項(xiàng)目說明書最終版

1、Double Filters雙腔式微波再生顆粒捕集器 設(shè)計者：熊儒成 汪逸 戴凱奇 錢振天 周星辰 許盛濤 段彥昭指導(dǎo)老師：羅 坤 教授 許滄粟 教授 （浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江省，杭州市, 310027）作品內(nèi)容簡介背景：顆粒物（PM）為大氣污染物的主要成分之一，而機(jī)動車是主要的PM排放源之一。截至2013年底，我國重型柴油貨車保有量僅占機(jī)動車總保有量的2.11%，但排放的顆粒物占比卻達(dá)60.7%。柴油機(jī)尾氣顆粒物排放日益嚴(yán)重。問題：現(xiàn)有的柴油機(jī)顆粒物機(jī)外處理方式主要以顆粒捕集器為主，而現(xiàn)有顆粒捕集器的主要問題有：再生困難，使用壽命短，捕集效率差。方案：我們利用微波加熱燃燒的方式解決顆粒捕

2、集器的再生問題，能量利用率達(dá)98.7%，再生效率達(dá)97.2%，實(shí)現(xiàn)低功耗高效再生；通過雙腔體式設(shè)計提高再生過程中的捕集效率和使用壽命;使得顆粒捕集裝置能在較低再生成本下長期高效的運(yùn)行，從而達(dá)到減少顆粒物排放的效果。效果：本裝置能在全車耗油量增加0.05%左右的低能耗條件下，實(shí)現(xiàn)機(jī)外90.47%的微粒捕集效率。在全國472.5萬輛國三及其之前的標(biāo)準(zhǔn)的柴油車上加裝本裝置，可實(shí)現(xiàn)每年減排PM 37.12萬噸，可使機(jī)動車顆粒物排放總量下降60.7%。1柴油貨車的污染現(xiàn)狀及現(xiàn)有再生技術(shù)分析據(jù)中國環(huán)保部2013年機(jī)動車污染物防治年報。全國機(jī)動車顆粒物（PM）排放量為59.4萬噸。其中，汽車排放56.7萬噸

3、，占95.5%。柴油機(jī)的排放物中主要包括NOx，HC，CO 和微粒物，其中 NOx 和微粒物的排放量較高，污染較嚴(yán)重。NOx的排放量與汽油機(jī)相當(dāng)，但微粒排放量則是汽油機(jī)的30-60倍。2015年1月1日起，國家工信部關(guān)于柴油車的國四排放標(biāo)準(zhǔn)開始施行。新標(biāo)準(zhǔn)對于新上牌柴油車的排放有著更加嚴(yán)格的要求，但對此前已投入使用的國三及其之前標(biāo)準(zhǔn)的柴油車卻存在著監(jiān)管空白。我們的目標(biāo)處理對象即為未達(dá)國四標(biāo)準(zhǔn)但大量使用的老舊柴油車，針對這類柴油車的尾氣后處理改裝有著巨大環(huán)境效益?，F(xiàn)行的柴油機(jī)尾氣顆粒物處理技術(shù)主要分為機(jī)內(nèi)處理和機(jī)外處理。由于我們是針對已經(jīng)投入使用的車輛進(jìn)行改裝，無法對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改，故只能采

4、用機(jī)外處理技術(shù)。其中，針對PM的處理，顆粒捕集器是目前捕集效率最高，推廣程度最廣的解決方案。若加裝顆粒捕集器卻不提供配套再生裝置，隨著碳煙微粒在過濾體中的沉積，過濾體逐漸被堵塞，使柴油機(jī)排氣系統(tǒng)阻力增大，排氣背壓增高。當(dāng)排氣背壓超過一定值后，柴油機(jī)的性能開始明顯惡化。因此要定期清除沉積在陶瓷過濾體中的微粒，使排氣阻力降低到正常工作水平，即實(shí)現(xiàn)過濾體的再生。這也是顆粒捕集器能否推廣使用的關(guān)鍵難點(diǎn)。現(xiàn)行的再生技術(shù)主要有噴油助燃技術(shù)、電加熱再生技術(shù)、反吹再生技術(shù)等，而各項(xiàng)再生技術(shù)都有著各自的局限性。造成該裝置使用壽命短，效率低。所以，設(shè)計一套具有再生功能、能長期使用的尾氣后處理裝置勢在必行。表1現(xiàn)有

5、顆粒捕集器再生方法分析現(xiàn)有再生方法實(shí)際應(yīng)用過程中的缺點(diǎn)噴油助燃再生過濾體再生部位不均勻能源消耗量大電加熱再生加熱溫度梯度大，過濾體熱應(yīng)力大再生能耗高逆向噴氣再生過濾體再生不均勻，再生效率低PM收集困難，造成二次污染2雙腔式微波加熱再生顆粒捕集器簡介圖1：雙腔式微波加熱再生顆粒捕集器示意圖 圖2：單腔式微波加熱再生顆粒捕集器實(shí)物模型圖 考慮到現(xiàn)有再生方法的局限性，為解決這一難題，我們設(shè)計了雙腔式微波加熱再生顆粒捕集器。如圖所示，本裝置主要由雙腔體壁流式陶瓷過濾器模塊、微波加熱再生模塊和二次空氣補(bǔ)給模塊組成。旨在通過雙腔交替式微波加熱的方法實(shí)現(xiàn)顆粒捕集器的再生，從而實(shí)現(xiàn)長時間高效率的捕集柴油機(jī)尾氣

