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柴油机排放颗粒后处理装置设计

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[摘要]
本次设计的目标是运用柴油机排放相关知识设计出过滤效率在98%以上的柴油机颗粒物过滤装置（DPF）系统。为满足我国国情和设计要求，过滤体选用价廉实用的铁丝网卷合成圆柱状，再生系统选用反吹加热再生，加热源来自液化石油气(LPG)。结合流体力学相关知识计算管长和管径等尺寸。再生系统选择成熟的气体燃烧器和鼓风机，在合适的尺寸下与过滤装置进行装配。接着结合汽车电子相关知识对整个系统进行电控化以达到最优化工作，这牵扯到大量的传感器应用知识，参数汇总计算，以及单片机技术。最后本文中还设计了几种实验，用以对本次设计的装置进行优化。
[关键词]
柴油机颗粒物过滤装置（DPF） 过滤体 反吹加热 液化石油气(LPG) 排气管

Diesel discharged particulate after-treatment device designed

。。。。
（。。。。。）
Tutor :

Abstract：
The design goal is to use the knowledge to design diesel exhaust filtration efficiency of 98% or more of the diesel particulate filter (DPF) system. In order to meet China's national conditions and design requirements, the filter body use inexpensive and practical synthesis of cylindrical roll of barbed wire, recycled renewable heating system selected blowback, liquefied petroleum gas from the heating source (LPG). Knowledge of fluid dynamics calculations combined length and tube diameter and other dimensions. Regeneration System Selection mature gas burners and blowers, at the right sizes and filtering devices for assembly. Then combine the knowledge of the entire automotive electronic control systems in order to achieve optimal work, which involves a large number of sensor applications knowledge, parameter summary calculations, and microcontroller technology. Finally, this paper also designed several experiments to the design of the device to be optimized.
Key words：
Diesel particulate filter (DPF) Filter body Blowback heating Liquefied petroleum gas (LPG) Exhaust Pipe

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目 录

1 绪论 1
2 机颗粒物的组成及生成机理 2
3 油机颗粒物排放后处理技术介绍 3
3.1 柴油机氧化催化器（DOC） 3
3.2 柴油机微粒捕捉器（DPF） 3
3.2.1 催化再生 4
3.2.2 喷油助燃再生 5
3.2.3 电加热再生 5
3.2.4 反吹再生 5
3.2.5 微波加热再生 6
3.2.6 连续再生 6
4 固定式反吹再生DPF总体设计 7
4.1 过滤体的选择 7
4.2 再生系统各装置的选择 7
4.3 再生系统工作过程 8
5 各主要零件设计 14
5.1 过滤体总成设计 14
5.1.1 过滤体尺寸设计 14
5.1.2 过滤体壳体的选择 14
5.1.3 排气管设计 14
5.2 旁路系统的设计 15
5.2.1 旁路管尺寸设计 15
5.2.2 旁路单向阀的设计 16
5.2.3 旁路消声器设计 16
5.3 反吹风管设计校核 18
6 燃烧器和鼓风机选择 22
6.1 燃烧器选择和说明 22
6.2燃烧器注意事项 22
6.3 鼓风机的选择 26
7 安装后试验方法 27
7.1 实验器材 27
7.2 实验方法 27
8 多空泡沫金属新型过滤材料的介绍 29
8.1 泡沫金属材料和陶瓷材料的对比分析 29
8.2 多孔泡沫金属炭烟过滤机理分析 29
9 几种过滤体分析方法 30
9.1 Happel-Kuwabara单元模块分析 30
9.2 过滤体效率测试 30
9.3 过滤体的改进 31
10 关于我国未来DPF的应用思考 32
致谢 33
参考文献 34

