基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置 一、所属技术领域
本发明属于柴油机排气后处理技术，特别涉及一种基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置的结构。二、背景技术
90％以上的柴油机微粒在1μm以下，属于气溶胶粒子范围。研究表明，柴油机微粒对环境及人体健康的危害与微粒大小有着直接的关系：大于1μm的微粒在空气中主要作沉降运动，容易被雨水冲洗掉，一般难以进入人体呼吸道；粒径小于1μm的微粒则在空气中作随机运动，这些微粒能经呼吸道深入到人体肺叶中，较小的微粒甚至还会被血液吸收。微粒越小，悬浮于空气中的时间就越长，这样一方面增加了微粒接触人体的机会，另一方面也增加了微粒在大气中受阳光和其它物质作用而产生化学反应的可能。因此，柴油机微粒对人体健康的危害不仅取决于微粒量的多少，还取决于微粒粒径的分布。近年来，国际上正酝酿将微粒分布作为柴油机排放的一个指标。
柴油机排气微粒的细小除了增加其对环境及人体健康的危害，同时给微粒的净化捕集带来极大的困难。在目前最主要地柴油机微粒捕集方法——过滤方法中，由于柴油机微粒的细小，为提高微粒过滤捕集效率，常需将过滤体的微孔径做得很小，过滤体非常密实，这无疑显著增加了柴油机的排气阻力。
由于柴油机微粒对环境及人体健康的危害，国内外近二十年来一直没有放弃对柴油机微粒净化技术的研究，研究的内容包括机内净化技术和机外后处理技术。机内净化技术主要是通过改善柴油的燃烧以降低微粒的排放；机外后处理技术研究的主要重点则是柴油机微粒的各种捕集技术，主要是微粒的过滤技术和催化氧化技术等。
在目前的柴油机排气微粒净化技术的研究中，还很少涉及到通过采用改善柴油机微粒粒径分布的方法来降低柴油机微粒对环境及人体健康的危害以及提高微粒过滤捕集效率和降低过滤捕集过程中的排气阻力。只有在柴油机微粒静电捕集技术中，间接含有改善柴油机微粒粒径分布的思想。它是利用使微粒在高压放电过程中的荷电来促使微粒在电场作用下发生凝并，以此提高微粒的捕集效率。(“柴油机排气微粒静电金属丝网捕集器的试验研究”，《内燃机学报》，2000，18(2)；“Electrostatic Precipitation of Carbon Soot from DieselEngine Exhaust”，IEEE，1983，19(6))。柴油机微粒静电捕集中采用的利用高压放电荷电促使微粒凝并的技术，其系统结构复杂，需要价格昂贵的高压放电电源，安全性、可靠性难以保证，因此应用受到极大的限制。三、发明内容
本发明要解决的技术问题：
为了解决目前柴油机微粒细小使其在大气中难以沉降，以及柴油机微粒的细小给微粒的净化捕集带来的极大困难，本项发明从柴油机排气微粒本身入手，提供一种基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置。该装置工艺简单，易于制造且结构紧凑，可以有效改善柴油机排气微粒分布。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
在装置壳体中，排气入口管、前排气扩张腔、芯体、后排气扩张腔以及排气出口管顺序连接；排气入口管、前排气扩张腔、排气分流管束、后排气扩张腔以及排气出口管的外部是前冷却水扩张腔、芯体内的冷却水通道以及后冷却水扩张腔；芯体由排气分流管束、排气前分流板、前均流板、外均流板、内均流板、后均流板以及排气后分流板组成；排气分流管束穿过前均流板、外均流板、内均流板及后均流板；排气分流管束的两端分别固定在排气前分流板和排气后分流板上；芯体由前均流板、外均流板以及后均流板支撑在装置壳体内。
在柴油机排气排入大气之前，使其进入基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置。在排气扩张腔内，通过排气前分流板的分流使排气均匀进入紧密横向平行排列的薄壁小孔金属排气分流管束。进入排气分流管束内的排气在流动过程中被管外的冷却水所冷却；在排气的冷却过程中，依据下述的三个方面的科学原理，排气分流管束内的排气微粒分布得到改善。流出排气分流管束的排气在排气扩张腔内稳流后经排气管排出。
基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置改善柴油机微粒分布的技术方案所依据的科学原理有三点：(a)排气分流管束内的排气在流动过程中被管外的冷却水所冷却；由于排气中含有大量的气态碳氢，当排气中气态碳氢的分压超过其饱和压力时，必然有大量的气态碳氢凝结到微粒表面或以液态微粒的形式出现，柴油机微粒起到了凝结核的作用；气态碳氢在柴油机微粒表面的凝结必然会增加微粒的质量和粒径，同时使微粒具有更大的粘性；(b)不同质量、不同大小的柴油机微粒在脉动的湍流排气中的速度和相位不同，从而促使微粒间发生相互碰撞；由于微粒表面的高粘性，相互碰撞的微粒将凝并在一起，使微粒粒径变大、质量增加、个数减少。(c)由于排气分流管束外的冷却水的冷却作用，排气在薄壁小孔金属排气分流管束内与管壁之间存在着强烈的对流换热，管壁壁面处存在着具有很大温度梯度的热边界层；在靠近管壁处的温度边界层中，微粒在热泳力作用下将向管壁运动并沉积到管壁壁面；当沉积在薄壁小孔金属排气分流管管壁的微粒层达到一定厚度时，在气流剪切力的作用下，微粒层会从壁面脱离并再次进入排气；从微粒层脱落的微粒是由大量的沉积微粒所组成的集合体，微粒的粒径和质量会比沉积前显著增加，整个排气中的微粒个数会显著减少。
