柴油发动机过滤系统设计开题报告

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柴油发动机过滤系统设计开题报告
开题报告
汽车是人类发明的最重要的交通工具之一，世界汽车保有量逐年在增加。1990年，全世界总共约有0.53亿辆汽车,到1996年已达到6.8亿辆,目前全世界汽车保有量已达7亿多辆.在工业发达国家,汽车增长率已经减慢,但在高速工业化的亚洲地区,却以最快的速度增长. 预计到2010年,世界上将大约有10亿辆汽车,2020年将达到12亿辆.我国的汽车工业起步比较晚,1986年汽车年产量还不到59万辆,全国汽车的保有量也仅有350万辆.随着工业化的发展,我国的汽车保有辆达到1800万辆,预计到2005年,将达到3230~3440万辆.
1、        本课题研究的目的和意义。
柴油机的问世虽然晚于汽油机,单凭借良好的燃油经济性(与汽油机相比,燃油经济性要高30%~40%),动力性,耐久性和排放性等优点,汽车柴油化已经成为国际潮流.以美,欧.日三国柴油车的发展势头足以说明这点:在美国汽油最便宜,只相当于欧洲价钱的1/2至1/4,可是美国商用车大部分仍使用柴油发动机，柴油机客车和轻型卡车正稳步增长并占据美国市场；在欧洲，燃油经济性良好的柴油车不断增加，3升车即3升燃油可行驶100公里的超低油耗车的开发呈现极其活跃的趋势，汽车柴油车的销售量已超过欧洲客车市场的18%以上；法国，柴油机轿车的比例已上升到50%左右，欧洲20%的轿车和90%的商用车均采用柴油机；柴油车在亚洲市场上也呈现不断增长的趋势，日本9.2%的轿车和38%的商用车采用柴油机,并且未来的这种趋势还会持续.
我国的柴油机发展较晚,80年代以前,国产车只有重型车装用柴油机,从80年代开始,在中,轻型车上采用,特别是引进的新一代轻型汽车如:依维柯,全顺,五十铃等都采用了柴油发动机.90年代以来,国产柴油车从7.58万辆增加到42.58万辆,在总产量中的比例从14.88%增加到26.16%,其中,柴油货车的比例超过了50%.但随着全球保护意识的提高,柴油机的有害排放物对人类健康和环境保护的危害,已引起人们的广泛关注.
与汽油机相比,柴油机的有害气体HC,CO排放量相当低(柴油机的CO的排放大约只有汽油机的1/10),柴油机的NOX排放量和汽油机处于同一数量级,但柴油机微粒排放约为汽油机的30~80倍.因此,微粒排放是柴油机的显著特点,已是制约其发展的最主要因素之一.微粒越小危害越严重,他们能长时间悬浮在大气中,很容易通过呼吸系统进入肺泡并沉积下来,较小的微粒可进入血液中,能导致呼吸道疾病,心血管疾病,支气管炎等.另外,美国环保局(EPA)的试验证明,吸附在微粒表面的可容有机物(SOF)具有诱变作用,其成分的50%以上为至癌物质.
总之,汽车工业的巨大发展,给人们的生活,交通带来了许多方便,同时,由于汽车排放已成为大气污染最主要的来源,严重地危害人们的健康,破坏着自然界的生态平衡,据一项对我国一些大城市大气污染的调查资料表明,以武汉城区为例,从1984年~1989年间,大气中的NOX的浓度平均每年递增7.07%.而超标率平均每年递增0.8%,大气中的微粒悬浮物也呈急剧上升状态.这其中,柴油机的排放是其主要的污染之一.可以想象,如不采取措施,几年之后城市环境污染将变的非常严重.因此,控制柴油机的排放,已成为保护环境,保护生态平衡,保障人类身心健康,实现可持续发展战略的重要组成部分.