1 绪论
近年来，柴油机在汽车中的使用日益广泛，轿车柴油机化也将是未汽车行业的发展趋势，因为它与汽油机相比，具有良好的经济性、动力性和可靠性，以及较高的热效率和较低的CO、HC 排放，但较高的NOx和颗粒物( PM) 排放成为限制柴油机发展的主要障碍。为满足对车用柴油机不断提高的排放要求，柴油机排气后处理问题成为了人们研究的焦点。柴油机排放的PM和NOx对环境有十分恶劣的影响。科学研究表明，NOx排放可形成光化学烟雾，PM 的排放则使人们致癌，降低其排放是当前热点。控制柴油机对环境污染的首要任务是降低其NOx和PM 排放量。目前，世界各国都在致力于减少柴油机NOx和PM排放的技术研究。随着人们对环境保护的重视，越来越严格的车用柴油机排放法规将会制定并实行。由于机内净化技术的潜力有限，排放物的进一步降低必然要通过机外净化技术的采用。油品质量的提高特别是硫含量的减少是降低柴油机PM排放的必经之路。我国燃油硫含量过高限制了许多种类的颗粒物排放后处理技术的运用，因此我国应采用可靠性较高的主动再生柴油机颗粒物捕捉器。我国从上世纪80年代中期就开始了DPF问题的探索和研究工作,但进展缓慢,对于DPF的材质和DPF的再生问题的研究依然没有得到实质性进展。目前,我国从事研发和生产DPF 的企业不多,国内基本无法提供具有成熟应用的DPF 产品。奥运前夕,北京政府招标100台DPF,安装在公交、环卫、邮政等系统的柴油车上作试点,其中标单位全为外企。本次毕设以公交车为实验对象。

2 机颗粒物的组成及生成机理
柴油机颗粒物组成主要由三部分组成，即固态的未燃碳颗粒聚合物（DS）、可溶有机物（SOF）、无机盐类及其它的一些聚合物。
柴油机微粒的主要成分是碳烟。碳烟形成的条件是高温和缺氧。由于柴油机的油气混合并不均匀，尽管总体上是富氧燃烧，但局部的缺氧还是导致了碳烟的生成。一般认为碳烟形成的过程是：烃类燃料中的烃分子在高温缺氧的条件下热裂解形成部分乙烯和聚合烯；乙烯和聚合烯在不断的脱氧后聚合成以碳为主的直径为2nm左右的碳烟核心；气体中的烃在这个碳烟核心表面的凝聚以及碳烟核心之间的凝聚使得碳烟核心的表面增大，成为直径为20——30nm左右的碳烟基元。至此，碳烟的质量已经基本确定。最后，碳烟基元堆积成微粒。如图2.1所示。
碳烟核心2nm
碳烟基元20——30nm
碳烟PM

乙烯聚合物
烃类燃料

图2.1 碳烟PM的形成过程

柴油机微粒中的硫化物主要来源于柴油中硫的氧化，因此降低燃油中的硫含量是非常重要的。根据英国Ricardo研究所的研究，柴油机微粒中的有机HC成分主要来源于润滑油，这个来源约占微粒有机成分的74%。在我国，由于我国化工炼油工业和内燃机制造工业的相对落后，柴油机排气中有较多硫化物成分，而且相当部分润滑油也形成为未燃烃类排出发动机。

