船舶柴油机颗粒捕集器仿真研究与设计

摘要

随着船运行业的迅猛发展，船舶柴油机已经成为港口城市大气污染的主要来源，其尾气污染物随着大气流动而影响到全球的环境。作为船舶柴油机的主要污染物，颗粒物的净化问题越来越受到重视。安装颗粒捕集器(DPF)是目前减少尾气颗粒物最有效的措施，也是近些年来研究的重点。本文以船舶柴油机DPF为研究对象，利用模拟仿真的方法，对DPF的捕集、再生过程进行了仿真研究，并完成了DPF的设计工作。
　　首先，建立DPF仿真模型，在试验数据对模型验证的基础上，对DPF捕集过程进行仿真分析。研究了捕集过程中的压降特性、碳烟捕集规律、捕集效率和流速特性;以捕集效率和压降为指标，分析了DPF的结构参数和柴油机排气参数对其性能的影响;研究了DPF内部气流的影响因素。结果表明:DPF总压降由七部分组成;DPF内部通过两种方式捕集碳烟:碳烟累积量在0.7g/L前是深层捕集，之后变为表面捕集。
　　其次，建立DPF再生反应模型，分析再生过程中DPF的温度变化、碳烟量变化和压降变化，并研究了排气温度、排气氧浓度和DPF碳烟初始量对再生的影响。仿真结果表明:排气温度越高、排气中氧浓度越大，再生反应速度越快，短时间放出热量越多;而碳烟初始量的增加没有改变DPF过滤体温度分布趋势，但会影响过滤体平均温度的最大值。
　　最后，基于本文研究，结合DPF相关设计方法，针对某型140kW船舶柴油机，设计了一套完整的捕集装置，并采用了国内成熟的喷油助燃再生系统进行DPF再生;根据本文设计的DPF相关参数，结合船舶柴油机的实际运行要求，通过仿真的手段，得到了控制再生系统的精确参数。
　　本文的研究成果可以为船舶柴油机DPF的设计、选型和实际应用提供理论基础和工程应用的参考，并为下一步DPF的试验研究打下基础。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2颗粒物组成、危害及生成机理

1．2．1颗粒物的组成

1．2．2颗粒物的危害

1．2．3颗粒物的生成机理

1．3船舶柴油机颗粒物排放法规

1．3．1欧盟

1．3．2美国

1．3．3中国

1．3．4国际海事组织

1．4颗粒物控制技术

1．4．1过滤除颗粒法

1．4．2湿式除颗粒法

1．5国内外DPF研究现状

1．5．1国外DPF研究现状

1．5．2国内DPF研究现状

1．6本文研究内容

第2章DPF作用机理及再生技术

2．1 DPF整体结构

2．2 DPF过滤体材料

2．2．1陶瓷基过滤材料

2．2．2金属基过滤材料

2．3 DPF过滤机理

2．3．1扩散机理

2．3．2拦截机理

2．3．3惯性碰撞机理

2．3．4综合过滤机理

2．4 DPF再生技术

2．4．1主动再生系统

2．4．2被动再生系统

2．5本章小结

第3章DPF仿真模型建立与验证

3．1模型假设

3．2数值模型

3．2．1 DPF主要几何参数

3．2．2 DPF内部流场模型

3．2．3 DPF压降模型

3．2．4碳烟加载模型

3．2．5 DPF再生反应模型

3．3数值求解方法

3．4．1仿真模型的描述

3．4．2边界条件与求解条件设定

3．5仿真模型验证

3．6本章小结

第4章DPF捕集过程仿真研究

4．1 DPF捕集过程分析

4．1．1 DPF压降特性分析

4．1．2捕集碳烟分析

4．1．3捕集效率分析

4．1．4 DPF整体流速分析

4．2捕集效率和压降特性影响因素仿真分析

4．2．1 DPF直径对捕集效率和压降的影响

4．2．2 DPF长度对捕集效率和压降的影响

4．2．3 DPF长径比对捕集效率和压降的影响

4．2．4 DPF壁厚对捕集效率和压降的影响

4．2．5 DPF目数对捕集效率和压降的影响

4．2．6 DPF碳烟初始量对捕集效率和压降的影响

4．2．7柴油机排气参数对DPF压降的影响

4．3 DPF内部气流影响因素研究

4．3．1 DPF直径对气流的影响

4．3．2 DPF长径比对气流的影响

4．3．3排气流量对气流的影响

4．4本章小结

第5章DPF再生过程仿真研究

5．1 DPF再生过程分析

5．1．1温度变化分析

5．1．2碳烟量变化分析

5．1．3压降变化分析

5．2排气温度对再生过程的影响

5．2．1排气温度对温度变化的影响

5．2．2排气温度对碳烟量变化的影响

5．2．3排气温度对压降变化的影响

5．3氧浓度对再生过程的影响

5．3．1氧浓度对温度变化的影响

5．3．2氧浓度对碳烟量变化的影响

5．3．3氧浓度对压降变化的影响

5．4碳烟初始量对再生过程的影响

5．4．1碳烟初始量对温度变化的影响

5．4．2碳烟初始量对碳烟量变化的影响

5．4．3碳烟初始量对压降变化的影响

5．5本章小结

第6章某型140kW船舶柴油机DPF系统设计

6．1 DPF系统设计目标

6．2 DPF系统设计步骤

6．2．1过滤体设计

6．2．2其他部分设计

6．3 DPF再生系统设计及再生策略提出

6．3．1再生系统设计

6．3．2再生策略提出

6．4 DPF系统设计验证

6．5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