車輛機外尾氣凈化理論研究與裝置設計

席超湖 郭劍 王春鵬

濱州職業學院 山東省濱州市 256603

1 引言

柴油機是生活生產常見的發動機之一，柴油機具有扭矩大、熱效率高，一般可達到40%、燃油經濟性較好等等優點，且柴油機結構相對于其他同類發動機來說較為簡單可靠。因為柴油機工作壓力大，對于自身的零件結構強度和剛度要求比較高，所以柴油機的缺點也很突出：體積大且笨重、震動和噪聲大、尾氣顆粒物排放污染嚴重。尤其是固體顆粒物的排放，由于柴油機燃燒材料和燃燒方式的特殊性，柴油機尾氣中顆粒物的數量約為汽油機的50 倍，尾氣固體顆粒物污染比其他同類發動機更為嚴重。針對以上問題，本文旨在研發出更高效環保的處理裝置，以此降低對環境的污染，減少對人體產生的危害。

2 研究目標、研究內容以及擬解決的關鍵問題

2.1 研究目標

本課題研究目標主要是設計出利用微粒捕集處理方法進行捕集煙塵顆粒物，從綠色環保的理念出發，設計一種利用水來吸附柴油汽車機外尾氣固體顆粒物的裝置，不需要消耗大量能量就能高效、穩定地進行工作。

2.2 研究內容以及擬解決的關鍵問題

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”，水在多孔介質中的移動稱為滲流。多孔介質與其他巖層存在很大的區別，具體表現在：多孔介質由骨架和孔隙組成，之間存在大量相互連通的間隙網絡；孔隙的形狀和相互間的連通情況十分復雜，并且是不連續的通道；孔隙通道難以用精準的方法表達。

2.2.2 達西定律與滲流計算

在該領域方面，工程師達西首先采用了如下裝置進行驗證，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 這兩個過水斷面的水頭，下端出口處測定滲流的流量。通過這個實驗，得到了滲流的關系公式：

圖1 達西定律實驗裝置

上式是水在多孔介質中滲透的基本規律，稱為滲透定律或達西定律。由上述式子可知，滲流量與多孔介質滲透系數、過水斷面、水力梯度成正比，滲流量與滲流途徑成反比。

3 研究設計

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。因此吸附裝置設計成可拆卸式，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計。

3.2 尾氣處理裝置結構設計

3.2.1 總體結構設計

圖2 尾氣處理裝置總結構

各部分原理及作用:

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

（2）箱體：尾氣從箱體內部通過，箱體內設有多個吸附裝置，提高凈化效率。

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

（4）帶動桿：由調節螺母進行帶動。

（5）帶動架：連接多個吸附裝置的帶動桿。

（6）調節螺母：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）水箱進水管：補充水箱的水，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：通過擰動調節螺母，對本零件進行推動，帶動擠壓裝置擠壓多孔介質。

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.擠壓多孔介質區。

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

3.3 滲流分析

根據達西定律與滲流控制，正常工作狀態時，沒有進行壓緊，滲流層處于原始狀態下；根據達西定律，這時滲流層因為滲流途徑長度不同，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，假設在某一斷水面設有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，根據達西公式：

裝置關閉狀態時，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。但是實際上，根據達西定律可以知道，在多孔介質中，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。在這一分析的基礎上，我們只能通過延長孔口水滴的形成時間，來達到關閉裝置的目的。擠壓時假設擠壓板上升的高度1，在這個壓緊狀態下，假設需要控制每個孔口每隔時間t2才能形成一個水滴。根據達西定律：

上述式子中k 表示滲透系數，又稱水力傳導系數。在各向同性介質中，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，表達式為：

上述式子中：

K：多孔的滲透率，它只與固體骨架的性質有關；

k:滲透系數；

η：動力粘滯性系數；

ρ：流體密度；

g：重力加速度。

在各向異性介質中，滲透系數以張量形式表示。滲透系數愈大，巖石透水性愈強。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，滲透系數減小。h2 稱為水力梯度，也稱水力坡降。擠壓狀態下水力梯度會變小，影響滲流流量。

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

3.4 水頭差和滲透系數

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

滲透系數的測定方法中，應用比較廣泛和精準的是采用“實驗室測定”法。目前在實驗室中測定滲透系數k 的儀器種類和試驗方法很多，但從試驗原理上大體可分為“常水頭法”和“變水頭法”兩種。在層流滲透的狀態下，主要采用的是“常水頭法”。

測量過程就是在整個試驗過程中保持水頭為一常數，從而水頭差也為常數，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，使水自上而下流經試樣，并自出水口處排出。待水頭差△h 和滲出流量Q 穩定后，量測經過一定時間 t 內流經試樣的水量V，則

根據達西定律，v=k*i，則

從而得出

常水頭試驗適用于測定透水性大的沙性土的滲透參數。

4 結語

本文內容以及想法是本人對水膜吸附柴油機顆粒物裝置的一些初步探討，由于對滲流的相關知識接觸時間較短，在這方面的應用實踐經驗較少，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改善。