3 油机颗粒物排放后处理技术介绍
3.1 柴油机氧化催化器（DOC）
DOC以铂和钯等贵金属作为催化剂，主要降低微粒排放中的SOF的含量，从而降低PM的排放。其氧化原理与汽油机三效催化器氧化HC和CO的原理基本一样，可以同时有效减少排气中的HC和CO。DOC能够氧化排气中的30%——80%的气态HC和40%——70%的CO，以及除去微粒物总量的30%——50%，这主要氧化了50%——80%吸附在碳粒表面的可溶性有机成分。DOC对于纯碳粒几乎不起作用。
氧化催化器同时对于目前排放法规还未限制的有害成分（如多环芳香烃、乙醛等）都能净化。研究表明DOC可以使有毒的部分减少68%，多环芳香碳氢化合物排放减少56%，乙醛减少70%。自1995年以后，全世界至少有50万辆卡车和公共汽车加装了DOC系统。
DOC在氧化掉PM中的一部分SOF的同时也将尾气中的部分SO2氧化成硫酸盐，所以对于含硫量较高的柴油来说，使用氧化催化器将使微粒物排放中的硫酸盐比例增大，这样就降低了氧化SOF的效果，甚至使PM的排放增加。另外燃料中的硫还会引起催化剂中毒，所以使用高硫柴油会极大的影响氧化催化器的净化效果，还会降低催化器的寿命。因此，选择合适的催化器和使用低硫燃油就显得尤为重要。
氧化催化器存在的主要问题是高温老化和催化器中毒。高温老化主要是由于贵金属在高温下发生了烧结而导致了催化剂活性点减少、性能下降；催化器中毒主要是由于排气中的硫酸盐及颗粒等成分覆盖了载体表面活性点而导致了催化性能下降。催化器的高温老化是不可逆的，而催化剂中毒后可以部分恢复活性。另外燃油中的硫含量过高，会导致排气经DOC时硫酸盐成分的增加，有可能导致微粒排放的升高，因而DOC必须与低硫柴油一起使用。单独使用DOC时，会造成NOx中NO2比例的增加，而NO2毒性是NO毒性的4倍。除了降低燃油中硫含量，通过改变载体的材料构成，也可以提高DOC的抗硫老化性能。例如通过选择低的SO2吸附载体材料和再多加一层无贵金属负载的SO2阻隔层的方法，在不影响HC和CO转化率的同时，降低了DOC中硫酸盐的生成量，提高了催化剂的抗硫中毒性能。
3.2 柴油机微粒捕捉器（DPF）
DPF是柴油机微粒排放后处理的主要方式，它由收集排气微粒的滤芯和各类周期性的把滤芯中积存的微粒烧掉或氧化掉的再生系统所组成。该技术的应用方法是先用DPF捕集废气中的PM，然后通过对收集的PM的氧化来使DPF再生。该方法可以从柴油机排气中除去碳烟颗粒，其效率远超过90%。
微粒捕捉器关键技术不是PM的捕集，而是过滤芯材料和过滤体的再生。因为，微粒手机其采用的是毛孔吸附法，吸附后的微粒粘在载体毛孔通道上，堵塞排气通道，对柴油机排气产生阻力，将会直接影响到柴油机的经济性和动力性。因此，收集器的载体在使用一段时间后必须对其进行清理再生。DPF再生的方法有2种：（1）通过在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层来降低PM的燃点，是的PM能在较低的温度下燃烧，一般称为被动再生；（2）利用外界能量来提高DPF内的温度，使PM着火燃烧，称为主动再生。也可以把2种方案组合起来使用，以确保过滤器得到可靠的再生，维护PM过滤系统在寿命周期内的正常工作。目前，主动再生方法有喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生及反吹再生等；被动再生有燃油添加剂再生、连续再生以及催化剂再生等。2种方法都有其优点，如主动再生对汽车工况没有要求，效率高，可靠性好；而被动再生有较好的燃油经济性，较低的成本，整个系统也比主动再生简单。二者都需要优化控制再生策略。
3.2.1 催化再生
催化再生技术是利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能，使其能在柴油机正常排气温度下进行燃烧，实现微粒过滤器的再生。在再生过程中，过滤体所受到的热负荷较小，因此提高了过滤体的寿命及工作可靠性。催化再生技术主要有2种：（1）将催化剂提前浸渍在过滤提上，以降低过滤体上微粒的活化能，但由于固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，因此很难完全再生。另外，由于柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的进行，催化剂的作用会逐渐削弱或完全消失，即催化剂中毒，从而影响到过滤体的有效再生和对其它有害气体的催化净化效果；（2）采用燃油添加剂，即在燃油中加入金属有机物，燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作用，使微粒着火温度降低，从而在较低的排气温度小，不需外部能源，过滤体能自行再生。但是，燃油添加剂的燃烧产物金属氧化物随排气流经过滤体时，有一部分会沉积下来，积累在过滤体上的添加剂金属燃烧产物会堵塞过滤体空隙，缩短过滤器使用寿命。若沉积物过多，被压上升，就会通过定期更换过滤体来解决。由于我国柴油中的硫含量在110-3以上，远高与金属催化剂所要求的硫含量（低于510-5）标准，因此催化技术在我国的应用还需要一段时间。
3.2.2 喷油助燃再生
喷油助燃再生技术是通过一套专门的系统，适时地向过滤体上游空间喷入一定量的燃油和供给一定的空气，由点火系统将喷入的燃油点燃，使过滤体的温度上升，颗粒着火燃烧，以实现过滤体的再生。再生系统很复杂，造价昂贵，而且容易出故障。为保证过滤体的成功再生，要求再生燃油器具有点火可靠、燃烧完全及火焰分布均匀等特点。如点火失败，将使燃料沉积在过滤体上，引起二次沉积和污染，并且容易引起爆燃。燃烧不完全会使再生时排气冒烟，也会导致二次污染。
3.2.3 电加热再生
电加热再生技术与燃油助燃再生技术相类似，但它是以电能代替燃油燃烧加热空气或废气来实现对过滤体的再生。这种再生技术对电功率要求较高，一般需要1.5～3KW。为了有效的利用电能，一般都采用废气旁通装置。电加热再生是利用具有高导电性能的晶体SiC作为过滤材料，当需要再生时，将过滤体作为电加热元件直接对其通电加热，使沉积其上的碳烟颗粒升温燃烧，实现过滤体自身的再生。因此这种再生技术系统比较简单，可控性好，并且在柴油机任何情况下都能对过滤体进行可靠的再生。电加热再生对对车用电源的要求很高，在使用过程中需解决耗电量高的问题，结晶SiC的制造工艺复杂且成本高。
3.2.4 反吹再生
为了提高柴油机微粒过滤及再生系统的可靠性和使用寿命，将微粒的燃烧与过滤体分离开是一个有效的途径。近几年，提出了一种新的有别于一般再生过程的再生技术，即反吹再生技术。该再生过程的最大特点是能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂和烧熔等问题，另外也解决了不燃物质在过滤体内累积的问题。当过滤体需要再生时，压缩空气从过滤体出口出高速喷入，将微粒从过滤体表面清除，并落入微粒漏斗。收集在漏斗内的微粒由漏斗内的销装电加热器连续燃烧掉。
3.2.5 微波加热再生
微波加热再生则是利用微波所独具的选择加热及体积加热特性，对沉积在过滤体上的对微波具有极强吸收能力的微粒以及过滤体本身进行加热，使微粒迅速燃烧。微波再生时在过滤体内部形成空间分布的热源，对过滤体进行体积加热。这种体积加热方式使沉积在过滤体内部的微粒就地吸热、着火及燃烧，过滤体内的温度梯度小，因而减少了热应力引起过滤体破坏的可能，无疑这些对过滤体的安全有效再生是十分有利的。
3.2.6 连续再生
连续再生微粒捕集系统（CRT）原理特点是在DPF或开放式的微粒氧化器（POC）前有1个特殊的氧化催化器，将排气中的NO转化成NO2，以提高排气中的NO2的浓度。利用活性很大的NO2中的一个氧来氧化PM中的碳烟，以达到再生的目的。同时CRT系统带来排放中的NO2比例升高问题，虽然排放法规是限定氮氧化合物总量，但是国外研究表明NO2毒性是NO的5～8倍，因此从真正清洁空气保护环境而不仅仅是追求排放法规要求角度，应用这一技术路线应考虑如何降低NO2。

