柴油机微粒捕集器再生特性仿真研究

论文摘要

DPF的安全、彻底再生是柴油机性能和排放的重要保障。DPF是柴油机尾气颗粒满足欧IV/V排放法规的关键后处理技术,并已逐渐成为车辆的必备部件。然而,随着碳烟颗粒不断地在DPF载体上沉积,会造成排气阻力增加,导致发动机动力性、经济性恶化,因此,对DPF进行再生,清除内部捕集的碳烟是十分必要的。但是,DPF再生过程属于碳烟氧化放热反应,产生的热量极易导致DPF温度超限烧融载体,过大的温度梯度产生的热应力会使载体碎裂,因此,研究DPF再生期间温度场的变化规律,揭示载体入口温度、氧气浓度、DPF碳烟加载量等因素对再生的影响机理,可为DPF的再生过程控制提供坚实的理论基础和指导依据,对DPF的再生优化具有十分重要的意义和工程价值。本文结合国家“863”课题“轿车柴油机开发技术”,建立了相应的DPF再生的物理化学模型,主要根据其内部温度场和碳烟沉积量分布和变化规律,将其再生过程划分为三个阶段:可控再生预热阶段;非可控加速再生阶段;可控均匀再生阶段。分析了各阶段的碳烟燃烧过程及温度分布状况。研究了再生初始碳烟加载量、柴油机排气中的氧含量、DPF入口处的质量流率、辅助加热再生的辅助热源峰值温度、辅助加热的温升速度,辅助加热热源峰值温度的持续时间等多种因素对再生的影响。研究结果表明:(1)DPF再生期间,载体的温度从前端到后端逐渐升高。在排气质量流量为0.021027kg/s,排气温度为583K,O2质量百分数为7%的工况下,通过辅助加热在850K下再生,最高温度出现在非可控再生阶段的载体尾端中心区域,为1287.03K。(2)在可控均匀再生阶段,未反应的碳烟主要集中在过滤载体靠近入口端区域和出口端轴向靠外侧区域。(3)在相同的发动机再生工况下,分别在再生初始碳烟密度为10g/L、7g/L、5g/L、3g/L及排气氧浓度为7%和17%的状况下进行再生,由计算结果可知:较高的初始碳烟量和排气氧浓度会带来DPF载体再生温度峰值的提升。(4)较高的辅助加热再生的温度峰值会加快载体再生的进程,但过低的辅助加热再生的温度峰值会使载体无法完全再生;提升辅助加热再生的温升速度,会使碳烟及早达到起燃温度,再生期间载体温度峰值出现的时间提前;较短的再生的辅助加热持续时间与连续对DPF加热进行再生相比,会延缓可控均匀再生阶段的碳烟氧化进程。

论文目录

• 内容提要
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 柴油机微粒排放处理技术发展的新形势
• 1.3 柴油机微粒捕集器介绍
• 1.3.1 柴油机微粒捕集器的载体材料
• 1.3.2 壁流式微粒捕集器的工作原理
• 1.3.3 柴油机微粒捕集器的再生
• 1.3.4 柴油机微粒捕集器再生的难点问题
• 1.4 柴油机微粒捕集器再生仿真模型的发展现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 DPF 再生模型的仿真原理及建模
• 2.1 基本守恒方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 组分守恒方程
• 2.2 仿真计算模型的选择及参数设置
• 2.2.1 对称或非对称的正方形单元结构模型
• 2.2.2 氧气加热再生模型
• 2.2.3 碳烟和灰分层的几何形态模型
• 2.3 CFD 的数值计算方法
• 2.3.1 SIMPLE 算法
• 2.4 计算边界条件
• 2.4.1 入口条件
• 2.4.2 出口条件
• 2.4.3 壁面条件
• 2.5 几何模型的确立
• 2.6 计算模型的确立
• 2.7 本章小结
• 第3章 再生过程的分阶段仿真研究
• 3.1 模拟及试验结果对比
• 3.2 DPF 再生阶段的划分
• 3.2.1 可控再生预热阶段的研究
• 3.2.2 非可控加速再生阶段的研究
• 3.2.3 可控的均匀再生阶段的研究
• 3.3 本章小结
• 第4章 再生过程影响因素的研究分析
• 4.1 不同的再生初始碳烟加载密度对DPF 再生状况的影响
• 4.2 不同排气含氧量对DPF 再生状况的影响
• 4.3 不同的DPF 入口质量流率对DPF 再生状况的影响
• 4.4 不同辅助加热再生温度峰值对DPF 再生状况的影响
• 4.5 不同的辅助加热的温升速度对DPF 再生状况的影响
• 4.6 不同辅助加热再生持续时间对DPF 再生状况的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 全文总结及工作展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 5.3 本文创新点
• 参考文献
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT