基于等压差水膜的柴油机尾气净化装置研究

张新丹 ，谢小鹏 ，黄华辉

（1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640；2.东莞理工学院 城市学院，广东东莞 523419）

0 引言

目前主流的车用发动机为汽油机和柴油机两种，汽油机具有较小的体积和质量，并且拥有较高的升功率，适用于各类小型车辆。而柴油机凭借其良好的动力性、经济型和耐久性，越来越受到人们的重视，被普遍使用在各种大型客车、载重汽车和各类工程机械中［1］。但是柴油机在使用过程中，由于燃烧方式、燃料性质的限制，会导致颗粒物的排放远高于汽油机［2］。随着日益严峻的环境污染问题和人们环保意识的提高，世界各国都出台了相应的政策以减少汽车尾气造成的污染。尾气净化尤其是颗粒物净化技术成为行业热点问题［3］。因此研究柴油机机外颗粒物净化技术无论是在保护环境还是人类身体健康方面都具有重大的理论和现实意义。

由于尾气中的颗粒物是一种固体颗粒，在随尾气流动的过程中表现出不同的物理性质，因此可以通过物理方法使二者分离。TSUNEYOSHI等［4］研发了一种六边形网格结构的微粒捕集器，相比传统结构过滤效率更高压降更小。杜小朋等［5］开发了一款使尾气颗粒物带电的装置，这使得尾气颗粒物可以与电场产生作用，与气体分离。龚瑞卿［6］设计制作了一款基于气固两相流理论，利用离心作用使气体和颗粒物分离的装置，并通过装置下部的液体收集颗粒物，以此净化尾气颗粒物。当前柴油机尾气颗粒物主流处理技术是微粒捕集器，这种装置相对其他装置结构简单、过滤效率高，但该装置也有一些不足。由于结构的限制，捕集器内已捕集的颗粒物无法排出，使用过程中过滤器的排气阻力会不断增加，若不及时进行再生过程，将会导致发动机性能恶化。由于过滤器制作材料的限制，其机械强度较低，受到大的震动或冲击作用容易损坏。

本文利用颗粒物惯性作用和水膜吸附达到颗粒物和尾气分离的原理，开发设计一款新型尾气颗粒物过滤净化装置，通过分析计算得到形成湿润壁面连续水膜的条件。选择合适的波形板面，搭建了柴油机尾气颗粒物检测系统。

1 净化装置设计原理

净化装置的原理是在柴油机排气管道中设置水膜吸附单元，在波形档板板面形成一层水膜，使颗粒物等污染物在自身重力作用下和一定速度冲撞波形挡板表层水膜沉降到箱体底部，达到颗粒物和尾气分离的目的。柴油机尾气颗粒物净化装置结构如图1所示。

图1 柴油机尾气颗粒物净化装置结构Fig.1 Structural diagram of diesel engine exhaust particles purification device

净化装置由波形板面单元和底部水单元组成。其结构和工作原理是将净化装置进气管连接在柴油机排气管道上。工作时，尾气从进气管进入箱体内，一部分尾气直接与箱体底部水面接触，尾气颗粒物就会被水面吸附，被吸附的颗粒物发生沉降；一部分尾气在箱体运动过程中会与波形挡板碰撞，波形挡板上开有渗水孔，水箱中的水通过注水槽进而经过渗水孔渗流到波形挡板表层，从而在波形挡板上形成水膜，尾气与水膜发生碰撞，尾气中的颗粒物和水结合增重沉降到箱体底部。当水膜吸附尾气颗粒物发生沉降以后，在注水槽水压作用下会经过渗水孔再次形成新的水膜。当箱体底部水液面超过排污管管道，由排污管排出箱体。尾气经过净化装置处理后由排气管排出。整个净化装置结构简单，吸附效果好。

尾气在进入装置后，运动过程如图2所示。由于惯性作用，尾气沿着水平方向向前运动。在吸附单元间运动过程中，由于吸附单元的“波形”形状而与之发生碰撞，颗粒物被板面的水膜而吸附。而逃逸的颗粒则在下一“波浪”处继续发生碰撞而被吸附，如此往复。