4 固定式反吹再生DPF总体设计
4.1 过滤体的选择
过滤体材料的要求有四点：（1)高的微粒过滤效率；（2)低的排气阻力；（3)高的机械强度和抗振动性能；（4)具备抗高温氧化的耐热冲击与耐腐蚀性。其中，高的过滤效率与低的排气阻力是一对矛盾，选择材料时要综合考虑这两方面的性能。目前，常用的过滤材料主要有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、编织陶瓷纤维、金属丝网与金属纤维毡等。本设计过程过滤体材料选择金属丝网，为了进一步提高DPF的碳烟捕集率，提出了增加碳烟通过金属丝网的捕集路程、减少金属丝网线的间隙、以及改变金属丝网的编制方法等方案。本设计过程采用由高密度带状铁丝网卷起制成的筒式滤芯，如图4.1所示。

图4.1 过滤体实物图

4.2 再生系统各装置的选择
以LPG为加热源,以市场上出售的LPG燃烧器燃烧、专用辅助风机与大容量鼓风机为基本构成,并配以电控单元( ECU)。将LPG燃烧放出的热功率设为23kW,为了帮助燃烧,燃烧器用辅助风机用的风量是0. 6m3 /m in,燃烧后形成的高温燃烧气体进一步在混合室内与大容量鼓风机压入的空气进一步均匀混合(稀释) ,以设定的800℃的高温流出,并进入DPF。
当开发金属丝网DPF 安装在公交车后,必须预防的问题之一是假如流入高温空气中央导管被堵塞或者是由于何种原因DPF没有及时再生时,捕集的大量碳烟将使得金属丝网DPF的排气背压变的过高而导致公交车熄火。为了防止这种突发故障, 在DPF上设置了旁通阀以及旁通管路,其旁通阀和旁通管路如图4.2所示,当排气背压大于旁通阀的弹簧所设定的压力时,旁通阀自动打开,使尾气经旁通阀→旁通管路排除。同时旁通管路内部结构就是一个消音器,以保证从旁通阀管路排出的尾气不产生过大噪声。