6、顆粒物，從而降低柴油車尾氣顆粒物排放，最終實(shí)現(xiàn)減排效果。圖3：Double Filters雙腔式微波再生顆粒捕集器工作流程示意圖主要工作過程為：隨著柴油機(jī)尾氣中的顆粒物不斷被顆粒捕集器捕集，過濾體前后壓差逐漸增大。當(dāng)壓力傳感器檢測到前后壓差到達(dá)三倍時(根據(jù)已有文獻(xiàn)查得的最佳再生時機(jī))，控制系統(tǒng)啟動裝置。車載電源通過逆變器以達(dá)到微波發(fā)生裝置的供電要求，磁控管發(fā)出微波，顆粒捕集器中的碳煙被加熱燃燒，由于再生腔內(nèi)氧氣不足，碳煙不完全燃燒生成CO，造成二次污染，為此我們加入了二次空氣補(bǔ)充裝置，通過氣泵向再生腔內(nèi)補(bǔ)充適量的空氣。此外，考慮到通入二次空氣以及微波加熱過程會對排氣背壓造成影響，從而影響發(fā)動機(jī)

7、的運(yùn)行。我們設(shè)計了雙腔式加熱結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個顆粒捕集器進(jìn)行再生時，通過切換閥將尾氣排入另一個顆粒捕集器，兩個腔體交替運(yùn)行，交替再生，避免再生過程中對發(fā)動機(jī)的不良影響，以及旁通閥排出的未處理尾氣對環(huán)境的影響。2.1微波加熱再生裝置 圖4：單腔體加熱裝置示意圖上圖所示為單個腔體加熱裝置。采用微波加熱再生的方式，可以實(shí)現(xiàn)就地生熱內(nèi)外同熱，不需要傳熱過程，瞬時可達(dá)到高溫。因此具有加熱速度快(相同功率下為用時僅為電加熱的七分之一以下)，能量利用率高（達(dá)98.7%），可實(shí)現(xiàn)快速自動控制等一系列優(yōu)點(diǎn)。微波在過濾體內(nèi)形成空間分布的熱源，對沉積在過濾體上的對微波具有極強(qiáng)吸收能力的微粒進(jìn)行加熱，使碳煙微粒吸熱燃燒。再

8、生過程中，過濾體內(nèi)部的溫度梯度小，因而減小了熱應(yīng)力引起過濾體破壞的可能性，再生窗口顯著加寬，再生過程易于控制，對過濾體使用壽命的延長、有效再生是十分有利的。2.2雙腔體式柴油顆粒捕集器 A腔收集尾氣B腔再生（交替工作后，通過氣動閥的切換，B腔收集尾氣A腔再生）圖5：雙腔式結(jié)構(gòu)工作原理圖對于傳統(tǒng)的單腔體式顆粒捕集器，再生過程會對尾氣管道內(nèi)氣體流場造成影響，從而影響發(fā)動機(jī)性能。因此，傳統(tǒng)的再生裝置往往在再生腔體前加入旁通閥，實(shí)際再生過程中，柴油機(jī)排放的尾氣通過旁通閥通入大氣，導(dǎo)致裝置整體減排效果欠佳。為此，我們設(shè)計了雙腔式再生腔體，當(dāng)其中一個捕集器捕集效率有所下降時，通過切換閥將尾氣通入另一只腔體

9、，再對原有腔體進(jìn)行微波加熱。兩個腔體交替使用，交替再生，可以保證尾氣中的顆粒物時刻被捕集。雖然一次制造成本相對單腔體較高，但避免單個腔體長時間連續(xù)工作可以極大延長裝置的使用壽命，可以減少車輛在日后更換尾氣控制裝置過程中的往返成本以及更換成本；同時減少監(jiān)管過程中所耗的人力物力。從更廣泛的意義來看，本裝置不僅利用較低的代價實(shí)現(xiàn)了減排的效果，同時也在很大程度上降低了能耗。2.3二次空氣補(bǔ)給裝置 傳統(tǒng)的主動加熱再生過程，如電加熱再生、噴油再生的過程中，由于顆粒燃燒需要消耗大量氧氣，往往會使得顆粒物中的碳煙不完全燃燒生成CO等二次污染氣體，從而在再生過程中增大對環(huán)境的危害。同時，由于顆粒捕集器內(nèi)的顆粒物

10、無法充分燃燒，缺氧狀態(tài)也會對再生效率造成影響?；谝陨蠁栴}，我們加入了二次空氣補(bǔ)給模塊，在顆粒捕集器前段安裝一個小型氣泵，并通過切換閥控制其開閉。通過實(shí)驗(yàn)確定在不同工況、不同溫度條件下通入二次空氣的最佳流量。從而在再生過程中通入合適的二次空氣，幫助顆粒捕集高效再生，且減少再生過程中二次污染物的排放。3微波加熱及腔體設(shè)計原理3.1微波加熱原理當(dāng)微波作用于由極性分子組成的電介質(zhì)時，極性分子形成的電偶極子便從高頻電場中獲得位能，偶極子將隨高頻電場的方向改變而高速變化，相鄰的分子相互高速摩擦，便把從電磁場中獲得的位能轉(zhuǎn)化成熱能，從而使電介質(zhì)迅速升溫。柴油機(jī)尾氣顆粒物中，干碳煙為最主要成分，占75%左右

11、；有機(jī)可溶成分占20%-23%。以及極少量硫系陰離子，氫系陰離子，金屬。隨著國內(nèi)燃油品質(zhì)的不斷提升，硫系陰離子和金屬的含量將進(jìn)一步降低。其中，碳煙的損耗角較大，容易被微波加熱，其燃點(diǎn)為550左右，燃油燃點(diǎn)為427，潤滑油燃點(diǎn)為200，均能通過微波加熱使其達(dá)到燃點(diǎn)并燃盡。被加熱材料在微波場中吸收的微波功率可由下式計算： f 微波頻率；´材料的介電常數(shù)；E電場強(qiáng)度（V/cm）；tan材料的損耗系數(shù)；由上式可以看出，被加熱材料吸收微波能量的能力與材料本身的特性（介電常數(shù)，損耗系數(shù)等參數(shù)）有關(guān)。這也就是微波的選擇加熱性。碳煙顆粒損耗系數(shù)為tan=153.5×103，極易被微波加熱，

