喷油助燃式颗粒捕集器数值模拟及试验研究

摘要

柴油机自100多年前发明以来，以动力性能好、燃油消耗率低等优点早已成为现代社会主流的动力机械装置。但是随着人们对环境保护的迫切需要和严格的排放法规要求，柴油机颗粒物排放问题一直困扰着柴油机的持续发展，颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)被公认为是解决这一问题最有效的后处理技术。本文研究的喷油式助燃颗粒捕集器是符合我国国情的DPF产品，用AVL FIRE软件建立DPF三维模型，利用仿真计算方法分析DPF在加载和再生过程中的参数变化，并测试喷油助燃式颗粒捕集器在复杂的城市道路工况下的应用实效性。本文主要的研究工作如下:　　(1)分析了过滤体材料以及多种DPF再生技术的优劣，建立了壁流式蜂窝陶瓷结构载体的内部流动模型、压降模型和再生模型。　　(2)根据喷油助燃式颗粒捕集器的工作特点，利用FIRE软件建立三维模型，分析了碳烟加载过程和再生过程的变化，得出了碳烟在加载过程中会向过滤体后部迁移、再生过程中会从过滤体中心开始不断向径向和轴向燃烧的规律。DPF在加载过程中压降受质量流速、孔隙率、初始碳烟量等因素影响。分析了喷油助燃效果对DPF再生的影响。　　(3)将DPF安装在城市公交车上，分别用自由加速工况和加载减速工况的方法检测安装DPF前后排气烟度的变化。自由加速测试结果显示，DPF捕集效率达95％以上，加载减速工况试验结果显示，DPF对颗粒物捕集效果同样非常显著。在城市复杂工况下，通过测量DPF再生前后的压差变化发现，整个再生过程仅持续600s左右的时间，DPF前后压差由再生前的6kPa左右下降至再生后的1.5～2.0kPa，充分说明喷油助燃式颗粒捕集器的实用性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 颗粒物的组成和生成机理

1．2．1 汽油机的颗粒物组成

1．2．2 柴油机的颗粒物组成

1．2．3 颗粒物的生成机理

1．3 国内外柴油机排放法规介绍

1．3．1 国外车用柴油机排放法规和测试规范

1．3．2 我国车用柴油机排放法规和测试规范

1．4 控制柴油机颗粒物排放技术策略

1．4．1 机内净化颗粒物技术

1．4．2 颗粒物后处理技术

1．5 国内外颗粒捕集器数学模型研究现状

1．5．1 国外研究现状

1．5．2 国内研究现状

1．6 课题来源与本文研究的内容

第二章 颗粒捕集器及理论模型

2．1 DPF过滤材料及结构

2．2 壁流式DPF过滤机理

2．3 颗粒捕集器再生技术

2．3．1 DPF被动再生技术

2．3．2 DPF主动再生技术

2．4 DPF数值模型

2．4．1 模型概述

2．4．2 DPF主要几何参数

2．4．3 DPF过滤体内部流动模型

2．4．4 DPF压降模型

2．4．5 碳烟滤饼层和深床层以及灰分层的加载模型

2．4．6 DPF加氧助燃再生反应模型

2．5 本章小结

第三章 基于AVL FIRE的模型建立及验证分析

3．1 AVL FIRE软件简介

3．2 三维模型建立

3．3 边界及求解条件设置

3．4 发动机试验台架

3．5 喷油助燃式DPF产品介绍

3．6 模型试验验证

3．7 DPF压降特性分析

3．7．1 DPF压降组成

3．7．2 碳烟初始量对压降的影响

3．7．3 孔隙率对压降的影响

3．7．4 入口流速对压降的影响

3．8 DPF加载过程分析

3．8．1 DPF内部速度流动场分析

3．8．2 DPF碳烟累积分布分析

3．8．3 加载DPF过程中温度场分析

3．9 DPF再生过程分析

3．9．1 再生过程温度变化分析

3．9．2 再生过程中碳烟变化分析

3．9．3 喷油助燃效果对碳烟再生的影响

3．10 本章小结

第四章 城市道路工况下DPF性能试验研究

4．1 喷油助燃式DPF性能检测

4．1．1 自由加速试验

4．1．2 加载减速试验

4．2 DPF标定和数据记录

4．3 城市道路工况下DPF性能分析

4．3．1 城市道路工况数据分析

4．3．2 DPF再生数据分析

4．3．3 DPF再生效果分析

4．4 DPF实际应用中存在的问题和探讨解决问题的方法

4．5 本章小结

第五章 全文总结及工作展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况