图4.2 DPF及旁通管路

4.3 再生系统工作过程
它由LPG燃烧器、燃烧控制器、燃烧器用辅助风机、混合空气用鼓风机、变频器和电控单元(ECU)等基本单位构成。
燃烧控制器系统中使用限位、联锁限制安全动作范围，通过检测燃烧装置火焰的火焰监测器，监视燃烧状态。来自火焰监视器的信号，经过烧嘴控制器，转换成操作部必要的信号，使安全切断阀动作。万一，因燃烧装置发生某种故障，导致烧嘴不着火或者断火等异常情况产生的场合，火焰监视器检测到燃烧火焰异常，传送信号至烧嘴控制器，使安全切断阀关闭，防止燃料流人燃烧室内。火焰检测器或者烧嘴控制器发生故障的场合，燃料切断阀动作，但具有不起动烧嘴的安全回路功能。燃烧控制器的作用是使燃料安全燃烧。
打开总开关，鼓风机l以初始频率30Hz，鼓风机2以频率50Hz开始工作，此时ECU开始计时时间为t1，压力传感器检测风室压力，当风室压力大于P1，(设定工作的最小压力为一个大气压)时，由ECU给出控制信号，打开燃烧控制器，给定i为1，给定鼓风机1的频率为40Hz，给定目标温度400℃，由出口热电偶检测温度T，热电偶把模拟温度信号给温控仪表，温控仪表把温度信号转变为数字信号给ECU，当热电偶检测到的温度达到加400℃时，给定i加1，给定鼓风机1的频率为45Hz，给定目标温度500℃，当达到要求，继续循环，当i为4时，给定鼓风机l的频率为60Hz。检测出口温度T是否小于容许的最大温度Tmax，当出口温度T小于Tmax时，再次检测出口温度并与容许的最大温度比较，当T仍小于Tmax时，比较T与目标温度Tg(设定为800℃)之间温度差值，当差值大于Tz(温度差值设定值50℃)时，给定A为5，当差值小于Tz (温度差值设定值50℃)时，给定A为l，利用频率修正公式F=F×(1+i×(T一Tg)／Tg)，给定鼓风机l频率F，测试时间t2，当t2与t1的差值大于工作时间ts(设定工作时间20min)时，停止工作，再生结束。在工作过程中，当所测风压P<P1时，说明有可能漏风，此时风机报警，错误计数器加1，停止工作。当所测温度T大于Tmax时，说明燃烧温度过高，有可能损坏设备，此时风机关，停止燃烧，过热报警，错误计数器加1，停止工作。整个装置由ECU控制，燃烧控制器控制燃烧，LPG燃烧生成的热空气从如图4.4所示DPF下端的小口进入DPF，对DPF中的PM进行加热，使DPF中的PM燃烧，从而实现DPF的再生。

IO控制

变频器1启动信号

报警状态

变频器2启动信号

AI:
0-5V
AI:
0-5V

压力检镜
0MRON温控仪表
ECU

变频器2
变频器1

鼓风机2
鼓风机1

鼓风机2
压力传感器

混合室

图3.3.1 系统结构示意图

火焰检测杆

减压阀
安全切断阀
燃烧
室

高温混合气
副阀

点火变压器

LPG

烧
嘴
控
制
器

鼓风机1

图4.3 系统结构示意图

图4.4 DPF结构示意图

开始

风机开F=F1

时间t1

N
P>P1

Y

燃烧器开
i=1,TG=TG(i),F=F2(i)

出口温度T

N
T>TG

Y

i=i+1(i<4),
TG=TG(i),F=F2(i)
N
Y
N
Y
N
i=A1
出口温度测量T

Y
N

i< 4

N

风机报警
风机频率F3

T< Tmax

T< Tmax

T-Tg< Tz

i=A2
Y

F=F(1+i(T-Tg)/Tg)

