車輛機(jī)外尾氣凈化理論研究與裝置設(shè)計(jì)

席超湖 郭劍 王春鵬

濱州職業(yè)學(xué)院 山東省濱州市 256603

1 引言

柴油機(jī)是生活生產(chǎn)常見的發(fā)動機(jī)之一，柴油機(jī)具有扭矩大、熱效率高，一般可達(dá)到40%、燃油經(jīng)濟(jì)性較好等等優(yōu)點(diǎn)，且柴油機(jī)結(jié)構(gòu)相對于其他同類發(fā)動機(jī)來說較為簡單可靠。因?yàn)椴裼蜋C(jī)工作壓力大，對于自身的零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求比較高，所以柴油機(jī)的缺點(diǎn)也很突出：體積大且笨重、震動和噪聲大、尾氣顆粒物排放污染嚴(yán)重。尤其是固體顆粒物的排放，由于柴油機(jī)燃燒材料和燃燒方式的特殊性，柴油機(jī)尾氣中顆粒物的數(shù)量約為汽油機(jī)的50 倍，尾氣固體顆粒物污染比其他同類發(fā)動機(jī)更為嚴(yán)重。針對以上問題，本文旨在研發(fā)出更高效環(huán)保的處理裝置，以此降低對環(huán)境的污染，減少對人體產(chǎn)生的危害。

2 研究目標(biāo)、研究內(nèi)容以及擬解決的關(guān)鍵問題

2.1 研究目標(biāo)

本課題研究目標(biāo)主要是設(shè)計(jì)出利用微粒捕集處理方法進(jìn)行捕集煙塵顆粒物，從綠色環(huán)保的理念出發(fā)，設(shè)計(jì)一種利用水來吸附柴油汽車機(jī)外尾氣固體顆粒物的裝置，不需要消耗大量能量就能高效、穩(wěn)定地進(jìn)行工作。

2.2 研究內(nèi)容以及擬解決的關(guān)鍵問題

2.2.1 滲流的基本原理

一般地，我們把存在大量孔隙的泥土層稱為“多孔介質(zhì)”，水在多孔介質(zhì)中的移動稱為滲流。多孔介質(zhì)與其他巖層存在很大的區(qū)別，具體表現(xiàn)在：多孔介質(zhì)由骨架和孔隙組成，之間存在大量相互連通的間隙網(wǎng)絡(luò)；孔隙的形狀和相互間的連通情況十分復(fù)雜，并且是不連續(xù)的通道；孔隙通道難以用精準(zhǔn)的方法表達(dá)。

2.2.2 達(dá)西定律與滲流計(jì)算

在該領(lǐng)域方面，工程師達(dá)西首先采用了如下裝置進(jìn)行驗(yàn)證，圓筒中裝入粒度大小均勻的砂，在圓筒的上方邊緣通過溢水口控制砂上方的水位恒定，水從砂層上方流入經(jīng)砂柱后從砂柱底端流出。在砂層上、下端斷面1和斷面2 處，分別安裝測量水壓的管道，測量得到斷面1、斷面2 這兩個過水?dāng)嗝娴乃^，下端出口處測定滲流的流量。通過這個實(shí)驗(yàn)，得到了滲流的關(guān)系公式：

圖1 達(dá)西定律實(shí)驗(yàn)裝置

上式是水在多孔介質(zhì)中滲透的基本規(guī)律，稱為滲透定律或達(dá)西定律。由上述式子可知，滲流量與多孔介質(zhì)滲透系數(shù)、過水?dāng)嗝?、水力梯度成正比，滲流量與滲流途徑成反比。

3 研究設(shè)計(jì)

3.1 水膜吸附法

本裝置要求清理時方便簡單，能對吸附裝置上一些吸附力較大的顆粒聚合物定期處理。因此吸附裝置設(shè)計(jì)成可拆卸式，采用槽來固定。為了增大顆粒物的吸附效率，吸附面板采用曲面設(shè)計(jì)。

3.2 尾氣處理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 尾氣處理裝置總結(jié)構(gòu)

各部分原理及作用:

（1）儲水池:收集吸附裝置上產(chǎn)生的水和固體顆粒物，溫度升高時儲水池中的水分揮發(fā)，對尾氣有一定的凈化作用。

（2）箱體：尾氣從箱體內(nèi)部通過，箱體內(nèi)設(shè)有多個吸附裝置，提高凈化效率。

（3）吸附裝置：尾氣經(jīng)過吸附面板上的水滴時，固體顆粒物會被吸附在水滴上，達(dá)到凈化尾氣的效果。

（4）帶動桿：由調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行帶動。

（5）帶動架：連接多個吸附裝置的帶動桿。

（6）調(diào)節(jié)螺母：螺母螺栓配合，控制帶動架位置。

（7）水箱：為吸附裝置提供水。

（8）水箱進(jìn)水管：補(bǔ)充水箱的水，使水位始終保持在同一高度。

（9）外接入水口：為整個裝置提供水。

（10）水位控制器：對外接入水口進(jìn)行控制。

（11）波紋管：連接水位控制器和外水箱，使水位控制器可以正常工作。

（12）連通器水管：連通吸附裝置的內(nèi)水箱和外水箱。

3.2.2 帶動架

如下圖所示：1.和擠壓桿連接處，2.螺栓孔。

工作原理：通過擰動調(diào)節(jié)螺母，對本零件進(jìn)行推動，帶動擠壓裝置擠壓多孔介質(zhì)。

圖3 帶動架

圖4 帶動架

3.2.3 擠壓沙子裝置

圖5 擠壓

圖示：1.和帶動架連接處，2.擠壓多孔介質(zhì)區(qū)。

工作原理：連接帶動架帶動，通過帶動架上下移動，對多孔介質(zhì)進(jìn)行擠壓或松開。改變對多孔介質(zhì)作用力大小，控制水的滲流。

3.3 滲流分析

根據(jù)達(dá)西定律與滲流控制，正常工作狀態(tài)時，沒有進(jìn)行壓緊，滲流層處于原始狀態(tài)下；根據(jù)達(dá)西定律，這時滲流層因?yàn)闈B流途徑長度不同，每個斷水面都存在著不同的滲流量。查閱資料可知一滴水的體積約為0.05ml，假設(shè)在某一斷水面設(shè)有n 個孔口，如果要使這個斷水面每個孔口在每隔時間t1 就形成一個水滴，根據(jù)達(dá)西公式：

裝置關(guān)閉狀態(tài)時，原則上我們需要控制水，不能讓任何一滴水流出吸附面板上的小孔。但是實(shí)際上，根據(jù)達(dá)西定律可以知道，在多孔介質(zhì)中，總是存在線性滲流，所以理論上并不能完全的杜絕孔口水滴的滲出。在這一分析的基礎(chǔ)上，我們只能通過延長孔口水滴的形成時間，來達(dá)到關(guān)閉裝置的目的。擠壓時假設(shè)擠壓板上升的高度1，在這個壓緊狀態(tài)下，假設(shè)需要控制每個孔口每隔時間t2才能形成一個水滴。根據(jù)達(dá)西定律：

上述式子中k 表示滲透系數(shù)，又稱水力傳導(dǎo)系數(shù)。在各向同性介質(zhì)中，它定義為單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過孔隙骨架的難易程度，表達(dá)式為：

上述式子中：

K：多孔的滲透率，它只與固體骨架的性質(zhì)有關(guān)；

k:滲透系數(shù)；

η：動力粘滯性系數(shù)；

ρ：流體密度；

g：重力加速度。

在各向異性介質(zhì)中，滲透系數(shù)以張量形式表示。滲透系數(shù)愈大，巖石透水性愈強(qiáng)。擠壓板上升擠壓過程中，改變了滲透層的骨架，孔隙率變小，流體通過孔隙骨架的難度增加，滲透系數(shù)減小。h2 稱為水力梯度，也稱水力坡降。擠壓狀態(tài)下水力梯度會變小，影響滲流流量。

根據(jù)滲透層所選用的多孔介質(zhì)不同，滲透系數(shù)k 和水力梯度h 會有不同程度的變化。這時候通過實(shí)驗(yàn)可以對這兩個變量進(jìn)行測定，以擠壓板上升的高度為變量，得出相對應(yīng)的滲透系數(shù)k2 和水力坡度h2，就可以求出該狀態(tài)下，孔口形成水滴所需的時間。

3.4 水頭差和滲透系數(shù)

水流在運(yùn)動過程中單位質(zhì)量液體的機(jī)械能的損失稱為水頭損失。產(chǎn)生水頭損失的原因有內(nèi)因和外因兩種，外界對水流的阻力是產(chǎn)生水頭損失的主要外因，液體的粘滯性是產(chǎn)生水頭損失的主要內(nèi)因，也是根本原因。水頭差的測量，可以利用大氣壓間接測出。）

滲透系數(shù)的測定方法中，應(yīng)用比較廣泛和精準(zhǔn)的是采用“實(shí)驗(yàn)室測定”法。目前在實(shí)驗(yàn)室中測定滲透系數(shù)k 的儀器種類和試驗(yàn)方法很多，但從試驗(yàn)原理上大體可分為“常水頭法”和“變水頭法”兩種。在層流滲透的狀態(tài)下，主要采用的是“常水頭法”。

測量過程就是在整個試驗(yàn)過程中保持水頭為一常數(shù)，從而水頭差也為常數(shù)，測量時，在透明塑料筒中裝填截面為A，長度為L 的飽和試樣，打開水閥，使水自上而下流經(jīng)試樣，并自出水口處排出。待水頭差△h 和滲出流量Q 穩(wěn)定后，量測經(jīng)過一定時間 t 內(nèi)流經(jīng)試樣的水量V，則

根據(jù)達(dá)西定律，v=k*i，則

從而得出

常水頭試驗(yàn)適用于測定透水性大的沙性土的滲透參數(shù)。

4 結(jié)語

本文內(nèi)容以及想法是本人對水膜吸附柴油機(jī)顆粒物裝置的一些初步探討，由于對滲流的相關(guān)知識接觸時間較短，在這方面的應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少，研究過程存在著不小的限制。本裝置的一些想法和研究還是處于初步探究階段，仍然存在一定的不足之處有待今后繼續(xù)改善。