柴油机颗粒物捕集器及其再生系统研究

摘要

颗粒物(PM)是柴油机最主要的排放污染物之一，对人类身体健康危害极大。随着排放法规日趋严格，柴油机必须搭载后处理系统才能满足排放要求。柴油机颗粒物捕集器(DPF)是降低颗粒物排放最有效的技术。DPF对颗粒物捕集效率能达到90％以上，但随着碳颗粒逐渐累积在DPF内，发动机背压逐渐升高，导致发动机效率下降，燃油经济性恶化，因此必须周期性或连续地清除碳颗粒，这称为再生过程。文中对柴油机催化氧化器(DOC)和颗粒物捕集器耦合系统，采用台架试验和数值仿真结合的方法进行了研究。
　　通过台架试验研究了DPF的压降特性，并建立了基于填充床理论和达西定律的DPF捕集及压降数学模型。DPF压降和排气温度呈线性关系，和排气流量呈二次方关系;在DPF深床捕集阶段，压降迅速上升，在饼层捕集阶段，压降缓慢上升。采用AVL-BOOST软件建立了DPF一维仿真模型，并利用试验数据对模型参数进行标定，模型仿真结果平均误差小于5％。并利用准确的模型对DPF各组分压降进行仿真研究，得到深床碳烟层对总压降的影响要大于饼层，以不到五分之一的碳载量贡献了超过40％的压降。
　　通过台架试验研究了DOC温升特性，采用排气管柴油喷射的方式，分别研究了不同喷油策略、DOC入口温度及排气流量对温升特性的影响。得出DOC入口温度越高，排气流量越小，喷油量越大，DOC温升效果就越好，但是过高的喷油量容易导致DPF热损坏以及造成HC泄漏。接着在MATLAB/Simulink软件上建立DOC一维离散数学模型，基于试验数据，采用最小二乘法辨识模型参数，并设计基于扩展卡尔曼滤波的状态估计器对DOC内部不可测状态进行估计，其中，DOC出口温度估计值与测量值误差小于5％。
　　在常规基于压降判断碳载量方法的基础上提出了DPF等效电路模型，该模型利用DPF体积流量和压差测量值准确计算出由于累碳造成的流阻值，建立了流阻-温度-碳载量MAP图，精确估计碳载量。在排气流量较大的工况下，模型压降仿真值能较好跟踪测量值，相对误差小于10％，绝对误差小于0.1kPa。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 柴油机后处理技术概述

1．2．1 柴油机机内净化技术局限性

1．2．2 柴油机后处理技术

1．3 柴油机颗粒物捕集器技术概述

1．3．1 颗粒物捕集器

1．3．2 催化氧化器

1．3．3 DPF再生技术

1．4 本文主要研究内容

第2章 DPF压降特性试验及仿真研究

2．1 DPF试验台架搭建

2．1．1 台架试验对象

2．1．2 试验仪器及设备

2．2 DPF压降特性试验研究

2．3 DPF捕集过程模型研究

2．3．1 DPF捕集机理

2．3．2 DPF捕集模型

2．3．3 DPF压降模型

2．4 DPF压降特性仿真研究

2．4．1 BOOST软件介绍

2．4．2 DPF模型参数标定及验证

2．4．3 DPF压降一维数值仿真分析

2．5 本章小结

第3章 DOC系统试验及仿真研究

3．1 DOC转化率试验研究

3．1．1 HC转化率及起燃温度研究

3．1．2 CO及NO转化率研究

3．1．3 NO反应机理

3．2 DOC温升特性研究

3．2．1 柴油喷射策略设置

3．2．2 喷射策略对DOC出口温度影响

3．2．3 入口温度及空速对DOC出口温度影响

3．2．4 DOC及DPF内部温度场分析

3．3 DOC模型仿真研究

3．3．1 DOC物理化学过程分析

3．3．2 DOC精确模型

3．3．3 DOC简化模型

3．3．4 系统参数辨识

3．3．5 基于扩展卡尔曼滤波DOC状态估计

3．4 本章小结

第4章 DPF再生控制策略研究

4．1 再生时机判断

4．1．1 再生时机判断方法

4．1．2 DPF等效电路模型

4．2 再生过程控制研究

4．3 本章小结

全文总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文