风机关
风机频率F

过热报警
测量时间t2

t2-t1>ts

N

Y

停止处理

ERRCNT=ERRCNT+1
ERRCNT=ERRCNT+1

结束

图4.5 控制流程程序图

5 各主要零件设计
5.1 过滤体总成设计
5.1.1 过滤体尺寸设计
过滤体孔隙过大不利于过滤效率，过小排气背气压增大，所以要选择合适的孔隙。结合对排放颗粒直径的研究选择孔隙为0.4mm的铁丝网。
在微粒捕集器的实际应用中,微粒捕集器与发动机排量之间的关系为：
Vcot=(l～2)Vp （Vp为排量）
选取柴油机排量Vp=8.12L,取Vcot=1.6Vp，计算得Vcot=13L
一般排气压力在0.01～0.6Mpa才可以不影响发动机的正常工作本实验选择的发动机排气压为0.5Mpa，最终排气压力为0.02 Mpa
由公式P1/P2=A2/A1=D22/D12得
过滤体大概外直径：
D2==250mm,内直径因反吹管而定d2=30mm。
由体积和直径可以得出过滤体长度：
L1=4Vcot/(2502-302)=304mm，
考虑到过滤材料对尾气的阻力选L1=280mm
5.1.2 过滤体壳体的选择
过滤体壳体由圆柱部分和圆锥部分构成，壁厚=5mm和发动机排气管一致。进气端设计为突然扩大以达到涡旋有利于扩散过滤，出气端设计为45o逐渐缩小以利于排气。
圆柱部分内直径d3=250mm,外直径D3=260mm。长度由过滤体长度而定中和考虑L2=410mm。
锥形部分大圆和圆柱部分螺栓连接，小圆部分和排气管螺栓连接。壁有开口朝内是由反吹管插上连接，外部与反吹管由螺栓连接。
5.1.3 排气管设计
排气管的长度和流通截面积越小,越有利于排气能量的利用,但也不能过小。定义排气管长度影响系数L为压力波在排气管中从一端传到另一端并返回起点的时间和曲轴每转1°CA所需的时间之比,则:
L=12Ln/aT （L——排气管长度,m； n——发动机转速,r/min ；aT——当地声速,m/s； 一般L =30～50°CA）
即 L=L .aT/12n （n=2000 r/min, aT=340 m/s）
计算得L为2550mm～4250mm所以本次设计的尺寸应该在排气管范围内。
5.2 旁路系统的设计
5.2.1 旁路管尺寸设计
旁路管直径选择较小于排气管，以利于加工和排气压力波增大，选择外径D=50mm,壁厚5mm。旁路管长度按照过滤装置长度定，尺寸合适即可，初选1070mm。
计算旁路的排气压力差：
（1）排气管到旁路管的突然间小压力损失：
△P=Hfg, Hf=,=0.64
查表得。由与测量得排气流速在0.5 MP时平均流速在50m/s,代入上式得:
△P=0.731.205502/2=0.0012MP
(2)旁路排气管长度对排气压的影响：
首先计算Re、选择指数n。
== 是湍流
查表得
=
根据求L的计算公式。因
,
所以L=

将代入，则

代入数值=1.205Kg/m3,R=0.02m, △P选最大差0.5MP，
分别以、、代入上式，可得A、B、C三点的混合长度为LA=0.047m ,LB=0.078m, LC=0.083m (数据显然大于管径显然压力降远小于0.5 MP)
计算沿途阻力系数。
=12.41>>0.7R=0.028 （显然压力降远小于0.5 MP）
所以管径和管长对压力降影响在合理范围。
5.2.2 旁路单向阀的设计
本次设计选用锥阀式普通单向阀。设定当过滤体再生失效时，背气压大幅度增加，当超过正常排气压0.5 MP时，阀芯被推开，旁路阀工作，开口和进口公称直径为d=50mm，公称压力p=0.5MP～2MP,可手工调节。
5.2.3 旁路消声器设计
消声器分类：
常用的消声器结构有很多种，根据消声原理的不同，一帮可以分为以下几种，阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器和微穿孔板消声器。（1）阻性消声器的消声原理和抗性消声器完全不同，它是利用内部的吸声材料或吸收结构的吸声特性达到降低噪声的目的。阻性消声器一般情况下不是在所有频率内都有很好的声学性能，哥哥频率段的噪声被吸收的多少差别很多。当声波从入口段进入消声器管道以后，因为空气运动产生的摩擦生热作用和空气的流体粘滞作用，声能量主要转化为热能的形式散发，从而达到消除噪声的目的，也因为阻性消声器的小声性能主要是因为摩擦生热所以在高频范围内阻性消声器有良好的消声能力，对比起来低频范围的声学性能不够理想。
（2）抗性消声器主要是利用不同形式的结构具有不同的声学特性这一特征进行消声的，也因此被叫做声学滤波结构。此种消声器式一种利用声波在消声器内部向前传播时遇到截面发生变化使声波发生反射的结构。由此可见，这种靠声波发生反射的消声器本身没有直接吸收声波能量的功能，并且抗性消声器的声学特性与阻性消声器特点完全不同，抗性消声器主要被用于控制中、低频段噪声。抗性消声器在不同频率有不同的消声特性，其决定因素是本身的结构参数。抗性消声器内部没有安装具有吸声能力的玻璃棉等阻性材料。整个结构采用全金属的制造方式，所以温度较高的地方一般使用抗性消声器。同时，全金属结构还具有以下优点：抗腐蚀能力大、生产成品低、使用寿命长，在汽车排气噪声的控制方面得到了广泛的应用。一般分为扩张式，共振式等类型。
（3）阻抗消声器式在前面两个消声器的基础上发展起来而又有别于阻性消声器和抗性消声器的一种新型消声器。阻抗消声器顾名思义既有阻性消声器的特点又兼备抗性消声器的消声能力。这是由阻抗消声器的结构决定的。阻抗消声器式阻性消声器和抗性消声器的有机结合，因为兼备两种消声器的特点，所以在低频和高频都有不错的表现。从原理上看，阻抗消声器中的阻性成分“内部填充的阻性材料，使其具有较好的高频消声能力”，抗性消声能力是由内部的单节扩张室结构或者共振结构等决定的，所以在中低频也具有不错的消声能力。
（4）微穿孔板消声器一般是用较薄的金属板制成，通过薄板上直径较小的孔，形成高声阻的吸声元件。穿孔板的消声性能相比单节扩张式消声器有不同的消声特性。在中频段会出现一个共振频率，出现一个较大的消声峰值。这种消声器消声性能的影响因素很多，穿孔率、穿孔厚度、小孔直径的大小等很多因素都会影响消声器的消声性能，具体参数对消声。
本次设计采用阻性消声器，形式选圆形直管式，直径D=150mm；进气管穿孔，管直径d1=60mm,排气管直径d2=60mm。长度L=300mm。如图5.1。

