（动力机械及工程专业论文）柴油机催化型dpf碳烟捕集再生的数值模拟与试验研究.pdf

摘要 柴油机的排气微粒对人体健康危害很大，颗粒捕集器( d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ， d p f ) 技术做为一种能够有效去除碳烟颗粒的技术手段已经在国外市场得到了广 泛应用。为了满足日益严格的排放法规，我国的柴油机排放后处理技术也在不断 地发展成熟。本文通过数值模拟结合发动机试验验证，建立了d p f 的数值模型。 通过模拟d p f 内部碳烟量与温度的变化历程，描述d p f 的实际工作过程，为柴 油机d p f 的国产化设计提供理论依据，研究结果表明： 1 提高发动机转速，会增大d p f 的入口气体流量，d p f 前后压降增加。发 动机试验所测压降试验值与模拟计算值能够较好地吻合。当排气流量为o 0 4 k g s ， 孔密度数为1 0 0 ，初始碳烟量为6g l 时，d p f 压降在捕集前期快速增加，之后 缓慢增加。当排气流量为o 0 2 k g s ，孔密度数为4 0 0 ，初始碳烟量为0g l 时，d p f 压降在整个捕集过程中上升缓慢。 2 d p f 内部气流速度沿径向从中心到边缘逐渐降低；沿轴向从前端到后端逐 渐降低。碳烟分布沿径向从中心到边缘逐渐降低；沿轴向分布前后两端高中间部 位低。内部温度在再生结束时后端中心处最高。稳态工况下，d p f 入口温度大于 7 3 8 k 时，碳烟会快速再生。瞬态工况下，当温升曲线斜率为k = 2 时，碳烟能迅 速进行再生反应，但载体温度上升过快；当温升曲线斜率为k l _ 0 6 7 时，碳烟再 生反应也能较快进行，且载体温度上升较为平缓。 3 当d p f 进行二次再生时，滤饼层碳烟量在再生反应初期快速下降，而深 层碳烟量则在再生反应进行过程中较为缓慢地下降；再生反应结束后，碳烟量主 要从滤饼层开始积累，深层碳烟量在此过程中不再发生变化。 4 排气氧浓度为1 5 时，d p f 内部碳烟再生较为迅速，载体温度较氧浓度 为5 和1 0 的情况高；催化型d p f 碳烟再生速率明显加快，催化器最高温度上 升不明显；0 2 热再生、燃油添加剂和c a t a l y t i cd p f ( c d p f ) 三种再生方式比较说 明，相同进气条件下，c d p f 再生时的前后压降最低，碳烟再生速率最快。 关键词： 柴油机颗粒捕集器碳烟颗粒再生数值模拟 a b s t r a ct n a n o p a r t i c l e si nd i e s e le x h a u s tc a nd og r e a th a r mt oh u m a n sr e s p i r a t o r ys y s t e m a sa l le f f e c t i v ew a yo fr e d u c i n gt h ed i e s e lp a r t i c l e s ，d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p f ) h a sa l r e a d yb e e nd e v e l o p e da n dm a n u f a c t u r e di nn o r t ha m e r i c a nm a r k e t i no r d e rt o m e e tt h ee m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，d i e s e la f l e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y i no u rc o u n t r y t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ed p fs o o tl o a d i n ga n dr e g e n e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c st h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n t h e r e s e a r c hd e s c r i b e dt h ew o r k i n gp r o c e s so fd p f ，w h i c hc o u l