12、從而燃燒并實(shí)現(xiàn)再生過程。3.2對于特定頻率微波諧振腔體的設(shè)計載體外殼實(shí)際可等效為一個圓柱形諧振腔加熱器。為了能讓電磁能有效地傳遞到碳顆粒上，諧振腔設(shè)計時，要求諧振腔的尺寸取特定的值，從而使在微波源的工作頻帶（2450 ± 30MHz）內(nèi)，諧振腔內(nèi)存在諧振模式。為了求得諧振腔的尺寸，我們首先進(jìn)行了理論計算，求出一個粗略的值。由于實(shí)際腔體形狀與理論分析不符，而且腔體內(nèi)還存在著堇青石、碳煙顆粒介質(zhì)，求得的結(jié)果會有偏差。為了求得更為精確的值，我們又進(jìn)行了CST軟件仿真。具體的理論計算及軟件仿真過程見附件1腔體尺寸設(shè)計及CST軟件仿真流程。依據(jù)仿真結(jié)果所得尺寸，我們進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計并加工完成了單

13、腔體式微波加熱再生顆粒捕集器，具體的機(jī)械設(shè)計過程及機(jī)械制圖參見附件2腔體設(shè)計機(jī)械制圖。并以此腔體為模型完成了理論驗(yàn)證試驗(yàn)。 圖6：仿真所得能流分布圖?？梢钥吹剑芰?圖7：仿真所得能量損失圖。能量損失最大處由磁控管發(fā)出后主要向左端過濾體流動，當(dāng)能 為過濾體中心位置，可以最大程度將微波能量量流過左端過濾體時，逐步被過濾體吸收。 損耗用于過濾體溫度的升高，實(shí)現(xiàn)高效加熱。圖8：S11參數(shù)隨頻率變化圖。觀察S11參數(shù)（反射能量與總能量之比）隨頻率的變化，S11參數(shù)在頻率為2.45G處出現(xiàn)了一個吸收峰，為-38.04dB，對能量的吸收效率達(dá)到了98.7%，而2.45GHz恰為磁控管微波發(fā)射頻率，說明腔體

14、可以有效的吸收微波能量，反射的能量不會燒毀磁控管。4難點(diǎn)與解決本裝置在實(shí)際設(shè)計和模型制作的過程中，考慮到實(shí)際使用和推廣過程中的安全、便捷、低成本等要求，結(jié)合車輛運(yùn)行過程中的實(shí)際特點(diǎn)，我們或借鑒相關(guān)產(chǎn)品中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適應(yīng)性改造，或結(jié)合現(xiàn)有知識儲備自行思考并實(shí)現(xiàn)了一些精巧的小設(shè)計，以解決我們在設(shè)計和制作過程中所遇到的難題，使得本套裝置更具有實(shí)際使用價值。 圖8：難點(diǎn)解決部分位置示意圖及實(shí)物圖4.1采用壁流式堇青石過濾體解決過濾體選擇問題在腔體內(nèi)部，裝有過濾器以實(shí)現(xiàn)對尾氣中顆粒的捕集功能。我們選用了材料為堇青石，結(jié)構(gòu)為壁流式的過濾器。如圖所示，壁流式蜂窩陶瓷是目前過濾效果最好，結(jié)構(gòu)最緊湊的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計

15、。為充分利用微波的選擇加熱特性，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能再生和延長過濾體壽命。我們選用了堇青石作為過濾材料。堇青石對微波基本呈透明狀態(tài)，過濾體中沉積的微粒是微波選擇加熱的主要對象。由于過濾體本身不吸收微波，隨著再生的進(jìn)行，前端微粒燃燒，微波加熱區(qū)域逐漸向后推移，這樣就可以基本保證整個過濾體上沉積的微粒都能得到很好的加熱。4.2設(shè)計石英保護(hù)罩解決尾氣污染磁控管問題（圖8中部件）我們選用的磁控管是目前市場上常見的頻率為2450MHz的700W磁控管，目前主要應(yīng)用于微波爐配件中。在預(yù)實(shí)驗(yàn)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，含有碳煙的尾氣進(jìn)入波導(dǎo)，會在磁控管的輸出窗上積聚碳煙，可能引起微波放電，損壞磁控管。為此，我們選用了加裝石

16、英保護(hù)罩解決此問題，一方面磁控管輸出窗與載體外殼空腔隔離，另一方面，由于石英材質(zhì)的損耗角極小，微波可以無損耗的通過石英玻璃罩，尾氣中附著在石英罩上的碳粒，在微波作用下自動燃燒。4.3設(shè)計微波截止隔熱環(huán)解決磁控管受熱溫度過高問題(圖8中部件)實(shí)驗(yàn)初期，由于墻體內(nèi)溫度較高，與腔體直接接觸的金屬制磁控管通過熱傳導(dǎo)的方式接受熱量傳遞而急劇升溫，導(dǎo)致磁控管燒壞，為此我們根據(jù)磁控管微波發(fā)射頭的尺設(shè)計了微波截止隔熱環(huán)，由于該環(huán)為金屬材質(zhì)，可保證不會造成微波泄漏；重要的是，將此環(huán)置于腔體平臺和磁控管之間，可在二者之間形成空氣冷卻層，減少從腔體向磁控管的熱量傳遞，從而更好地保護(hù)磁控管。4.4設(shè)計微波截止板解決微

