柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积特性研究

摘要

雾霾是备受关注的环境问题之一，根据研究可知，汽车的尾气排放是造成雾霾的主要原因之一，因此，有效控制汽车污染物的排放，特别是柴油机的微粒排放，是治理雾霾以及改善大气环境的必要措施。微粒捕集器是控制柴油机微粒排放的重要装置，其主要性能指标有捕集效率、流动阻力、再生效率和使用寿命，其中，使用寿命决定了微粒捕集器在车载使用过程中的使用成本。影响微粒捕集器使用寿命的因素众多，其中，微粒经过再生燃烧后的不可燃灰烬是影响微粒捕集器使用寿命的主要因素之一。灰烬在微粒捕集器过滤体内沉积会导致过滤体的流动阻力增大，影响柴油机和微粒捕集器的使用性能，当沉积量较大时甚至会堵塞过滤体的进气孔道，导致微粒捕集器无法正常工作，严重影响微粒捕集器的使用寿命。因此，研究灰烬沉积对微粒捕集器的影响，并分析增加微粒捕集器灰烬容纳量的方法，对提高微粒捕集器的使用寿命具有重要意义。
　　本文对微粒捕集器灰烬沉积状态下的流动阻力特性和捕集特性进行了分析，并对流动阻力特性和捕集特性进行了综合分析，提出了增加过滤体灰烬容纳量的车载使用优化方案。同时，根据非对称孔结构过滤体的特点，提出了5种不同的非对称孔结构过滤体设计方案，并对比分析了5种设计方案的流动阻力和灰烬容纳量。论文的主要研究内容如下：
　　（1）基于单孔道模型，建立了壁流式微粒捕集器灰烬沉积下的流动阻力计算模型，并通过台架试验验证了模型的有效性，综合考虑了灰烬深床沉积阶段和灰烬滤饼沉积阶段灰烬沉积分布的影响，研究了各项流动阻力对总流动阻力的影响程度，分析了灰烬沉积分布、灰烬沉积量以及灰烬和微粒同时沉积时对流动阻力的影响。最后，利用灰色关联分析对各计算参数对总流动阻力的影响程度进行了对比分析。
　　（2）结合单孔道模型和球状单元填充床模型，建立了壁流式微粒捕集器灰烬沉积状态下的捕集效率计算模型，综合考虑了灰烬沉积和微粒沉积的影响，分析了排气流量、排气温度、灰烬沉积量、微粒沉积量以及灰烬沉积分布对壁流式微粒捕集器捕集效率的影响规律。
　　（3）在不改变微粒捕集器结构的前提下，提出了增加微粒捕集器过滤体灰烬容纳量的车载使用优化方案。通过分析灰烬沉积对微粒捕集器流动阻力和捕集效率的影响可得，灰烬以灰烬堵塞段的形式沉积能够缓解其对过滤体的影响，有利于平衡流动阻力和捕集效率之间的关系；由灰烬沉积规律可知，采用主动再生技术的微粒捕集器，其过滤体内灰烬的沉积分布形式主要为灰烬堵塞段。所以，在车载使用时，微粒捕集器选用主动再生技术，能够增加微粒捕集器过滤体的灰烬容纳量。
　　（4）提出了5种不同的非对称孔结构过滤体设计方案，并建立了壁流式非对称孔结构过滤体的流动阻力计算模型。利用该模型对比分析了非对称孔结构比值（I/E值）相同时，5种不同设计方案的流动阻力和灰烬容纳量；探讨了不同非对称孔结构比值（I/E值）以及不同灰烬沉积分布对非对称孔结构过滤体灰烬容纳量的影响。
　　本文分析了微粒捕集器过滤体在灰烬沉积状态下的流动阻力特性和捕集特性，研究了微粒捕集器车载使用方式和非对称孔结构设计方案对过滤体灰烬容纳量的影响。本文的研究工作不仅能够为预测微粒捕集器流动阻力特性和捕集特性提供理论基础，还能够为微粒捕集器的车载使用方式选择和结构参数优化设计提供参考，对促进微粒捕集器的推广使用具有现实意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 柴油机微粒理化特性及排放法规

1.3 柴油机微粒排放控制技术

1.4 微粒捕集器概述

1.5 微粒捕集器的研究现状

1.6 微粒捕集器灰烬沉积研究现状

1.7 课题研究来源和主要研究内容

第2章 微粒捕集器灰烬特性研究

2.1 引言

2.2 灰烬成分的来源

2.3 灰烬的理化特性

2.4 灰烬的沉积规律

2.5 微粒捕集器中加速灰烬沉积的试验方法

2.6 本章小结

第3章 灰烬沉积对微粒捕集器流动阻力特性的影响

3.1 引言

3.2 物理模型及假设

3.3 壁流式过滤体灰烬沉积阶段流动阻力方程

3.4 模型验证

3.5 计算结果及讨论

3.6流动阻力各计算参数的灰色关联分析

3.7 本章小结

第4章 灰烬沉积对微粒捕集器捕集特性的影响

4.1 引言

4.2 壁流式微粒捕集器多孔介质捕集机理

4.3 壁流式微粒捕集器捕集模型

4.4 模型验证

4.5 计算结果及讨论

4.6 本章小结

第5章 非对称孔结构对微粒捕集器灰烬容纳量的影响

5.1 引言

5.2 非对称孔结构

5.3 非对称孔结构过滤体灰烬沉积阶段流动阻力模型

5.4 模型验证

5.5 计算结果及讨论

5.6 本章小结

全文总结与展望

1. 全文总结

2.研究展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间所参与的课题研究

致谢