dp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d e f o rt h eo p t i m a ld e s i g na n dc o n t r o lo fd p f t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e t h ep r e s s u r ed r o po fd p fi n c r e a s e dw i t ht h ee n g i n es p e e da n de x h a u s tf l o wr a t e e n g i n eb e n c ht e s ts h o w e dt h em e a s u r e dp r e s s u r ed r o po fd p f c o u l df i tt h ec a l c u l a t e d o n ev e r yw e l l v g h e nt h ef l o wr a t ee q u a l e d0 0 4 k g s ，c p s lw a s10 0a n dt h ei n i t i a l s p e c i f i cp a r t i c l em a s sw a s6 9 1 ，t h ep r e s s u r ed r o pi n c r e a s e dr a p i d l ya tt h e i n i t i a ls t a g e o fs o o tl o a d i n ga n dk e p tc o n s t a n ti nt h el a t e r w h e nt h ef l o wr a t ee q u a l e d0 0 2 k g s ， c p s lw a s4 0 0a n dt h ei n i t i a ls p e c i f i cp a r t i c l em a s sw a s0 9 1 ，t h ep r e s s u r ed r o p i n c r e a s e ds l o w l yi nt h ew h o l es t a g eo fs o o tl o a d i n g t h ei n n e rf l o ws p e e ds h o w e dh i g h e ri nt h ec e n t e rp a r ta n dl o w e ri nt h ep e r i p h e r a l p a r to fd p f ；t h ef l o ws p e e dd e c r e a s e di nt h ed i r e c t i o no fi n l e tc h a n n e l t h es o o t d i s t r i b u t e dm o r ei nt h ef r o n t a la n dr e a rp a r to fd p fa n dl e s si nt h em i d d l ep a r t t h e s u b s t r a t et e m p e r a t u r es h o w e dh i g h e ri nt h eb a c kc e n t e ro fd p f w h e nt h er e g e n e r a t i o n e n d e d t h es o o tr e g e n e r a t i o ns p e e d e du pw h e nt h ei n l e tf l o wt e m p e r a t u r ew a s7 38 k o rm o r eu n d e rs t e a d yo p e r a t i o ns t a t e w h e nt h es l o p eo ft e m p e r a t u r ec u r v ek le q u a l e d 2 ，t h es o o tr e g e n e r a t i o nh a p p e n e di nd p fq u i c k l y ，h o w e v e r ，t h et e m p e r a t u r eo f s u b s t r a t ea l s oc l i m b e dr a p i d l y w h e nt h es l o p eo fi n l e tt e m p e r a t u r ec u r v ek le q