图5.1 消声器示意图
5.3 反吹风管设计校核
（1）反吹管分两部分DPF壳体内和壳体外，壳体内长度一定,在水平部分410mm。
（2）直径可以通过公式计算：

式中d——管道内直径，mm； Vf——流体体积流量，m3/h； u——流体平均流速，m/s； W——流体质量流量，kg/h；ρ——流体密度，kg/m3。通常可由图5.2或图5.3查得管径。由图得出管径选则为外径30mm壁厚5mm。

图5.2 流速、流量、管径计算图

图5.3 液体、气体经济管径图

（3）拐角和管长对压力降的影响：
运用当量长度法也就是将管件和阀门等折算为相当的直管长度，此直管长度称为管件和阀门的当量长度。计算管道压力降时，将当量长度加到直管长度中一并计算，所得压力降即该管道的总摩擦压力降。常用管件和阀门的当量长度见表5.1。
由表得选斜接弯管45°则Le=15D=450mm,则相当计算总长为L=450+410=850mm的管。
表5.1 常用管件以管径记的当量长

> 是湍流（式中选定流速大于100m/s）
湍流时 <0.7R=0.07

式中
d——管道内直径，mm；W——流体质量流量，kg／h；Vf——流体体积流量，m3／h；
µ——流体粘度，mPa·s；——流体速度m/s；——运动粘度m2/s。
代入数值=0.07，L=1070mm，=100m/s，d=20mm，ρ=1.205Kg/m3，得
Mp
由此可得管径和管长对压力降影响很小。

6 燃烧器和鼓风机选择
6.1 燃烧器选择和说明
燃烧器选择主要考虑以下几点：（1）尺寸大小；考虑到公交车的容纳空间我们认为燃烧器尺寸长宽应为4030。（2）燃烧功率；考虑到过滤体的再生温度650℃到1000℃，我们选择的燃烧器应该有较大的最高功率。（3）电控系统；现在各种车辆都有较先进的电控系统，依靠传感器和电控系统可以对再生系统的频率和程度有较好的控制。（4）耗电量；汽车的电瓶有限所以整个系统的耗电量要小，这对可靠性有较好的提高，也可以节能。（5）简单易修可靠性；对于整个反吹风过滤系统都要简单，可靠，因为成本的增加会使采购意愿产生挫折感，这对于大规模普及不利，如果快速普及可以在短时间内解决我国排放问题。（6）燃料应该是污染低的气体燃料；气体燃料是现在流行的低污染汽车燃料，所以反吹风的燃料选LPG，燃烧器是气体燃料燃烧器。
综上所述我选百得燃烧器，原因是他有多的型号和详细的说明。通过示意图和参数的分析应选TBL 130PDACA这个型号。参数如表6.1所示。
表6.1 燃烧器参数图
热功率 消耗电功率 点火变压器 电压 火焰检测 重量

