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超细颗粒声波团聚机理及其在压燃式发动机上的探索

蔺锋  
【摘要】:超细颗粒物的排放控制,是目前压燃式发动机排放控制的热点与难点。 声波团聚技术是一种颗粒物消除的辅助技术,其原理是超细颗粒在声波的作用下产生振动,粒径不同的颗粒因振幅不同而导致它们的碰撞几率提高,进而因碰撞而团聚在一起,减少了超细颗粒的数量。压燃式发动机排放出的超细颗粒的数浓度巨大,利用声波团聚技术凝并超细颗粒具有优良的降低颗粒数的潜力。本研究试验探索了燃烧产生的超细颗粒的声波凝并机理,并在压燃式内燃机上进行了验证。 搭建了声波团聚小样试验台架,选取中高声强的超声波作为声源,以燃烧产生的含有大量超细颗粒的气溶胶为对象,利用扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪SMPS测量团聚前后不同粒径段的颗粒的数浓度,研究了超细颗粒的声波团聚机理。 在介绍声波团聚效果的评判方法的基础上,阐明了超声波换能器在团聚室中不同位置对颗粒团聚效果的影响,在此基础上研究了声波强度、声波团聚时间以及初始颗粒数浓度对声波团聚效果的影响。结果表明:(1)在150dB以上的中高声波强度的声波作用下,超细颗粒的声波团聚效果良好,可以有效地降低超细颗粒的数浓度。例如当颗粒主要集中在大粒径段(粒径峰值184.3nm)时,158.6dB的声波强度下,单组换能器单独工作时可以有效地减少了70%以上的超细颗粒,而当颗粒主要集中在小粒径段(粒径峰值26.4nm)时,158.6dB的声波强度下也可以减少35%左右的超细颗粒;随着声波强度的进一步增加,声波团聚的效率依次提高。(2)团聚时间增加,声波团聚效率提高。例如155.6dB的声波强度下,对于大粒径段的颗粒(粒径峰值184.3nm)时,当团聚时间从9s增加到18s时,团聚效率从57.9%提高到了91.4%;而对于小粒径段的颗粒(粒径峰值26.4nm),当团聚时间从9s增大到18s时,其团聚效率从26.7%提高到56.1%。(3)在试验研究的声波强度范围内,初始颗粒数浓度对声波团聚效率存在着一定的影响。初始颗粒数浓度越大,声波团聚的效率越高。(4)在实际的柴油机台架上,初步验证了声波团聚的有效性:在1450rpm的转速,扭矩为22.4Nm的低负荷工况下,当团聚时间为9s,声波强度从152.6dB增大到158.6dB时,团聚效率从11.6%提高到37.8%;当声波强度为155.6dB,团聚时间从9s增加到27s时,团聚效率从29.4%增加到50.3%。 探索了声波团聚机理,并在压燃式发动机上进行了初步验证。本研究为利用声波团聚技术控制压燃式发动机的超细颗粒物排放数奠定了基础,具有一定的理论价值和工程应用前景。


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