u a l e d o 6 7 t h es o o tp a r t i c l e sw e r ea l s ob u r n e dq u i c k l yw i t hs l o w e rt e m p e r a t u r ec l i m b i n g s p e c i f i cc a k ep a r t i c l e sb u r n e dr a p i d l ya t t h ei n i t i a ls t a g eo fr e g e n e r a t i o n ，w h i l e s p e c i f i cd e p t hp a r t i c l e sb u r n e ds l o w l yd u r i n gt h ew h o l es t a g eo fr e g e n e r a t i o n a f t e r t h ef i r s tr e g e n e r a t i o n ，s o o tl o a db e g a nf r o mt h ec a k ef i l t r a t i o na n dt h ed e p t hp a r t i c l e m a s sk e p tc o n s t a n t w h e nt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni nd i e s e le x h a u s te q u a l e d15 ，s o o tp a r t i c l e sw e r e b u r n e dq u i c k l yi nd p f ，a n dt h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ew a sa l s oh i g h e rt h a nt h eo n e w i t h5 a n d10 o x y g e nc o n c e n t r a t i o n d p fc o a t e dw i t hc a t a l y s t sc o u l db u ms o o t m o r er a p i d l yt h a nt h eo n ew i t h o u tc a t a l y s t sw h i l et h es u b s t r a t et e m p e r a t u r es h o w e d s m o o t h l yi n c r e a s e c a t a l y t i cd p fs h o w e dl o w e rp r e s s u r ed r o pl e g e n da n dq u i c k e r s o o tb u m - o f fs p e e dc o m p a r e dw i t ht h e0 2t h e r m a lr e g e n e r a t i o na n df u e la d d i t i v e r e g e n e r a t i o n k e yw o r d s ：d i e s e l e n g i n e ，d p f , s o o tp a r t i c u l a t e ，r e g e n e r a t i o n ，s i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 内燃机作为一种高效的动力机械，经历了1 0 0 多年的不断发展，已广泛应用 于汽车、工程机械、船舶、发电等领域，全世界保有量已超过十几亿台。国际内 燃机界普遍认为，做为热效率最高、单位体积和单位重量功率最大的原动机，内 燃机仍将是汽车等动力装置的主要原动机，石油仍将是内燃机的主要燃料。内燃 机的广泛应用一方面对社会经济和工业技术起到了巨大的推动作用，但与此同 时，也对世界的能源和环境保护提出了挑战。 面对2 1 世纪，全球各国都提出了针对自己国情的节能减排任务。内燃机做 为汽车、机车、轮船、农用机械、工程机械及军用车辆等移动装置的动力源，是 我国石油的主要消费需求。内燃机的石油消费量占我国石油总消费量的6 6 以 上，但我国目前内燃机的能源利用率很低。据统计，我国内燃机燃油消耗率平均 为每千瓦小时0 2 2 0 3 5 k g ( k w h ) 。但其能源利用率与国外先进机型相比要低 2 0 左右。同时随着我国经济快速增长，内燃机工业也发展迅速。