17、波防泄漏問題(圖8中部件)微波加熱再生的安全性是決定此項(xiàng)技術(shù)能否推廣應(yīng)用于市場的重要因素，也是我們考慮的重點(diǎn)。為此，我們通過對微波特性的了解，設(shè)計并加工出防止微波泄漏安全裝置微波截止板。我們自主設(shè)計了微波截止板。載體腔端蓋的通氣口端安裝直徑14cm 的不銹鋼金屬片，并在上面打上大約 16×16 個 直徑0.6cm的小孔。一方面保證微波只在圓柱形腔內(nèi)諧振，不向外輻射；另一方面不妨礙尾氣順利通過過濾裝置。5實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果5.1過濾體捕集效率測定實(shí)驗(yàn)方案使用發(fā)動機(jī)型號為三環(huán)290F風(fēng)冷系列柴油機(jī)，排氣量為1.145L，標(biāo)定功率為12KW。過濾體選用深圳速美公司生產(chǎn)的壁流式蜂窩陶瓷過濾體，尺

18、寸為144×152.2mm，堆密度為1.1kg/L，孔容為0.52ml/g。采用盛世牌SV-5Y型不透光式煙度儀測量顆粒捕集器入口和出口的尾氣煙度。保持柴油機(jī)在2400r/min,90%負(fù)荷工況下運(yùn)行，待工況穩(wěn)定后，測得進(jìn)出口的煙度值并計算過濾效率。表2過濾體捕集效率測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)組號組內(nèi)平均進(jìn)口煙度（FSN）組內(nèi)平均出口煙度(FSN)過濾效率（%）10.0570.00689.4720.0450.00393.3330.0470.00589.36平均值0.0490.00490.47實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由上表可以得出，過濾體捕集效率可達(dá)90.47%且較穩(wěn)定。4.2過濾體再生效果測定微波再生裝置連

19、接到柴油機(jī)的排氣管，使用CYG1200系列通用型壓阻式差壓變送器檢測過濾體前后的背壓變化，背壓達(dá)到設(shè)定值6.4kpa時開始再生。此時切換流道通入流量為0.6kg/min的二次空氣。再生過程中通過測定再生前后的過濾體質(zhì)量變化來計算再生效率及再生所需時間。圖9：黑色曲線表示過濾體初次捕集的背壓變化；紅色曲線表明經(jīng)過再生40次后的過濾體再次進(jìn)行捕集的背壓變化。說明過濾體經(jīng)過再生后過濾效果基本不變。圖10：黑色曲線表示過濾體初次再生的碳煙質(zhì)量變化；紅色曲線表示經(jīng)過40次再生后過濾體再生的碳煙質(zhì)量變化。說明再生效率較高且隨使用次數(shù)增多變化很小。圖中黑色曲線表示過濾體捕集完后第一次進(jìn)行再生的質(zhì)量變化。紅色

20、曲線表示經(jīng)過多次捕集再生后的過濾體再次進(jìn)行再生的質(zhì)量變化。說明過濾體的再生效果較高，且隨使用次數(shù)增多變化很小。6 應(yīng)用前景展望本裝置中，微波發(fā)生器功率為700W，實(shí)驗(yàn)過程中每3.6小時再生一次，加熱十分鐘即可達(dá)到再生效果。實(shí)驗(yàn)設(shè)計轉(zhuǎn)速對應(yīng)車速為100km/h，故可以計算得微波加熱所耗電量為0.062kwh/百公里。現(xiàn)有柴油機(jī)效率為40%左右，可計算得使用本裝置每百公里增加耗油量約為0.01L。柴油車滿載行駛的耗油量約為每百公里20L，使用本裝置相當(dāng)于油耗增加了0.05%，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。本套裝置設(shè)計使用壽命為150000公里，單套制作成本約為2175元，若批量生產(chǎn)，預(yù)計可將成本降為1500元

21、左右，相比現(xiàn)有國四柴油貨車每輛2萬元左右的環(huán)保改造成本，價格較低，便于推廣。具體計算過程見附件四：成本及能耗計算過程。7 創(chuàng)新點(diǎn)：微波加熱技術(shù)及雙腔式設(shè)計的應(yīng)用不同于以往的顆粒捕集器再生裝置，本裝置采用了微波加熱再生以及雙腔體式設(shè)計，使得裝置能夠長時間、高效地實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)尾氣顆粒物捕集，我們的主要創(chuàng)新及突破點(diǎn)如下：（1）采用微波加熱的方式進(jìn)行再生，實(shí)現(xiàn)顆粒捕集器均勻、高效、快速再生。微波具有選擇加熱和空間加熱的特點(diǎn)。碳煙顆粒對微波的吸收能力很強(qiáng)，是陶瓷的100倍以上，因此對延長過濾體壽命，提高再生效率十分有利。微波具有良好的空間加熱特性，這種加熱特性可以使沉積在過濾體內(nèi)部的微粒在當(dāng)?shù)匚鼰?、著?/p>

22、和燃燒，不需要任何形式的燃燒傳播，再生窗口寬。過濾體內(nèi)的溫度梯度小，減少了熱應(yīng)力對過濾體損壞的可能性。且通過合理設(shè)計腔體尺寸及設(shè)計防泄漏裝置，保證了微波再生的有效性、安全性和可靠性。相對電加熱或靜電捕集技術(shù)，微波加熱再生的能耗最小，降低了減排成本，有利于市場推廣。（2）設(shè)計雙腔體式微粒捕集器，提高整體捕集效率，延長使用壽命。傳統(tǒng)的微粒捕集器在加熱再生過程中無法進(jìn)行捕集，降低了捕集效率。此外，微波加熱與二次空氣的通入會改變尾氣背壓，影響發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行。采用雙腔體式設(shè)計，當(dāng)一個顆粒捕集器進(jìn)行再生時，通過切換閥將尾氣排入另一個顆粒捕集器，兩個腔體交替運(yùn)行，交替再生，避免再生時對發(fā)動機(jī)的影響以及再生

