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摘要
在发动机进气系统中,空气中的颗粒物进入气缸后会降低燃料的燃烧效率及造成发动机的磨损,一般使用纤维过滤材料滤除这些颗粒物。过滤材料的过滤效率和使用寿命是我们最关心的两个参数,一般用容尘量对过滤材料的寿命进行定量表征。目前不同的测试标准规定过滤材料容尘测试用尘主要为ISO-12103 A2灰,其粒径主要分布在0.560μm之间,但是大量研究表明,大气中小于100 nm的纳米颗粒占据了颗粒总数的70%以上。因此,使用目前标准规定的测试用尘并不能真实的评价过滤材料的寿命。碳烟颗粒是空气中的颗粒污染物之一,来源于碳氢化合物的不完全燃烧。大量过滤材料使用案例表明,过滤材料捕集的颗粒物中有大量的碳烟颗粒,并且当环境中碳烟浓度较高时过滤材料会快速失效。因此,研究碳烟颗粒对过滤材料的容尘性能的影响对设计长寿命过滤材料具有重要的意义。关于过滤材料对碳烟颗粒的过滤性能,目前仅有少量的研究集中在过滤效率上,对容尘性能的研究却鲜有报道。为了探究碳烟颗粒对过滤材料容尘性能的影响,本研究自主设计搭建了碳烟、碳烟与A2灰混合尘容尘测试系统。该测试系统可以产生纯碳烟或A2灰颗粒,也可以产生碳烟与A2灰的混合尘,这可以更加真实地模拟过滤材料的使用环境,以更加客观地评价过滤材料的使用寿命。在此基础上,本研究先对碳烟颗粒在不同过滤材料中的穿透性能进行了研究,随后就四种不同结构的常用纳米纤维复合过滤材料对碳烟、A2灰、碳烟与A2灰混合物的容尘性能进行了研究,并对过滤材料容尘过程中的能耗进行了分析。最后,根据实验结果提出了在高浓纳米颗粒环境下的长寿命过滤材料的结构模型,并完成了材料的制备和性能验证。研究结果如下:（1）与标准颗粒相比,碳烟在过滤材料中的穿透行为有一个特点即在相同测试面流速条件下,与具有相同电迁移率直径的NaCl颗粒相比,其由于具有更大的拦截直径而在同种过滤材料中穿透率更低。（2）四种不同结构的过滤材料对碳烟颗粒容尘研究结果表明,过滤材料容尘过程中的压差变化经历了两个明显的阶段:（1）碳烟颗粒逐渐在过滤材料表面的纳米纤维表面及纤维间的孔隙间沉积,此时过滤材料压差缓慢增长;（2）碳烟颗粒将纳米纤维层的孔隙堵塞后在过滤材料表面形成滤饼,过滤材料压差快速上升。当测试面流速相同时,与碳烟加载浓度为7.88.0×106颗/cm3时相比,过滤材料的压差增长速率在碳烟浓度为4.85.1×106颗/cm3时更大。碳烟加载浓度相同时,面流速越大,过滤材料压差增长速率越大。（3）当碳烟浓度为6.5×106颗/cm3,面流速为6.7 cm/s时,四种过滤材料的压差增长速率最小,此条件下PTFE膜复合（4#）过滤材料的容尘量最大,为5.71 g/m2,静电纺纳米纤维复合（1#）过滤材料的最小,为3.48 g/m2。当碳烟浓度为4.5×106颗/cm3,面流速为11.1 cm/s时,1#和4#过滤材料的压差增长速率最大,该条件下两种过滤材料的最终容尘量均为1.82 g/m2。而当碳烟浓度为4.5×106颗/cm3,面流速为6.7 cm/s时,纳米纤维层厚度更大的熔喷纤维复合（2#）过滤材料和湿法成型复合（3#）过滤材料的压差增长速率最大,2#过滤材料的容尘量为0.61 g/m2,3#过滤材料的容尘量为0.98 g/m2。（4）与碳烟颗粒容尘过程中压差变化趋势不同的是,四种过滤材料在对A2灰容尘过程中压差呈线性增长,说明四种过滤材料在容尘过程中对A2灰的过滤机理主要是表面过滤。A2灰浓度为4.5×104颗/cm3,面流速为6.7 cm/s时,四种过滤材料的压差增长速率最小2#过滤材料压差增长速率最小,容尘量为24.05 g/m2,而1#过滤材料容尘量最小,为19.70 g/m2。A2灰浓度为1.6×104颗/cm3,面流速为11.1 cm/s时,四种过滤材料的压差增长速率最大,此时4#容尘量最大,为17.61 g/m2,3#容尘量最小为17.12 g/m2。（5）碳烟与A2灰的混合尘的容尘研究结果表明,四种过滤材料在容尘过程中的压差增长速率大于加载纯A2灰时的速率。混合尘中A2灰含量一定时,碳烟颗粒的浓度越高,过滤材料压差增长更快。不同测试条件下,1#,2#,3#,4#过滤材料对混合尘的最大容尘量分别为19.3 g/m2,21.2 g/m2,19.1 g/m2,18.9 g/m2。（6）结合实验可知,在高浓度纳米颗粒环境下,长寿命过滤材料结构需具有以下特点:1.表面为纳米纤维复合材料,以确保对纳米颗粒有较高的过滤效率,以免纳米颗粒物进入过滤材料内部使其内部孔隙堵塞造成压差快速上升。2.纳米纤维层应具有一定的厚度,且结构开放,保证过滤材料有一定的容尘能力。（7）对根据模型制备的新型纳米纤维复合材料性能研究结果表明,新型复合过滤材料对碳烟、A2灰、混合尘的容尘量均大于性能最好的2#过滤材料。相同测试条件下,新型复合过滤材料容尘量比2#过滤材料容尘量高1倍。在对混合尘的容尘过程中1#、2#、3#、4#过滤材料平均压差最小分别为253.6 Pa、244.9 Pa、283.9 Pa、305.6 Pa。新型复合过滤材料在容尘过程中的最小平均压差为176.6 Pa。结果表明,具有新型复合过滤材料的类似结构的过滤材料有利于降低其使用过程中的能耗。
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