1.1 形成湿润壁面连续水膜的相关方法

本文所设计的尾气颗粒物净化装置利用了壁面水膜吸附尾气中的颗粒物。若管道壁面的湿润程度不均匀，某些位置无法形成连续稳定的壁面水膜，尾气中的颗粒物即便与管壁发生碰撞也无法被捕获吸附，这将对过滤器的过滤效率造成极大的影响。因此使管道壁面形成稳定连续水膜是尾气净化装置设计的关键。提出了以下2种办法，使波形板面能形成稳定连续的水膜，让尾气中的颗粒物能够被有效的吸附。

（1）在过滤吸附板的表面粘贴覆盖吸水性纤维材料，板面微孔中渗出的水被外侧粘贴覆盖的纤维材料吸收，由于纤维材料具有大量的毛细微观结构，被吸收的水在毛细效应的作用下向板面的各处流动扩散，最终使过滤吸附表面各处湿润，形成稳定连续的水膜。考虑到柴油机排出的尾气温度较高，过滤吸附板表面粘贴的纤维材料需要具备一定的耐高温性能，或在将尾气通入净化装置前进行适当的冷却［7］。

（2）对过滤吸附板表面进行适当的处理，使水能够在壁面上均匀扩散，形成稳定连续的水膜。材料表面的润湿性与表面水膜的形成密切相关，可以通过酸洗、喷涂二氧化钛（TiO2）［8］等方式提高管道壁面的润湿性，使稳定连续水膜更加容易形成。通过喷砂、机械加工、粉末烧结等方法改变壁面的微观结构，使壁面产生凹坑和凸起，板面微孔中渗出水可以存留在其中，同时这些微观结构还能形一定的毛细效应使水向壁面各处扩散，形成稳定连续的水膜。

1.2 壁面微孔分布形式设计

通过合理的方法和结构设计可以使管道壁面形成稳定连续水膜。在本文设计的尾气颗粒物净化装置中，过滤吸附板壁面竖直布置，板面不同位置的微孔之间存在一定的高度差，所处位置的压强不同。若板面各微孔采用相同的孔径，这会使不同高度的微孔出水流量不同，若板面微孔在高度上均匀分布，则板面各处湿润程度将不相同，所产生的水膜厚度也将不同，这会对颗粒物吸附效果产生影响。

本文设计了如下几种能使壁面各处湿润程度相同的微孔布置形式。

（1）由于不同高低位置处的压强不同，若各位置的微孔采用相同的孔径，则需调整壁面各位置的微孔分布密度，以平衡不同高低位置处不同压强对单个微孔流量造成的影响，使整个壁面湿润程度均匀。在相同孔径下，微孔所在的位置越低，则压强越大，微孔的流量越大，此处的微孔较为稀疏，随着高度的增加，微孔的密度也应增加，如图3所示。

图3 微孔布置形式一Fig.3 Micropore arrangement 1

（2）若使微孔在壁面上均匀分布，则需改变微孔的孔径，使不同高低位置处的微孔具有不同的孔径，位置较低的微孔孔径较小，随着高度的增加微孔孔径适当增加，如图4所示。

图4 微孔布置形式二Fig.4 Micropore arrangement 2

1.3 壁面微孔孔径与流量、水头高度的关系

当流体在当量直径大于50 μm的通道中流动时，其流动特性与常规尺寸相同［9］。考虑到微孔的加工难度，本文设计的颗粒物净化装置壁面孔径应大于50 μm，可以按常规尺寸进行计算。