23、過程中排出的污染物對環(huán)境的影響。此外，避免單個腔體長時間連續(xù)工作可以極大延長裝置的使用壽命，可以減少車輛在日后更換尾氣控制裝置過程中的往返成本以及更換成本；同時減少監(jiān)管過程中所耗的人力物力。從更廣泛的意義來看，本裝置不僅利用較低的代價實(shí)現(xiàn)了減排的效果，同時也在很大程度上降低了能耗。8附件清單附件一：腔體尺寸設(shè)計及CST軟件仿真流程 附件二：腔體設(shè)計機(jī)械制圖匯總附件三：再生過程自動控制單片機(jī)源程序附件四：成本及能耗計算過程附件五：實(shí)驗(yàn)思路詳述及數(shù)據(jù)處理過程附件六：工作過程及實(shí)驗(yàn)過程演示視頻附件七：微波防泄漏檢測結(jié)果參考文獻(xiàn)1 楊儒貴電磁場與電磁波北京：高等教育出版社，2003，65-682 張兆

24、鏜微波加熱技術(shù)基礎(chǔ)北京：電子工業(yè)出版社，1988，27-283 黃志洵截止波導(dǎo)理論導(dǎo)論(第二版).北京：中國計量出版社，1991，41-454 寧智，資新運(yùn)，歐陽明高柴油機(jī)微粒捕捉器主動再生特性的計算與分析內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2001,19(4)：309-3135 龔金科，賴天貴，劉孟祥，等柴油機(jī)微粒捕集器過濾材料與再生方法分析與研究.內(nèi)燃機(jī),2004,(3):1-46 張延峰, 宋崇林, 成存玉,等. 車用柴油機(jī)排氣顆粒物中有機(jī)組分和無機(jī)組分的分析.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2004（3）：199-2007 Yamamoto K.,Satake S.,Yamashita H.Lattice Boltzmann

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26、ou M,eta1Spatial Non-Uniformities in Diesel Particulate Trap RegenerationIn：SAE World CongressDetroit，2001,192-21410 Haralampous O.,Koltsakis G.Intra-layer Temperature Gradients During Regeneration of Diesel Particulate FiltersChemical Engineering Science,2002,57:2345-235511 Liu Y.,Gong J.,Numerical

27、 Simulation of GasParticle Two-Phase Flow Characteristic during Deep Bed Filtration ProcessSAE Paper 2007-01-l135附件一：腔體尺寸設(shè)計及CST軟件仿真流程1設(shè)計目的和要求 載體外殼實(shí)質(zhì)上可以等效為一個圓柱形諧振腔加熱器。為了能讓電磁能最佳地傳遞到碳顆粒上，使反射的能量不至于燒壞磁控管，諧振腔設(shè)計時，要求在微波源的工作頻帶（2450 ± 30MHz）內(nèi)，諧振腔內(nèi)存在諧振模式，腔體的S11參數(shù)（反射能量與總能量之比）小于-15dB。2理論計算部分2.1理論計算依據(jù)在圓柱形諧振腔

28、中，可能存在橫磁（TM）波和橫電（TE）波兩類電磁場模式。對于 TM 模式，其諧振頻率可表示為：f=v(xmn2a)2+(p2l)2對于 TE模式，其諧振頻率可表示為：f=v(ymn2a)2+(p2l)2式中 f 為諧振頻率，v 為波速，此處 vc，c 為真空中光速；a 為圓柱型諧振腔的半徑；l 為諧振腔長度；m，n，p 為模式標(biāo)號。對于不同的 m、n、p值，有不同的振蕩模式。標(biāo)數(shù) m 表示電磁場分量在半圓周上極大值的個數(shù)，標(biāo)數(shù) n 表示電磁場分量在半徑 a上極大值的個數(shù)，標(biāo)數(shù) p表示電磁場分量在腔長度 l上極大值的個數(shù)。Xmn是m階貝塞爾函數(shù)的第n個根，Ymn是m階貝塞爾函數(shù)導(dǎo)數(shù)的第n個根。

29、2.2理論計算結(jié)果 我們的腔體是兩個半徑不同的圓柱體的拼接組成，較大半徑的圓柱體中放置吸附了碳煙顆粒的過濾體。我們假設(shè)腔體是一個理想的圓柱，半徑取略小的一部分圓柱的半徑，代入上述公式中，求出一個存在諧振模式的諧振腔體長度值。計算結(jié)果顯示，在2.45GHz頻率下，對于腔體長度為22.8cm的腔體，存在著TE112模式的諧振模式。 3軟件仿真部分3.1仿真思路由于實(shí)際腔體形狀與理論分析不符，而且腔體內(nèi)還存在著堇青石、碳煙顆粒介質(zhì)，求得的結(jié)果會有偏差。為了求得更為精確的值，我們又進(jìn)行了軟件仿真。具體方法是將理論計算所得尺寸代入CST仿真軟件中，調(diào)整腔體半徑、腔體長度、匱口位置。附圖1：建立的模型3.