2、        国内外几种控制方法
控制方法之一———高压共轨喷射系统　
柴油机降低排放的对策主要是改善燃烧,而喷射系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素,要改进传统的由柱塞泵分缸脉动喷射系统难度较大,高压共轨喷射系统正是顺应上述需求而诞生,且正得到了很大发展。它被世界内燃机行业公认为二十世纪三大突破之一(另外两项是汽油直喷技术和DME 代用燃料) 。高压共轨喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷射系术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷射系统。它主要有高压泵,带调压阀的共轨管,带电磁阀的喷油器,ECV(电子控制单元) 和各种传感器组成。高压共轨系统不再用柱塞泵分缸脉动供油原理,而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波,再通过各高压油管输送到喷油器上,由喷油器上的电磁阀的动作控制喷油的开始和终止。电磁阀作用的时刻决定喷油定时,起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原理,因此又可称为压力时间控制式电控喷射系统。高压共轨喷射系统的特点是;喷油压力的建立喷油过程无关;喷油压力,喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响;喷油定时与喷油计量完全分开,可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点;能实现预喷射,快速停喷和多段喷射。因此高压共轨喷射系统通过对喷油要素的优化控制柴油机燃烧更充分,从而减少燃烧中有害物的形成,使柴油机的有害排放,噪声排放和冷起动性能都得到很大改善
控制方法之二———废气再循环系统
废气再循环系统是将柴油机产生的废气的一小部分再送回气缸。由于柴油机中富余的氧气较多,
当送回汽缸的废气与新鲜空气混合后,该过程导致气缸内氧气浓度降低,使燃烧速度减慢,燃烧温度下降,从而减少有害成分氮氧化物(NOx) 的形成。目前采用和研究废气再循环系统有多种类型,日野汽车公司开发的脉冲式废气再循环系统在柴油机进气过程中,排气门稍有提升,使部分高压废气回流到汽缸内。排气门的这个作用是通过修改排气门凸轮的形状和将废气再循环系统微升来实现的。在脉冲式废气再循环系统中,废气被重新送回气缸内,因此废气的压力应高到足以使气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时,从而利用废气的压力波才能实现,在该废气再循环系统中,废气压力“脉冲”被有效利用。增压中冷柴油机实现废气再循环还有另外两种方式,一种是将涡轮前的排气引入中冷器之后,称为高压废气再循环系统。这种方式在低负荷时可能正常工作,但在高负荷时由于增压大于排气背压而无法实现废气反向。采用可变截面涡轮增压器,可以扩大废气再循环有效工作范围, 降低氮氧化物(NOx) 和微粒( PT) ,燃油耗也不升高,这可能是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最好方法。另一种是将涡轮后的排气引入压气机之前,称为低压废气再循环系统,它可有效降低氮氧化物NOx) ,而废气循环工作范围较大,与柴油机匹配能有效地发挥其功能。
　控制方法之三———增压中冷技术
所谓增压,就是增加进入柴油机汽缸内的空气密度。中冷则是将压缩后的空气的温度降低。因此,柴油机采用增压中冷系统后,滞燃期缩短,在稀燃火焰熄灭区内积压的燃油量较少,从而减少排气