以汽车工业为 例，至2 0 1 1 年1 1 月我国汽车保有量就达到了1 0 4 亿辆，同比增长了1 4 9 8 。 预计到2 0 2 0 年，我国的汽车保有量将达到1 4 5 亿辆。如此快速增长的内燃机工 业与我国所面临的节能减排任务一起对内燃机的技术创新提出了挑战。因此，改 进内燃机的现有技术，实现内燃机高效工作、超低排放，对于实现我国在2 0 4 5 年的c 0 2 节能目标具有非常重要的意义。 与此同时，内燃机也是大气污染的主要污染源之一，内燃机的不断发展，也 给人们带来了日益严重的环境问题。内燃机排气中有害成分主要包括h c 、c o 、 n o x 和微粒( p m ) 等。根据有关统计资料显示 2 】，2 0 0 9 年，全国机动车排放污 染物5 1 4 3 3 万吨，其中c o 为4 0 1 8 8 万吨，h c 化合物4 8 2 2 万吨，n o x 5 8 3 3 万吨，颗粒物p m 5 9 0 万吨。汽车成为机动车污染物总量的主要贡献者，其排放 的c o 和h c 超过7 0 ，n o x 和颗粒物p m 超过9 0 。我国在汽车排气污染方面 面临着严峻的形势，目前机动车排放的污染物对中国城市的多项大气污染指标的 “贡献率”己达到6 0 以上，机动车尾气已经成为大气污染的首要污染源【3 j 。汽 车内燃机所带来的环境污染是我国社会和经济可持续发展中必须解决的重大问 颢。 第一章绪论 因此，内燃机在新的世纪里面临着新的多重挑战，如何实现内燃机的高效率 低排放工作，成为众多内燃机工作者及工程师的共同任务。为了实现我国的节能 减排目标，缓解环境污染压力，保证国家经济的可持续性发展，针对内燃机的排 放污染物控制的研究意义重大。 1 2 柴油机应用现状及排放法规 1 2 1 柴油机的应用现状 柴油发动机有着较高的燃油经济性、较好的动力性和良好的耐久性，成为了 大中型商用车的首选动力，同时，随着柴油机小型化轻型化的技术日渐成熟，轻 型柴油车所占的市场比例也越来越大。欧洲是世界上汽车柴油化比例最高的地 区，据统计，欧盟主要国家柴油轿车的销售量已超过轿车总销量的4 4 ，在西班 牙、意大利、奥地利等国家更是高达5 0 以上。德国生产的1 4 - 2 0 l 排量的轿 车当中，柴油轿车所占比例为6 1 ，法国更是高达8 8 。2 0 0 6 年，欧洲每2 辆 新车中就有1 辆是柴油车。在美国，2 0 0 6 年柴油轻型车在新车销售中的比例为 3 ，预计到2 0 1 4 年将达至1 0 。在日本，也有近1 0 的在用轿车是柴油轿车， 而且近年来柴油轿车在新车的比例已经超过了4 0 ，并且还将进一步增长【4 j 。图 1 1 为1 9 9 8 2 0 0 9 年间德国新注册汽车中汽油车和柴油车所占l t , n 变化趋势。 _ s h a r eo fs ie n g i n e sa n dd i e s e le n g i n e sf r o m19 9 8t o2 0 0 9 口g a s o l i n e _ d i e s e l i_ _ 第一章绪论 势来看，我国汽车发动机中柴油机的市场份额一直在不断扩大，2 0 0 6 年我国汽 车用柴油机消费量已达到1 5 3 万台，较2 0 0 5 年增长2 0 ，2 0 0 7 年消费量2 0 1 万 台，同比增长3 1 4 ，2 0 1 0 年消费量达到了3 0 0 万台，柴油机始终保持着强劲的 发展势头和巨大的市场发展空问6 1 。 1 2 2 国内外柴油机排放法规及其技术路线 世界各国为了应对柴油机的排放污染特点，都在通过严格的立法，来限制柴 油机的有害污染排放。汽车生产商为了满足各国法规的要求，也在不断地发展柴 油机的新技术，高压共轨、e g r 和涡轮增压等技术也都被应用到了先进的柴油 机上。同时，新型燃烧理念( h c c i ，l t c ) 、小型化、轻型化、混合动力等先进 的发动机设计概念也成为了众多内燃机工作者研究的重点。 美国是世界上对汽车排放控制最早、最严格的国家。1 9 5 9 年美国加州就颁布 法律，控制汽车污染物的排放。美国加州空气资源暑从2 0 0 4 年起采用l e vi i ( l o we m i s s i o nv e h i c l ei i ) 排放标准，在该标准中，对p m 和n o x 排放做出了 更加严格的要求。日本也最早于2 0 世纪6 0 年代开始实施汽车排放控制法律。欧 洲相比于美国日本的排放法规实施较晚，1 9 7 0 年欧洲共同体制定了限制卡车排 放的标准。