由流体力学相关知识可知［10］，在水从壁面微孔流出的过程中主要的流动损失为：水由水腔进入微孔时的局部流动损失和水在微孔中流动的沿程损失。

水在微孔中流动的沿程损失为［10］：

式中 λ—— 沿程损失系数，具体取值与流体流动状态有关；

L ——微孔长度即壁面厚度；

v ——流体流动速度；

d ——微孔孔径。

考虑到壁面微孔孔径较小，形成较薄的均匀稳定水膜不需要过大的流量，微孔中的流速也较小，沿程损失的计算可以按层流状态来计算，则沿程损失与流量孔径的关系为：

式中 μ ——黏度系数；

ρ ——密度；

qv——通过微孔的流量，由试验确定。

水由水腔进入微孔的过程中，由于流动截面突然缩小，产生了局部流动损失，其表达式为：

式中 ξ—— 局部损失系数，取值大小与流道的几何参数有关。

水在水腔中的流动截面积A1比在微孔中的流动截面积A2大很多，当流动截面突然缩小A1＞＞A2时，ξ=0.5。所以壁面小孔的局部流动损失为：

流动过程总流动损失为：

式（5）即孔径、流量和水头高度之间的关系，不同高低位置的小孔水头高度不同，可以根据此式设计小孔的孔径以满足各高低位置小孔流量相同，若采用相同孔径不同分布密度的小孔布置方式，也可以根据此式计算各高低位置小孔流量，进而确定小孔的分布密度。

1.4 满足水从微孔中渗出的最微孔径计算

在壁面微孔孔径设计过程中，若将微孔的孔径设计的过小，在一定的水头压力作用下，水也不能从微孔中流出，这是由于水在微孔出口处，在表面张力的作用下处形成了一弯曲水膜，这个水膜会形成一定的附加压强［11］，阻止水的流出，如图5所示。

图5 微孔出口处产生的弯曲水膜及其附加压强示意Fig.5 Schematic diagram of the curved water film generated at the outlet of the micropore and its additional pressure

考虑到微孔产生弯曲水膜表面积较小，本文将其简化为球形水膜。图6示出球形水膜附加压强及受力情况分析图，水膜底部平面上的水平分力相互平衡，单位周长上的垂直分力为：

整个周长范围上产生的合力大小为：

图6 球形水膜附加压的产生及受力分析Fig.6 Generation of additional pressure and force analysis of spherical water film

所以在弯曲水膜表面张力作用下产生的附加压强大小与液体表面张力和水膜半径的关系为：

微孔出口处的弯曲水膜形成过程如图7所示，考虑到微孔的孔径较小，本文忽略重力的对水膜形状的影响。在微孔两端无压力差或压力差较小时，在毛细效应的作用下，水膜呈图7（a）中所示的凹液面形态。若进一步增大压差，则液面凹凸程度减小，液面半径增大。随着压差的继续增大，水开始从微孔出口处突出，形成一凸起的弯曲水膜，并产生一定的附加压强，如图7（c）所示。继续增大压差，突出的弯曲水膜半径r开始减小，附加压强增加，水膜切线与壁面的夹角增加，直到如图7（d）所示状态，此时水膜切线与壁面之间的夹角达到水与壁面之间的接触角θ0［12］。在此状态下继续增大压差，水开始流出微孔，形成的弯曲水膜切线与壁面夹角保持接触角不变，水膜的半径开始增加，附加压强开始减小，如图7（d）所示。此时微孔两端的压差大于弯曲水膜所能形成的最大附加压强，液体可以源源不断的从微孔中流出。

图7 微孔出口弯曲水膜形成过程示意Fig.7 Schematic diagram of the formation process of the curved water film at the outlet of the micropore

微孔出口处弯曲水膜所能形成的最大附加压强状态即图7（d）所示，此时的弯曲水膜半径最小，最大附加压强为：

过滤吸附板的小孔分布形式设计应考虑弯曲水膜形成的附加压强的影响，设计合理的孔径以保证小孔两端压差大于水膜最大附加压强，使水能顺利的从小孔中流出。

2 净化装置测试

2.1 试验设备

2.1.1 柴油发电机组

柴油发动机为立式4冲程水冷型洋马（YANMAR）机组，具体技术参数见表1。

表1 柴油发动机技术参数Tab.1 Technical parameters of diesel engine

2.1.2 尾气颗粒物净化装置

尾气颗粒物净化装置如图8所示，外形尺寸为1 500 mm×400 mm×600 mm（长×宽×高），净化装置进气口直径为80 mm，出气口直径为80 mm。烟度计采用南华NHT-6不透光烟度计，分辨率为0.1 RB，测试范围在 0.0～10.0 RB。

