为满足日益苛刻的排放法规,仅凭机内净化措施来减少柴油机的微粒排放是极其困难的。另外,尽管机内净化技术使微粒物的质量排放总量得以削减,但微粒的个数却没有减少,而且生成了粒径更小的排放物。越来越多的研究表明,柴油车排放的小微粒对人体健康危害更大,而未来的法规很可能会对柴油机微粒物排放的数量进行限制。因此越来越多的国家关注机动车的小微粒排放,而微粒过滤器是未来解决小微粒排放问题的最有效措施之一。基于此点,本文围绕柴油机微粒过滤系统进行了如下研究:1.柴油机微粒过滤器对柴油机微粒组分特性影响的研究。运用自行设计、制作的柴油机微粒取样器,对未安装过滤器、安装袋滤器、安装陶瓷过滤器三种情况下的柴油机排气微粒进行采集,分析柴油机工况对微粒组分特性的影响,以及微粒中可溶有机组分(SOF-Soluable Organic Fraction)中烷烃和芳香烃等成分的排放特性等。研究结果表明:在相同转速下微粒排放量随负荷的增加而增大。随着负荷的增加,微粒中SOF的百分含量在逐渐减少,不可溶有机成分(IOF-Insoluble Organic Fraction)的百分含量在逐渐增加。SOF的含量从低负荷时的15%到高负荷时的45%左右,其对微粒特性的影响不能忽略。微粒中可溶性有机物SOF中正烷烃的总含量占到了70%～80%;支链烷烃的总含量在2%～22%之间;多环芳香烃的总含量在1%～13%之间。柴油机在不同运行工况下,其排出SOF碳原子数分布稍有不同。另外,袋滤器过滤后微粒中SOF的百分含量比陶瓷过滤器过滤后的略低:袋滤器过滤后微粒SOF中各组分百分含量均在20%以下,各组分过滤比较均匀;陶瓷过滤器过滤后个别工况个别组分的相对含量达到近40%;袋滤器对多环芳香烃的过滤效率要高于陶瓷过滤器。综合来看,袋滤器是一种过滤效果较好的后处理装置。2.柴油机排气微粒燃烧特性的分析研究。对采集的柴油机排气微粒,利用热重分析技术,研究了微粒在氧气浓度分别为10%、20%、30%,升温速率分别为10℃/min、20℃/min、30℃/min、40℃/min,微粒质量分别为＞5mg、3.5mg～3mg、＜1.5mg的燃烧性能。结果表明:微粒的燃烧明显分为挥发份析出(低温段)和固定碳(高温段)的燃烧两个阶段。低温段的失重占总失重的20%左右;高温段的失重占总失重的70%左右,说明微粒燃烧过程主要是固定碳的燃烧。氧气浓度较低的时候,燃烧需要较高的温度;反应温度较低的时候,需要较高的氧气含量。综合起来看,在氧浓度较低时,随着氧气浓度增大,燃烧性能呈现良好的趋势。但同时也表现出,氧气浓度为20%、30%时的情况比较接近,与氧气浓度为10%时的差距比较明显。说明提高空气中氧气浓度对微粒燃烧性能影响不大。另外研究还发现,当氧气浓度在20%、30%时的反应平均活化能为60kJ/mol左右。目前采用燃油添加剂可以使微粒的活化能降低到这个数值,也就是说如果用空气或含氧量更高的气体来做燃烧反应气氛的话,可以满足过滤器被动再生时对微粒活化能的要求。3.根据理想流体质点的声传播控制方程,建立了考虑流速、热传导和粘性时,微粒过滤器内的声传播控制方程。以此为基础,利用达西定律求解微粒过滤器相邻单元孔壁的压降,进而建立了微粒过滤器的传播常数和传递矩阵的计算模型。以此模型计算了发动机在特定工况下的插入损失,并和试验测量的数值进行了对比分析,验证了理论分析的正确性。4.建立了微粒过滤器气体流动的三维数值模型。以κ-ε紊流模型理论为基础,把过滤单元作为多孔介质,模拟了袋滤器内的排气流动特性,并用FLUENT软件进行求解。最后将数值计算值与试验值进行对比,验证了所建模型的正确性。计算结果表明:在袋滤器内部,压力是层层递减的,而在过滤单元处突然降低,说明过滤单元是产生压力损失的主要原因。另外,入口壁面附近也是产生压力损失比较集中的一个位置。袋滤器结构参数会影响整个袋滤器的压力损失。5.设计了适用于固定式柴油机以及公交车等对场地要求不严的设备,利用袋滤器技术来控制微粒排放的固定式卸灰系统,解决了再生难的问题。