从1 9 9 2 年起，欧洲逐步加严汽车排放限制，2 0 0 0 年开始实施欧标 准，2 0 0 5 年实施欧，2 0 0 8 年实施欧v ，预计2 0 1 4 年实施欧。 表1 1 和表1 2 是欧洲轻重型柴油车的e s c 测试循环下的排放法规实施路线 7 1 。图1 2 是对比欧洲与美国的重型柴油车排放法规实施路线【8 。 表1 - 1 欧洲轻型车用柴油机排放标准 c 0h c + n o xn o x p mp n 阶段 日期 g k r n # k m e u r o 2 0 0 0 0 10 6 40 5 6 0 50 0 5 e u r o 2 0 0 5 0 10 50 3 00 2 50 0 2 5 e u r ov2 0 0 9 0 90 50 2 30 180 0 0 5 e u r ov i2 0 1 4 0 90 50 1 70 0 8 0 0 0 56 0 e l1 第一章绪论 ， 工 ； _ 、 、- ， _ 乏 厶 n o x ( g k w h ) 图1 2 重型车柴油机欧美排放法规比较 由图1 2 可以看出，欧洲的排放法规的实施是先控制p m ，之后再逐步降低 n o x 的路线，而美国的排放法规则是先降低n o x ，之后马上控制p m 。针对这种 差异，两种排放体系下的汽车生产厂商所推出的应对技术路线也各有不同。欧洲 排放法规的应对技术路线主要以优化燃烧+ s c r 路线。这种路线以改善缸内燃烧， 优化燃油经济性，使其p m 值保持较低水平，而将降低n o x 的任务交给后处理 系统中的s c r 选择催化还原器来完成。由于欧洲各国地势平坦，且相邻很近， 可以建立成熟的尿素供应链体系，能够保证s c r 的正常运行。而美国汽车生产 厂商采取的是e g r + d p f 路线，通过e g r 控制n o x ，同时由于燃烧恶化，大量 的p m 则通过柴油机颗粒捕集器( d p f ) 来降低。比较欧美两种排放法体系的实 施过程，虽然在不同阶段，对于排放物的控制有所侧重，但最终的目标都是将有 害排放控制在接近零排放的水平。 我国的排放标准基本上采用的是欧洲体系，各阶段与欧洲标准里的限值保持 一致，但在实施时间上有一定的滞后。如表1 3 所示，我国分别于2 0 0 0 年9 月、 2 0 0 3 年9 月和2 0 0 7 年1 月实施了第一、二、三阶段排放标准。但由于国内柴油 含硫量高，会导致后处理系统催化剂失效。因此，油品差成为了制约重型柴油机 进一步降低有害排放物，实施国国v 排放标准的一大因素。北京在排放标准的 实施上先行一步，于2 0 0 5 年1 2 月实施了国i i i 标准，2 0 0 8 年实施了国i v 标准。 根据最新的资料显示，目前国内的重型柴油机生产厂商己对实施国标准的技术 路线达成共识，采用s c r 后处理技术的柴油机正在被推向市场。但是，轻型车 用柴油机实现国国v 排放的技术路线还尚未成熟，单纯采用s c r 技术对于轻 型车来讲有些得不偿失，而采用l n t + d o c + d p f 的组合后处理系统则有望实现 这一目标，但这一组合也对柴油的含硫量和含磷量提出严格的控制要求。由此可 4 第一章绪论 见，我国排放标准的实施与欧美国家相比，无论从实施时间到执行力度都有一定 差距。同时，机动车行业与柴油供应商之间的利益博弈也使得国国v 在全国范 围内的实施困难重重。但是我们相信，随着国家能源战略的不断推进实施，节能 减排将成为影响国民经济持续发展的首要任务。随着我国的柴油机水平的不断发 展，引进吸收国外先进技术的厂家和人才的不断壮大，公民环保意识的不断提升， 更高效、更清洁的柴油车必将得到普遍应用。 表1 3 我国重型车用柴油机排放标准( 单位：e c k w h ) 实施实施pm烟度 c 0 h cn o x 阶段日期 8 5 k w m 。 ( 1 ) 对每缸排量低0 7 5 l ，及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机 1 3 柴油机排气微粒的成分及危害 柴油机排气中的微粒( p a r t i c u l a t em a t t e r s ，简称p m ) 成分复杂，且其对人体 健康的危害很大。正确认识柴油机排气微粒，对于我们研究去除微粒的技术措施， 有着重要的意义。 1 3 1 柴油机排气微粒的组成 柴油机排气微粒不是单一物质，而是由许多种物质组成的混合物。由于美国 环境保护局规定的微粒稀释质量测量法是目前各国所有标准中所采用的方法，所 以美国环境保护局对柴油机排气微粒的定义也为世界各国公认。 