30、2仿真心得匱口位置的調(diào)節(jié)：在仿真中，我們發(fā)現(xiàn)匱口的位置幾乎不影響腔體吸收峰的頻率，但是匱口位置確實(shí)會影響吸收峰的大小，在代入多組數(shù)據(jù)之后發(fā)現(xiàn)，匱口的位置取得越靠近邊沿（即圓柱體的兩個底面），所得的吸收峰的峰值就越大（絕對值）。腔體半徑的調(diào)節(jié)：腔體的半徑主要由市場上現(xiàn)存的DPF的半徑?jīng)Q定，并沒有多少調(diào)整的余地。腔體長度的調(diào)節(jié)：在代入多組數(shù)據(jù)之后我們發(fā)現(xiàn)，隨著圓柱體腔體長度的增加，腔體的諧振峰會向左移動，但是同時也注意到，對于尺寸較大的腔體來說，在低于2.45GHz的頻率下，腔體與匱口（即磁控管）的阻抗匹配也會變差，諧振峰的峰值會下降。所以我們設(shè)計的時候?qū)⑶惑w的總長取的較小，使得腔體在2.45GH

31、z下有一個較大的吸收峰。4仿真結(jié)果 附圖2：仿真所得電場分布 附圖3：仿真所得磁場分布 附圖4：仿真所得能流分布 附圖5：仿真所得能量損耗附圖6：設(shè)計腔體對不同頻率的波的吸收情況根據(jù)CST軟件的仿真結(jié)果，調(diào)節(jié)腔體的總長為17cm時，腔體可以吸收98.7%的微波能量，對碳煙顆粒的加熱特性良好。軟件仿真的結(jié)果如下圖所示。觀察S11參數(shù)隨頻率的變化，S11參數(shù)在頻率為2.45G是出現(xiàn)了一個吸收峰，為-38.04dB，符合小于-15dB的要求，說明腔體可以有效的吸收微波能量。再觀察能流圖，能量從磁控管中流出，所以能量在此處最密。然后微波能量流向過濾體，在過濾體之后幾乎沒有微波能量，這說明過濾體，更確切

32、的說是過濾體中的碳煙顆粒，能高效地吸收微波能量。最后我們觀察能量損耗圖，微波能量在空氣中幾乎沒有損耗，絕大部分被過濾體中的碳煙顆粒所吸收。觀察能量損耗在過濾體中的分布，過濾體中部能量損耗密度最高，周邊最低。說明在加熱的時候，溫度會由內(nèi)向外升高，這樣的設(shè)計可以確保熱量得到最充分的利用而不至于耗散。附件二：腔體尺寸機(jī)械制圖1設(shè)計目的和要求在基于CST軟件仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計合理的腔體結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)部件，使腔體結(jié)構(gòu)滿足以下條件：磁控管發(fā)射微波能夠與腔體諧振；微波不會發(fā)生泄漏；在高溫環(huán)境下磁控管能夠正常工作。 2機(jī)械制圖及設(shè)計思路2.1腔體結(jié)構(gòu)附圖7：前半腔體三視圖附圖8：后半腔體結(jié)構(gòu)圖腔體結(jié)構(gòu)分為兩部分，

33、前后兩部分之間通過一個齒型結(jié)構(gòu)相連。腔體內(nèi)部的大小尺寸參照CST仿真結(jié)果進(jìn)行繪制，目的在于能夠與微波進(jìn)行諧振，從而對放置在其中的過濾體進(jìn)行加熱。前半部分腔體上端的圓形開口用于放置磁控管。腔體兩端的管道與排氣管相連，起到傳輸排氣的作用。2.2石英罩附圖9：石英罩設(shè)計圖石英罩起到將磁控管與高溫排氣相隔離的作用，防止高溫排氣對磁控管造成損害，使磁控管無法正常工作。石英罩的尺寸與磁控管頭的長度及直徑有關(guān)，考慮到有熱脹冷縮的影響，因此石英罩的尺寸留有一定的余量，防止與磁控管伸入的開口接觸過緊而碎裂。同時，石英罩對微波透明，微波能夠無損耗地穿過石英罩進(jìn)入墻體內(nèi)進(jìn)行加熱，而不會有所衰減。2.3隔熱環(huán)附圖10

34、：隔熱環(huán)設(shè)計圖隔熱環(huán)用金屬制成，放置在磁控管與腔體之間，防止磁控管與腔體直接接觸從而因?yàn)榍惑w導(dǎo)熱使磁控管過熱而造成損傷。同時在磁控管與腔體之間形成空冷層，使得磁控管能夠得到充分散熱。隔熱環(huán)的厚度應(yīng)略大于石英罩上部環(huán)形部分的厚度，防止磁控管將石英罩壓碎。2.4微波截止板附圖11：微波截止板設(shè)計圖微波截止板放置在腔體前后兩端的進(jìn)出口處，既要起到截止微波的作用，又不能阻礙排氣通暢。而由于當(dāng)孔徑小于1/4的微波波長時，微波會被反射，不會從孔中泄漏出去。我們所使用的2.45GHz對于的微波波長為122mm，因此設(shè)計上述的孔徑完全做到防止微波泄漏并且不阻礙排氣的通過。2.5法蘭盤附圖11：接口法蘭盤法蘭盤

35、用于整個捕集裝置的管道接口與柴油機(jī)排氣口的相連，設(shè)計時保證兩個口能夠緊密對接即可。2.6水冷套附圖12：水冷套由于差壓計的最高承受溫度為80，而煙氣溫度遠(yuǎn)高于該溫度，因此需要用水冷套對流經(jīng)煙氣進(jìn)行冷卻。水冷套套在差壓計前端的導(dǎo)壓管上，水與煙氣呈逆向流動，利用充分換熱。在前后連接端裝有O型密封圈，保證良好的密封性。2.7總體裝配圖附圖13：總體裝配圖附件三：再生過程單片機(jī)控制源程序$INCLUDE (STC12C5A.INC)ORG 0000HLJMP MAIN ORG 0053HMAIN: MOV R0,#00H MOV R1,#00H MOV SP,#30H ACALL ADC ;進(jìn)行第一次

