mm以防止墊層膨脹堵塞載體小孔，A大體上等于載體周長(zhǎng)，D取30-40mm，C、E取載體寬度的1/3，根據(jù)表2-1載體的尺寸，可得墊層的各尺寸為：（2-5）（2-6）殼體的設(shè)計(jì)DPF的過(guò)濾效果、再生效率以及柴油機(jī)的動(dòng)力性與殼體設(shè)計(jì)有關(guān)。殼體需要具備較好的強(qiáng)度和剛度、保證內(nèi)部流場(chǎng)均勻，避免出現(xiàn)渦流和氣壁分離現(xiàn)象以及較小的氣流阻力。殼體的擴(kuò)張管應(yīng)重點(diǎn)分析設(shè)計(jì)，擴(kuò)張管內(nèi)的氣流速度分布應(yīng)均勻，以減少氣壁分離現(xiàn)象，使進(jìn)入載體的排氣均勻，從而發(fā)揮全部催化劑的作用，提高DPF的可靠性和效率。1）殼體材料的選擇連續(xù)再生式顆粒捕集器工作環(huán)境惡劣，殼體材料在滿(mǎn)足良好使用性能同時(shí)，還應(yīng)兼顧成本。殼體一般以不銹鋼為主，常見(jiàn)的有1Cr13和0Cr13，本設(shè)計(jì)殼體材料選擇0Cr13。2）殼體形狀設(shè)計(jì)為保證載體內(nèi)部流場(chǎng)均勻性，殼體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重分析擴(kuò)張管和收縮管的空氣動(dòng)力學(xué)，同時(shí)使過(guò)濾體的壓降損失較小。殼體中間段形狀取決于載體形狀，因此采用圓柱狀，圖所示為殼體簡(jiǎn)圖，殼體的擴(kuò)張管即（AA"、BB"）和收縮管部分（CC"、DD"）影響顆粒捕集器內(nèi)部的流場(chǎng)均勻性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行優(yōu)化，擴(kuò)張角的初始值設(shè)為45°之后，改變其角度為30°、60°進(jìn)行流場(chǎng)分析，以下為殼體的基本尺寸：圖1.4殼體形狀殼體形狀為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，殼體壁厚取2mm，入口管和出口管長(zhǎng)度取100mm，入口管的內(nèi)徑一般取40-80mm，根據(jù)濰柴WP13.500E501柴油機(jī)參數(shù)取60mm。擴(kuò)張管的擴(kuò)張角初始值取45°，