美国环保局定义的柴油机排气微粒是：稀释至5 1 7 以下的柴油机排气流过 带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物质。 而柴油机排气微粒的主要成分包括：碳烟( d r ys o o t ) 、可溶性有机物( s o l u b l e o r g a n i cf r a c t i o n ，s o f ) 、无机物和金属物质等组成，图1 3 为柴油机排气微粒的 组成示意图一j 。随着柴油机工况的变化，p m 中各组分所占的比例也随之发生变 第一章绪论 图1 4 为某国产柴油机在十三工况测试条件下收集到的柴油机微粒各组成成 j 在比例【lo 】一般情况下，干碳烟是柴油机排放微粒的主要组成部分，占微粒总 ：的5 0 8 0 。碳烟形成的根本原因是存在非均相燃烧，当缸内燃烧温度较 。非均相燃烧使柴油机缸内存在局部缺氧的环境，会导致燃油直接高温裂解 ：初始碳粒微球。电子显微镜的观察表明，缸内生成的碳烟是由很多原生碳粒 ：聚集而成的聚集体，一般是以团絮状或者链状结构物的形式出现，且对气体 ：体都有很强的吸附作用。图1 5 和1 6 【 为碳烟颗粒在电子显微镜下的微观 图1 - 3 柴油机排气微粒组成示意图 - 可溶性有机物 3 3 5 6 硫系阴离子。 p m 颗粒成分 1 7 1 氮系阴离子 0 4 5 金属 0 3 8 碳烟及其它 6 3 9 图1 _ 4 国产某柴油机排放微粒的组成 一 亿互厅高开长汞开 一 自 i 匕 子r 帆 一其 离离仃 一及 阴刚性一蛔属系系溶一碳金氯硫可 一口口口一 第一章绪论 图1 - 5 核态碳烟微粒图1 - 6 凝聚态碳烟微粒 1 3 2 柴油机排气微粒的危害 柴油机排气微粒对人体健康危害很大。目前我国新出台的p m 2 5 环境污染物 监测指标专门针对粒径小于2 5 微米的颗粒物排放控制。一般的柴油机排气中的 p m 的大小在1 1 0 0 0 r i m 之间，这种微粒在大气中不容易沉降，而能够长时间悬 浮在空中，并随着空气流动做远距离地传播。它们极易被人体吸入，进入肺部后 较大的p m 会停滞在肺部及支气管中然后逐渐被绒毛清除。更小的的微粒则会被 肺部毛细血管吸收，进入人体血液循环中，引发包括哮喘、支气管炎和心血管等 方面的疾病。因此，p m 对人体的危害极大，但却不容易被发现，也不容易受到 人们的重视。据国外的调查统计结果显示 12 1 ，柴油机排气微粒会增大人体患肺癌， 心脏病等疾病的风险，由此造成的医疗费用和经济损失也是不容忽视的。与此同 时，由于颗粒物的消光作用，严重的颗粒物污染会造成城市空气质量恶化，引发 雾霾天气，城市能见度降低，进而诱发交通事故。因此，如何尽可能多地降低并 消除柴油机的排气微粒，成为内燃机工作者面临的一项重要任务。 1 4 去除柴油机排气微粒的技术措施 1 4 1 去除柴油机微粒的机内净化措施 机内净化是通过先进的燃烧理论，合理组织缸内混合气形成和分布，使其尽 量避开柴油机有害排放生成的区域，在保证柴油机燃油经济性和动力性的同时， 尽量改善燃烧性能，进而达到降低p m 排放的目的。主要包括3 j ： ( 1 ) 进气系统的优化：进气涡流的优化，采用可变涡流进气道技术使涡 流比在0 2 2 5 范围内变化；采用增压中冷技术；采用可变气门技术，实现 进排气相位和升程在发动机整个工况范围内连续可调，实现内部e g r ，降低最 第一章绪论 高燃烧温度。 ( 2 ) 喷油系统的优化：包括利用高压共轨技术改善喷雾形态，组织油气混 合，实现缸内多次喷射，以满足先进燃烧理念对于缸内混合气准备的要求； ( 3 ) 燃烧室的结构和参数优化：优化压缩比；燃烧室型式的优化； ( 4 ) 燃料的改进：提高柴油机十六烷值；使用含f e ，c e 等氧化物的添 加剂的柴油，为后处理系统的碳烟再生提供催化剂；降低柴油中的含硫量( 低 于1 0 p p m ) ：使用代用燃料如采用醇类、氢气和天然气等代替柴油： ( 5 ) 降低干碳烟的方法主要是促进后燃期燃料和空气的混合加速其氧化； 通过减少壁面燃料附着量、减少后喷和减少润滑油导致的s o f 来降低s o f ( 可溶 性有机物) ：提高燃料和空气的混合质量降低i s f ( t e 可溶性有机物) 。 1 4 2 柴油机的微粒捕集和主被动再生技术 去除柴油机排气微粒的机外净化措施主要依靠柴油机的微粒捕集器( d i e s e l p a r t i c u l a t ef i l t e r ，d p f ) 。排气经过含有多孔介质壁面的d p f ，微粒会在多孔介质 内受到拦截，碰撞及引力等作用 14 1 ，停留在多孔介质里，从而达到去除排气微粒 的目的。