36、AD轉(zhuǎn)換，將采集到的值存儲到7FH中 MOV A,R7 MOV 7FH,ACOMPARE:MOV R2,#0F7HACALL TIMERMOV R2,#0F7HACALL TIMERMOV R2,#0F7HACALL TIMER ; AD采樣之間的間隔時間為1S鐘。ACALL ADC ; 進(jìn)行另一次AD轉(zhuǎn)換MOV A,R7MOV B,#03HDIV ABCLR CMOV R5,A MOV A,7FHSUBB A,R5 ;將采集到的值與第一次采集到的值比較， JC SRD; 若大于初始值三倍,則進(jìn)行微波再生ACALL LCD ;顯示目前的時間和背壓值INC R0 CJNE R0,#3CH,COM

37、PARE MOV R0,#00H INC R1 AJMP COMPARE ;若背壓仍小于初始值的三倍，則再次進(jìn)行AD采樣 SRD:CLR P1.4 ;開始再生 MOV R0,#00H MOV R1,#00H HEAT:MOV R2,#0F7HACALL TIMERMOV R2,#0F7HACALL TIMERMOV R2,#0F7HACALL TIMERACALL ADC ;每個1S進(jìn)行一次AD采樣，顯示在LCD上。ACALL LCDINC R0 CJNE R0,#3CH,COMPARE1 MOV R0,#00H INC R1COMPARE1:CJNE R1,#05H,HEAT ;若再生時間達(dá)

38、到5分鐘，則停止再生 SETB P1.4JMP $ADC: ORL ADC_CONTR, #80H ;開A/D轉(zhuǎn)換電源,第一次使用時要打開內(nèi)部模擬電MOV R2,#01H LCALL TIMER ;開A/D轉(zhuǎn)換電源后要加適當(dāng)延時，1ms以內(nèi)即可 START: MOV P1ASF,#20H ;設(shè)置P1.5的模擬量功能 MOV ADC_CONTR,#11100101B ;選擇P1.5作為A/D轉(zhuǎn)換通道MOV R2,#01H LCALL TIMER WAIT_AD:ORL ADC_CONTR, #00001000B ;啟動A/D轉(zhuǎn)換 MOV A, #00010000B ;判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成 AN

39、L A, ADC_CONTR JZ WAIT_AD ;A/D 轉(zhuǎn)換尚未完成, 繼續(xù)等待 ANL ADC_CONTR, #11100111B ;將ADC_FLAG清零 MOV A, ADC_RES ;讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV R7, A ;保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 LCD :MOV A,#38H ;LCD顯示模塊，顯示時間和背壓值 LCALL WRITE_CMD MOV A,#01H LCALL WRITE_CMD MOV A,#06H LCALL WRITE_CMD MOV A,#0CH LCALL WRITE_CMD MOV A,#80H LCALL WRITE_CMD MOV A,R1 MOV

40、 B,#0AH DIV AB ADD A,#30H LCALL WRITE_DATA MOV A,B ADD A,#30H LCALL WRITE_DATA MOV A,#3AH LCALL WRITE_DATA MOV A,R0 MOV B,#0AH DIV AB ADD A,#30H LCALL WRITE_DATA MOV A,B ADD A,#30H LCALL WRITE_DATA RETWRITE_CMD: MOV R2,#01H LCALL TIMERCLR P1.2 CLR P1.0CLR P1.1NOPSETB P1.2MOV P0,ACLR P1.2 RETWRITE_DA

41、TA: MOV R2,#01H LCALL TIMERCLR P1.2 SETB P1.0CLR P1.1NOPSETB P1.2MOV P0,ACLR P1.2CLR P1.0 RETTIMER:MOV TMOD,#01H ;定時模塊 CLR TF0LOOP: MOV TL0,#04BH MOV TH0,#0FBH SETB TR0LOOP1:JNB TF0,LOOP1 CLR TF0 DJNZ R2,LOOP MOV TCON,#00H RETEND附件4：成本及能耗計算過程1成本費(fèi)用清單附表一制作成本明細(xì)費(fèi)用項(xiàng)目單價數(shù)量總價雙腔體制作材料30260鋼管材料50150機(jī)械加工費(fèi)用12011

42、20格蘭仕OM75S(31)GAL01M24FB-210A磁控管18236石英罩制作費(fèi)用224電子器件35135G1520硬密封高溫三通球閥8001800普通三通球閥1501150南寧伊萊特公司壁流式過濾體4002800亞瑞牌DA1611型氣泵37137車載逆變器83183總計2175批量生產(chǎn)后，預(yù)計成本可降至1500元以下，相比現(xiàn)有兩萬元每套的機(jī)內(nèi)改裝費(fèi)用，成本低，易于推廣。2使用壽命能耗計算過程以實(shí)驗(yàn)室排量及轉(zhuǎn)速換算，車輛行駛速度約為100KM/h，每3.6小時再生一次，每次再生時間為10min。則車輛每個再生周期中行駛375KM。實(shí)驗(yàn)測得的過濾體經(jīng)40次捕集再生后的再生效率為97.2%，

43、則可以估算得經(jīng)過400次捕集和再生，即行駛150000KM后，顆粒捕集器的有效率依然可以達(dá)到：0.97210=75.28%，具備繼續(xù)使用的條件。以此我們估算本套裝置的使用壽命為15萬公里以上。本裝置中選用的磁控閥功率為700W，氣泵功率為72W，每捕集再生周期工作10min，所耗電能為46320J，即0.129KWh。一周期內(nèi)行駛375KM，換算得每百公里耗電量為0.0343KWh，加上本裝置控制系統(tǒng)，傳感器等用電器件，耗電量約為0.035KWh/百公里。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組效率為32%左右，算上機(jī)械損失、放電損失等，以30%作為計算值，算得所需熱量為420KJ/百公里。查得柴油熱值為9181大卡/