图8 尾气颗粒物净化装置外形Fig.8 Outline drawing of exhaust particles purification device

2.2 测试过程

柴油机尾气颗粒物测试试验流程如图9所示。

图9 柴油机尾气颗粒物测试试验流程Fig.9 Flow chart of diesel engine exhaust particles test experiment

将净化装置装在柴油机尾部，对比不同工况下柴油机尾气处理装置的净化效果。试验过程采用自由加速和全负荷的烟度测试试验方法，为了验证检测安装尾气颗粒物净化装置前后的排气口的烟度值，进行比对研究和分析。

2.3 测试结果分析

试验检测了安装柴油机尾气颗粒物净化装置后排烟口的烟度值，并与未安装装置前的情况进行了两组试验对比分析。

第1组试验探究不同转速下颗粒物的生成以及对处理装置效果的影响。在试验过程中依次设置了从低到高6组转速大小。对于几种工况下的试验结果如图10所示，柴油机转速为2 200 r/min时，烟度值分别为2.5，0.4 RB，烟度值变化达到2.1 RB，净化率为84%；柴油机转速为1 200 r/min时，烟度值分别为3.9，0.6 RB，烟度值变化达到3.3 RB，净化率为85%；可见柴油机尾气颗粒物净化装置能够减少颗粒物的排放，对尾气颗粒物排放数量浓度有很好的降低作用。

图10 不同转速下烟度值对比Fig.10 Comparison of smoke values at different speeds

第2组试验模拟实际工况下柴油机尾气净化装置处理效率，探究所加负载对颗粒物的生成及装置处理效果的影响。在试验过程中，依次设置了从低到高的五组载荷大小，对经过净化装置前、后的滤纸烟度值进行检测，并计算得到其差值及处理效率，得到的结果见表2。从表中可以看出，柴油机尾气中颗粒物的浓度随着负载的增大而增加，这是由于需要更多的燃油来克服更大的阻力做功而造成的。在采用净化装置后，颗粒物的含量都下降，净化效率基本达到68%左右。并且在各载荷条件下，经过净化后的尾气颗粒物浓度基本一致，说明在这一情况中，装置的净化能力较为明显，对尾气中的颗粒物能够处理到较低水平。

表2 不同负载下烟度值对比Tab.2 Comparison of smoke values under different loads

2.4 净化装置更新

上箱体水箱是提供渗水形成水膜的储水单元，固定在箱体上方，与之通过橡胶圈进行密封连接。与箱体材料一致，水箱也采用304不锈钢制成。在水箱的底部开了波形槽，与下方的波形吸附板相配合，水箱中的水通过槽注入波形吸附板间的空腔内。通过改变水箱中液面的高度而控制吸附板中各出水孔处的压强，从而调节空腔内液体渗出出水孔时的流量及速度。

水箱内部的水可根据需要实时更换，由于水膜形成过程是一个动态运行过程，伴随着颗粒物的吸附过程会下降到下箱体底部，所以吸附单元表面一直处于更新状态，当箱体底部水液面超过排污管管道，由排污管排出箱体，进行清理。

3 结论

（1）提出了一种新的去除尾气颗粒物的方法，利用等压差水膜吸附尾气中的颗粒物，并且对等压差水膜形成条件进行了研究。同时本装置利用波形板提高尾气颗粒物的捕集效率，同时也降低了排气背压。

（2）对于柴油机的不同工况，净化装置的处理效果也不同，随着载荷的增加，颗粒物的浓度增多，同时，装置的净化效率也越高。由于载荷影响颗粒物的浓度，而在模拟试验中也证明在一定范围内，装置的处理能力随着颗粒物浓度的升高而增强。因此在实际工况中，装置对于颗粒物的处理效果也越明显。

（3）设计的柴油机尾气颗粒物净化装置结构简单、成本低、维修方便，能够起到降低尾气中颗粒的作用，并且净化作用良好，尤其是在刚刚启动低速运转的情况下效果更好。