中有害成分碳氢化合物(HC) 和氮氧化物(NOx) 的生成。目前,增压方法主要有机械增压,废气涡轮增压和气波增压三种方式。其中废气涡轮增压器主要是由涡轮和压气机组成,它与柴油机没有机械传动联系,柴油机排出的废气经排气管进入涡轮,对涡轮作功,涡轮叶轮与压气机叶轮同轴,从而带动压气机吸入外界空气并压缩后送至柴油机进气管。增压中冷柴油机在压气机出口和柴油机进气管入口之间增设中间冷却器(简称中冷器) ,使压缩后的空气的温度下降,密度增大。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低,以及机械负荷增加不多的前提下,大幅度地提高柴油机的功率,降低有害物的排放。由于废气涡轮增压方式与机械增压和气波增压方式比较,结构简单,工作可靠,在柴油机上得到普遍采用,**两种增压方式基本不使用。
　控制方法之四———微粒捕集器
柴油机微粒捕集器,可将排气中微粒捕捉不使其排出机外,再利用催化剂,氧化器,燃烧器等进行分解、燃烧。这种装置可将柴油机排气中有害物微粒减少70 %～90 %。用来捕集微粒的过滤器的材料和结构有许多种,常用的有整体式陶瓷,金属丝网,编织纤维圈,陶瓷纤维,泡沫陶瓷等。这些过滤材料的捕集原理一般认为有以下几种:
1 　碰撞机理:柴油机废气流经捕集单元时,其流线发生了多次拐弯,在流线拐弯处,较大的微粒由于运动惯性大多脱离原来的流线与捕集单元相碰,并吸附或沉积于其上。
2 　截流机理:柴油机废气流经捕集单元时发生两种情况,一是粒径比过滤材料孔隙大的微粒就被挡住并被粘附住,即发生筛滤效应;二是粒径比过滤材料孔隙小的微粒由于粘着与聚合作用而部分被截流。
3 　扩散原理:柴油机废气中的微粒物由于气体分子热运动的碰撞而产生布朗运动,且越小的微粒越显著,又会造成扩散效应。当废气流经捕集单元时,纤维状的捕集单元对微粒的运动起到了汇合的作用,从而有可能将微粒捕集。
4 　重力沉降机理:当缓慢运行的柴油机废气流经捕集器时,废气逗留时间比较长,较大的粒子可能在重力作用下发生脱离流线的位移而沉淀在捕集单元上。排气系统中安装微粒捕集器后将会使柴油机的排气背压提高,功率下降,捕集材料上沉积的微粒越多,排气背压越高。因此,必须定期清除沉积在过滤材料上的微粒。清除沉积在过滤材料上的微粒的过程为捕集器的再生。在柴油机正常工作的转速和负荷下,排气温度一般在250～500 ℃度,而微粒的燃点一般为550～600 ℃,依靠柴油机的排气很难使捕集器再生。要使捕集器再生必须降低微粒的燃点或提高排气温
度。通过在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层可以降低微粒的燃点,使微粒能在较低的温度下燃烧掉,一般称主动再生。另一种是利用外部能源,如电热器加热补燃和燃烧器加热补燃来提高排气温度,将捕集器材料上的微粒燃烧掉,一般称为被动再生。被动再生是一种定期再生,需要复杂的检测和控制技术以决定再生时间。当前,捕集器再生将主动再生和被动再生技术结合起来,效果显著。
　控制方法之五———催化净化装置
催化净化装置是一种内部装有催化剂的装置,装在发动机的排气管中。催化剂能使发动机排气中的有害成分加速转变成无害成分。催化净化方法有两种,一种是催化氧化法,它以铂,钯,黄金,钴,镍等金属及其氧化物作为催化剂,使有害成分一氧化碳(CO) 和碳氢化合物(HC) 氧化成无害成分二氧化碳(CO2) 和水蒸气(H2O) 。另一种是催化还原法,它以碱金属,钴铬合金作为催化剂,使有害成分氮氧化合物(NOx) 还原为氮气(N2) 和氧气(O2) 。目前催化净化装置有氧化催化反应装置和三元催化反应装置。氧化催化反应装置仅依靠氧化反应降低有害成分一氧化碳(CO) 和碳氢化合物(HC) ,柴油机和汽油机都适用。三元催化反应装置则氧化与还原反应同时进行,能使一氧化碳(CO) ,碳氢化合物(HC) 和氮氧化物(NOx) 三种有害成分同时得到净化处理,它要求发动机的空燃比精确地控制在理论空燃比附近的最佳范围内,以保证同时对三种有害成分高效率净化,因此,三元催化反应装置一般与燃油电子喷射发动机一起使用,用氧传感器检测排气中的氧浓度,反馈控制发动机的空燃比范围。由于柴油机排气中残留的氧量较多,使氧传感器的控制不灵敏,故三元催化反应装置一般不用于柴油机,而只用于汽油机。
控制方法之六———采用代用燃料
当前,世界石油制品的消耗量逐年上升,石油资源日益枯竭。国际油价居高不下,积极寻找并研究