44、升，1大卡=4.184KJ，計算得本裝置增加耗油量為0.0103L/百公里，取國內(nèi)所有重型輕型柴油車的平均耗油量約為20L/百公里，得本裝置增加耗油量0.0506%，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。附件五：實(shí)驗(yàn)思路詳述及數(shù)據(jù)處理過程1. 過濾體捕集效率實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)儀器三環(huán)290F風(fēng)冷系列柴油機(jī)，排氣量為1.145L，標(biāo)定功率為12KW。過濾體為壁流式蜂窩陶瓷過濾體，過濾體參數(shù)過濾體選用深圳速美公司生產(chǎn)的壁流式蜂窩陶瓷過濾體，尺寸為144×152.2mm，堆密度為1.1kg/L，孔容為0.52ml/g。盛世牌SV-5Y型不透光式煙度儀。1.2實(shí)驗(yàn)步驟過濾效率測定。采用煙度儀分析測量顆粒捕集器入口和

45、出口的尾氣煙度。保持柴油機(jī)在2400r/min,90%負(fù)荷工況下運(yùn)行，先將尾氣通過旁通閥通入煙度儀，測量值作為進(jìn)口煙度，待工況穩(wěn)定10min后，關(guān)閉旁通閥使尾氣通過顆粒捕集器。測量出口尾氣煙度計算過濾效率。1.3數(shù)據(jù)處理及結(jié)果過濾體的過濾效率的計算式為：過濾效率=1-出口處的微粒含量/進(jìn)口處的微粒含量。由于尾氣中的微粒含量難以測定，因此可以用煙度來間接反映。進(jìn)出口的煙度之比，間接等于進(jìn)出口的微粒含量之比。附表2過濾體捕集效率測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)組號組內(nèi)平均進(jìn)口煙度（FSN）組內(nèi)平均出口煙度(FSN)過濾效率（%）10.0570.00689.4720.0450.00393.3330.0470.005

46、89.36平均值0.0490.00590.471.4實(shí)驗(yàn)結(jié)論由上表中測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，過濾體的過濾效率能夠達(dá)到90%以上，過濾效果顯著，能夠有效過濾柴油機(jī)尾氣中的PM。2、 過濾體再生效果實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)儀器三環(huán)290F風(fēng)冷系列柴油機(jī)，排氣量為1.145L，標(biāo)定功率為12KW。過濾體為壁流式蜂窩陶瓷過濾體，過濾體參數(shù)過濾體選用深圳速美公司生產(chǎn)的壁流式蜂窩陶瓷過濾體，尺寸為144×152.2mm，堆密度為1.1kg/L，孔容為0.52ml/g。電子天平。CYG1200系列通用型壓阻式差壓變送器。2.2實(shí)驗(yàn)思路及實(shí)驗(yàn)步驟過濾體的再生效果通過再生效率和再生時間兩個指標(biāo)進(jìn)行評價。再生效率

47、取決于再生前后過濾體中碳煙顆粒的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中采用尾氣背壓值作為是否進(jìn)行再生的依據(jù)。微波再生裝置連接到上述柴油機(jī)的排氣管，使用CYG1200系列通用型壓阻式差壓變送器檢測過濾體前后的背壓變化，因壓感器允許最高溫度為80，故在過濾體前端導(dǎo)壓管上加裝水冷套降溫。過濾體初始背壓為2.1KPa，捕集210min，背壓達(dá)到6.4KPa時，控制系統(tǒng)開啟微波加熱裝置進(jìn)行再生。此時應(yīng)通過切換閥切換尾氣排放通道，但實(shí)際操作通過旁通閥將排氣排入大氣，同時通入流量為（0.6L/min）的二次空氣。再生過程中我們通過測量再生前后過濾體質(zhì)量的變化來判斷再生效果。為了確定再生是否完全，將捕集完全的過濾體進(jìn)行再生，我們分別采

48、集了再生過程中1min、2min、3min.的數(shù)據(jù)點(diǎn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生時間達(dá)到10min之后，過濾體的質(zhì)量不再發(fā)生明顯變化，此時認(rèn)為再生已經(jīng)完全。在測量再生完全所需時間的實(shí)驗(yàn)中，同時可以測得再生完全后過濾體質(zhì)量，得到再生過程中燃燒的碳煙顆粒質(zhì)量，對比再生前過濾體捕集到的碳煙顆粒質(zhì)量，從而可以得到再生效率。同時，為了保證過濾體經(jīng)過再生后仍然具有良好的過濾效果，并且經(jīng)過多次再生及捕集之后，再生效率仍然能夠保持基本不變，我們采集了經(jīng)過40次使用周期后的過濾體的捕集及再生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且與初次捕集再生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，繪制成圖表。在測量背壓的過程中采集了一系列時間點(diǎn)對應(yīng)的背壓數(shù)據(jù)。一部分為潔凈過濾體捕集時的背壓數(shù)據(jù)，一部分為經(jīng)過再生后的過濾體的背壓數(shù)據(jù)。兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以證明過濾體經(jīng)過再生后是否仍然具有良好的捕集效果。2.3數(shù)據(jù)處理及結(jié)果時間/min過濾體背壓/KPa時間/min過濾體背壓/KPa第1次再生第41次再生第1次再生第41次再生02.12.41204.64.8102.12.41304.95.1202.22.51405.25.3302.32.51505.45.5402.52.81605.65.8502.82.91705.86.0602.93.21805.96.1703.13.41906.16.3803.43.72006.