本发明的有益效果：
本发明的有益效果是，经过基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置的处理，柴油机排入大气中的微粒粒径分布得到有效的改善。试验结果表明，经过柴油机排气微粒分布改善装置后，排气中小于1μm的微粒的数量减少了50％～70％：同时由于气态碳氢的凝结，排气中气态碳氢的浓度下降30％～50％。经过处理后的柴油机微粒在大气中更容易实现自主沉降；同时，微粒分布的改善为提高柴油机微粒的净化捕集效率以及降低微粒捕集过程中的排气阻力提供了前提保障。四、附图说明
下面结合实施例的附图对本发明做进一步的说明。
图1为基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置实施例的结构示意图。
图2为图1的I-I剖视图。
图3为图1的II-II剖视图。
图4为图1的III-III剖视图。
图中：1.排气入口管，2.排气前分流板，3.前均流板，4.排气分流管，5.外均流板，6.内均流板，7.排气后分流板，8.出水管，9.排气出口管，10.后冷却水扩张腔，11.后排气扩张腔，12.后均流板，13.装置壳体，14.芯体，15.前排气扩张腔，16.前冷却水扩张腔，17.进水管，18.冷却水通道。五、具体实施方式
基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置(图1)，在装置壳体13中，排气入口管1、前排气扩张腔15、芯体14、后排气扩张腔11以及排气出口管9顺序连接；排气入口管1、前排气扩张腔15、芯体14、后排气扩张腔11以及排气出口管9的外部是前冷却水扩张腔16、芯体14内的冷却水通道18以及后冷却水扩张腔10。该装置的芯体14由排气分流管4束、排气前分流板2、前均流板3、外均流板5、内均流板6、后均流板12以及排气后分流板7组成；排气分流管4束穿过前均流板3、外均流板5、内均流板6及后均流板12，排气分流管4束的两端分别固定在排气前分流板2和排气后分流板7上；芯体14由前均流板3、外均流板5以及后均流板12支撑在装置壳体13内。
附图1表示出基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置的结构。根据本项发明所依据的科学原理，基于温度效应的柴油机排气微粒分布改善装置的设计原则为：(a)尽量大的总气流流通截面积，以降低气流在排气分流管4内的流速，增加排气在排气分流管4内的驻留时间；(b)尽量大的排气与排气分流管4壁面的接触面积，以使排气充分冷却，并使排气微粒在热泳力的作用下有充分的沉降和脱落表面积；(c)尽量小的排气阻力。
根据上述设计原则，芯体14中的排气分流管4采用薄壁小孔金属方形管组成排气分流管束，排气分流管4束在装置壳体13内紧密横向平行排列；每个排气分流管4流通截面边长适当，使其既满足具有较大的排气分流管束总壁面面积的要求，又不至于排气微粒将排气分流管4的小孔堵塞。
排气分流管4由排气前分流板2、排气后分流板7、前均流板3、后均流板12、外均流板5、以及内均流板6固定在一起组成芯体14。芯体14由前均流板3、外均流板5以及后均流板12支撑在装置壳体13内。
排气前分流板2的前端接有前排气扩张腔15，排气后分流板7的后端接有后排气扩张腔11，以保证排气能够均匀地进出各个排气分流管4。排气前分流板2的结构如图2所示。前排气扩张腔15与排气入口管1相接，后排气扩张腔11与排气出口管9相接。
前均流板3、后均流板12、外均流板5、以及内均流板6起冷却水的均流作用，使冷却水均匀流过各个排气分流管4；同时前均流板3、外均流板5以及后均流板12还起支撑排气分流管4的作用。装置壳体13内共装有两组前均流板3、后均流板12、外均流板5、以及内均流板6。外均流板5和内均流板6的结构形式如图3所示。前均流板3与后均流板12的形状相同；后均流板12的结构形式如图4所示。
前冷却水扩张腔16位于装置壳体13的前端，后冷却水扩张腔10位于装置壳体13的后端。前冷却水扩张腔16环绕排气入口管1和前排气扩张腔15布置，后冷却水扩张腔10环绕后排气扩张腔11和排气出口管9布置。前冷却水扩张腔16及后冷却水扩张腔10主要起均流冷却水的作用，同时起支撑排气入口管1及排气出口管9的作用。排气分流管4束与装置壳体13之间的空间构成冷却水通道18。
进水管17连接在前冷却水扩张腔16上，出水管8连接在后冷却水扩张腔10上。冷却水量可以根据需要进行调节。