柴油机DPF内碳烟加载与热再生过程的数值模拟研究

摘要

柴油机的排气颗粒物是引起雾霾天气的主要成因之一，随着我国对机动车排放污染物控制越来越严格，柴油机颗粒物捕集器(Diesel particulate filter,DPF)应运而生。DPF是一种柴油机后处理装置，能捕集排气中的颗粒物，其研究难点是再生技术。
　　本文以碳化硅材料的壁流式蜂窝陶瓷过滤体的DPF为研究对象，运用FIRE软件的后处理模块建立了DPF碳烟捕集与热再生的数值模型，并搭建试验台架，对比试验结果与模拟结果，验证DPF数值模型的有效性。运用FIRE软件模拟DPF的碳烟加载过程，研究碳烟加载过程中影响DPF压降特性的因素，结果表明:在一定加载时间内，CPSI（孔目数）越大，过滤体壁厚越薄，DPF压力损失越小，DPF的压降上升越平缓;而排气流量越大，DPF的总压降越大;排气碳烟量越大，DPF压降上升越快，当压降超过一定限值，需要尽快再生以降低发动机排气背压。
　　针对DPF的热再生过程，不同时刻DPF模型的不同截面温度场，发现后端温度相对于前端温度升高，并且过滤体的最高温度出现在过滤体中轴线上;DPF过滤体径向中心部位的碳烟先发生氧化反应，并且在DPF前端与最后端边角区域最容易出现碳烟残留;再生过程中的高温区即是DPF最高温度梯度出现的地方。运用FIRE软件研究不同因素对DPF热再生过程的影响，结果表明:排气温度在873K时比773K时再生时间缩短，但温度超过973K则易使DPF发生热损坏;再生过程中控制DPF入口气体的氧含量在合适范围很有必要，当氧含量超过17％过滤体会因为温度梯度超过安全值而容易发生损坏;碳烟沉积量过大会导致DPF再生时颗粒物燃烧释放的热量多，过滤体温度过高致使过滤体热损坏;DPF加热温度上升速率主要影响再生起始时刻，对整个再生周期长短影响不明显;带有催化剂的CDPF再生时间较短，安全可靠性也优于DPF。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 柴油机颗粒物

1．3 柴油机排放法规

1．4 降低柴油机颗粒排放技术

1．4．1 机内净化技术

1．4．2 机外后处理技术

1．5 柴油机颗粒捕集器(DPF)

1．5．1 DPF净化机理

1．5．2 DPF过滤材料

1．5．3 DPF的再生技术

1．6 DPF数值模拟国内外研究现状

1．7 本文研究的主要内容

第二章 DPF数值模拟简介

2．1 数值模型的建立

2．1．1 过滤体内流动模型

2．1．2 正方形单元结构

2．1．3 壁面流速与壁面压降模型

2．1．4 DPF内碳烟预测模型

2．2 DPF再生化学反应模型

2．2．1 O2-thermal反应模型

2．2．2 O2-NO2-NO2-catalytic反应模型

2．3 FIRE后处理算法流程图

2．4 DPF三维建模

2．4．1 边界条件的设定

2．4．2 计算参数设置

2．4．3 DPF载体粘合区建模

2．5 本章小结

第三章 DPF模型验证与压降特性

3．1 试验系统和装置

3．1．1 试验系统

3．1．2 试验装置

3．2 试验步骤及方案

3．2．1 试验步骤

3．2．2 试验方案

3．3 测试指标

3．2 DPF模型验证

3．2．1 DPF压降模型验证

3．3．2 DPF再生模型验证

3．3 清洁载体碳烟加载过程碳烟分布

3．4 DPF压降特性研究

3．4．1．CPSI(孔目数)对DPF压降影响

3．4．2 初始碳烟密度对DPF压降影响

3．4．3 入口气体流量对DPF压降影响

3．5 本章小结

第四章 DPF再生过程影响因素研究

4．1 模拟边界条件的确定

4．2 模拟结果与分析

4．2．1 再生过程温度场分析

4．2．2 再生过程氧浓度场分析

4．2．3 再生过程残余碳烟密度分析

4．2．4 再生过程温度梯度场分析

4．3 再生过程影响因素分析

4．3．1 加热温度对再生过程的影响

4．3．2 排气氧含量对再生过程的影响

4．3．3 初始碳烟量对再生过程的影响

4．4．4 温升速率对再生过程的影响

4．4．5 入口气流质量流量对再生过程的影响

4．4．6 反应模式对再生过程的影响

4．5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况