最大 最小

TBL 130PDACA

2.6KW
1300KW
400KW
25KV – 30Ma – 230V/50Hz
3N ～400 V ±10%- 50Hz
52kg
光敏电阻

6.2燃烧器注意事项
一般性注意事项：
（1）本说明手册对于产品来说是必要的，是产品不可分割的一部分，一定要提供给顾客。请仔细阅读本手册，其中包含有关安全地安装、使用和维护产品的重要信息。请保留本手册以备需时之用。
（2）必须依照现行的规则和制造商的指导，由有资格的技术人员来安装设备。有资格的技术人员意思是能够胜任民用供热和热水生产领域的工作，或者是制造商授权的帮助中心。安装不当可能引起损害和对人员、动物或物品的伤害。这种情况制造商不负责任。
（3）打开包装后要确认所有的部件都齐备并且完整。如有疑问就不要动里面的设备并把它还给供货商。所有的包装材料(木板、钉子、塑料袋和膨胀聚苯乙烯等)一定不要放在儿童能够触及的地方，以免对他们造成伤害。一定要把这些包装材料收集好放在合适的地方以免污染环境。
（4）在对设备进行任何的清洁和维护之前，一定要关闭设备电源，使用系统开关或者将系统关闭。
（5）如果出现任何故障或者设备不能正常工作，将其停机，不要试图修理或者改动。这种情况下，应该跟有资格的技术人员联系。任何对于产品的维修均应由百得授权的服务中心使用原厂配件来进行。以上提到的任何故障，均可能影响设备的安全性。为保证设备能够有效正常地工作，由有资格技术人员按照生产商的指导对设备进行定期维护是必要的。
（6）如果设备被出售、所有者变化，或者被移动或闲置，本说明手册一定要始终与设备在一起以便新的所有者或者安装者能够利用它。
（7）对于所有可使用可选零件和组件(包括电气)的设备，一定要使用原装配件。
燃烧器：
（1）设备必须只能作以下声明的用途：用于锅炉、热风炉、烤炉或其它类似设备并且不能暴露在可能对设备造成危害的环境中。其它的的使用均为不正确且是危险的。
（2）设备必须根据现行规则安装在通风良好的合适的房间内且要保证供应足够的空气进行良好燃烧。
（3）燃烧器空气进口不要有阻碍使进风口面积减小，也不要阻碍房间通风，避免形成有毒或有害气体。
（4）对燃烧器进行联接前，检查铭牌上的内容，确认燃料所有的供应正确(电源、燃气、轻油或其它燃料)。
（5）不要接触燃烧器上温度较高的部位。通常这些部位靠近火焰或者燃料预热装置，运行温度很高，在燃烧器停机后也会保持一段时间的高温。
（6）如果不再使用燃烧器了，须由合格的技术人员完成以下工作：
a) 断开与主电源的联接。
b) 关闭截止阀并将控制手柄拿走，切断燃料供给。
c) 对所有潜在危险部件做无害化处理。
特别注意事项:
(1) 检查燃烧器在锅炉上的安装，确保安装正确、安全，并使火焰完全在燃烧室内。
(2) 启动燃烧器前，由有资格人员进行以下工作，最少每年一次：
a) 将燃料的流量设置为保证锅炉所需热量。
b) 调节燃烧空气的流动，以获得要求的工作范围。
c) 检查燃烧情况，确保产生的有毒物质和未燃烬气体含量不超过现行规则的要求。
d) 确认调节和安全装置工作正常。
e) 确认燃烧产物排除通畅。
f) 确认在调节完成后，所有调节装置的机械安全系统均密封良好。
g) 确认使用和维护说明书在锅炉房内。
使用须知:
(1) 如果燃烧器重复停止在锁定位置，不要频繁地手动复位。这时应让合格的技术人员来解决问题。
(2)设备的运行和维护均要根据现行的规则，由合格的技术人员来执行。
电源:
(1) 根据现行规则正确联接且良好接地后，电气设备才是安全的。有必要对必要的安全要求进行确认。如有疑问，让合格的技术人员进行仔细地检查。对于接地