代用燃料以成为降低有害物排放的另一个方向。二甲醛(DME) 就是一种很有前途的代用烯料,其化学分子式为CH3 —O —CH3 ,原来用于喷雾工业。通过Danish 公司的革新,其工业生产成本明显降低,基本上达到与柴油机同的价格水平,并且DME 可由煤、天然气、甚至生物来制取,用二甲醛时的NOx 值较用柴油时可降低50 %以上。采用二甲醛的特点是,由于其喷射压力低,所以
当最高喷射压力为25～35MPa 时就可获得满意的功率、油耗和排放指标。其前提条件是喷射系统应设计成共轨式,并且需要特殊的防护措施。综上所述,随着柴油机的广泛使用,柴油机的环境污染,噪声污染、冷起动性能及振动,已经成为衡量柴油机的技术水平的重要指标,同时也是决定柴油机能否继续扩大其市场占有率的主要因素之一。因此,要满足现行及未来的排放法规,就必须降低有害物质CO、HC、NOx 和微粒的排放,也即是采取各种技术措施,从而获得良好的动力性,经济性和低排放目标。
三、对课题提出的任务要求及实现预期目标的可行性析
（一）课题的任务要求
（1）掌握柴油发动机的一般构成情况，系统各自组成部分的结构原理；
（2）熟悉柴油发动机排放微粒控制技术国内外现状和发展趋势；
（3）论证采用柴油发动机排放微粒过滤处理系统的必要性；
（4）从理论上对柴油发动机过滤系统各方面要素进行分析；                  
（5）设计过滤系统装置
四、研究的重点和关键的问题
本课题重点解决的问题：对柴油发动机工作过程进行分析和研究。在了解柴油发动机工作原理的基础上进行其排放微粒成分分析。分析其微粒成分主要是研究他们的性质。其核心是分析其影响因素，进行尾气处理。通过对柴油机工作的原理分析特别是对尾气影响因素的分析和研究，可以清晰尾气产生的原因，可以进行控制处理。
本课题主要采取另外一种方案——过滤系统设计。通过对各种过滤系统设计的技术方案进行了分析和比较，主要是他们各自的原理、优缺点。本次主要着重讨论袋式过滤技术。再通过查阅资料进行深入了解。这样会在预期内掌握系统袋式过滤的设计分析，在结合整个柴油发动机系统分析，掌握整个系统的原理以及工作过程。最后，再进行过滤系统的改进研究，优化设计方案。
五、完成本课题所需的工作条件以及解决的办法
本课题涉及柴油机、电力系统、电机、化工机械等学科。图书馆书籍有限，相关资料很少。必须借助与互联网、数据库进行查找,本课题主要通过石河子大学电子阅览室的网站。通过其中的中文电子期刊全文，中国学位论文全文数据库进行查询。由于本课题分析和研究的是一般比较具有普遍的柴油机，没有去大型机械厂去实习，仅在校加工厂有限的几台柴油机进行实验研究，所以只能作为参考，但是可以借助网络进行资料收集，可以对柴油发动机的排气成分进行分析，作为参考。通过解读资料，进行研究，与导师讨论，提高理论水平，对重点进行各个突破。
六、工作方案以及进度计划
      毕业设计总过程：2006年4月1日----6月10日
      具体计划安排如下：
（1）        4月1日----4月18日 查阅大量资料，（2）        对课题的研究对象进行初步分析，（3）        明确思路和任务要求，（4）        明确重点，（5）        撰写《开题报告》和《文献综述》。
（6）        4月19日---4月30日 对整个柴油机系统的组成及个结构原理进行详细的掌握，（7）        并寻求系统优化方案。
（8）        5月1日---5月15日 对过滤系统进行严格的分析论证，（9）        加深对变频系统的研究。
（10）        5月16日---5月31日 对前面几个阶段的信息进行整理汇总，（11）        并进行比较，（12）        毕业设计论文电子版，（13）        找导师进行审核。
（14）        6月1日---6月10日 对毕业设计论文进行自我、复（15）        审，（16）        进行毕业答辩模拟，（17）        收集答辩可能需要相关资料。论文给导师复（18）        审，（19）        修订，（20）        最后打印装订。
七、主要参考文献
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