然而长时间的微粒捕集，会堵塞过滤器的多孔介质通道，造成排气系统 中的背压升高，进而影响发动机的正常工作。因而需要定期采取加热等方式，使 d p f 中的碳烟颗粒继续氧化燃烧，这种方法称为再生。近2 0 年来，柴油机的再 生技术得到了很细致的研究，大致有：强制再生，喷油助燃再生，电加热再生， 微波加热再生，等离子体再生，逆向喷吹再生和催化再生。其中催化再生也分为 被动催化再生和主动催化再生。一般情况下的柴油机排气温度并不能满足随时进 行再生的条件，故催化型d p f 一般常与上游的催化氧化转换器( d i e s e lo x i d a t i o n c a t a l y s t ，d o c ) 配合使用。结合缸内的高压共轨喷油系统，实现喷油规律的连续 可调，利用远后喷形成的浓h c 条件的排气经过d o c ，氧化反应释放大量的热 量，从而提升了排气温度，为d p f 中的催化剂迅速起燃创造条件。而燃烧产生 的灰分( 主要成分为金属盐类) 则无法通过氧化再生去除，需要定期拆卸下来进 行清洗。图1 7 为d p f 的工作原理图，图l 一8 为常见的堇青石和s i c 载体制成的 d p f 。图l 一9 为d p f 过滤碳烟颗粒后的电镜图像【l5 1 ，图l 1 0 【1 4 】分别为碳烟被过 滤的四种机理示意图。o t a n i 认为排气中的微粒运动遵循布朗运动规律，并且其 轨迹与排气流线相同，排气通过多孔介质时，由于通道变窄，微粒受到壁面的吸 附、拦截、碰撞，随后沉积在多孔介质中。o t a n i 的这种观点为下一步进行d p f 碳炯捕集的数值模拟，依据经验公式评价碳烟过滤现象提供了理论依据。 第一章绪论 图l 一7 排气颗粒通过过滤孔通道 图1 - 8 堇青石和s i c 载体 ( a ) 入口过滤通道( b ) 碳烟层局部放大图 图1 - 9 不同尺度下的d p f 入口通道碳烟沉积s e m 图像 ( a ) 扩散机理 ( c ) 惯性机理 ( b ) 拦截机理 ( d ) 重力作用机理 图l 一1 0 碳烟在多孔介质通道内的过滤机理示意图 9 第一章绪论 1 5 柴油机微粒捕集器的数值模拟研究现状 关于d p f 的模拟计算，早在1 9 8 4 年，b i s s e t 1 6 】就提出了一维的d p f 碳烟积 累及再生的数值模型，该模型假设忽略入口气流沿径向的分布差异，并且忽略沿 d p f 长度方向的温度梯度，因而此模型主要针对d p f 的局部再生机理展开计算。 随后，k o n s t a n d o p o u l o s ，a g 【1 7 1 于19 8 9 年提出了一维的模拟排气气流通过多孔 介质后的压降模型。早期的d p f 模型假设进入d p f 的入口气流流速分布均匀， 气流在通道内分布均匀，而实际情况并非如此。经过最近几十年的发展，随着人 们对d p f 捕集碳烟的概念的不断深入理解，以及发动机技术的突飞猛进，d p f 的碳烟捕集和再生计算模型也得到了很大的改进。k o n s t a n d o p o u l o s ，a g l l s 于 2 0 0 0 年提出了三维的d p f 捕集碳烟和再生的数值模型，并运用c f d 商业软件模 拟预测了d p f 孔道内的碳烟分布情况和压降上升特性。随后在2 0 0 0 - 2 0 0 5 年之 间，k o n s t a n d o p o u l o s a g 【1 9 之2 1 针对d p f 的数值模拟工作，从多种角度创新性地 提出了d p f 碳烟捕集、催化再生、材料模拟等过程的数值模型，这些模型能够 较好地预测在碳烟捕集过程中的压降变化，再生过程中d p f 内部的温度变化， 以及碳烟层的通透性变化。他的模拟工作同时也得到了试验的验证。y o n gy i 【2 3 j 和w i l l i a mw a n g a r d 2 4 】分别利用三维c f d 软件f l u e n t 建立了d p f 的三维宏观数 值模型和单孔道微尺度模型，并通过模拟碳烟和空气组成的多相流，预测d p f 内部碳烟的累积情况和气体组分变化情况。b e n s a i d 2 5 则通过试验研究与数值模 拟相结合的方法，从排气背压上升，碳烟分布，d p f 温度分布三方面研究了d p f 捕集碳烟和再生的性能。s c h e j b a l 2 6 , 2 7 】则建立了二维的d p f 模型，重点探讨了n 0 2 与碳烟的再生反应机理，氧浓度对再生反应的影响。w u ，gt 2 8 1 乖t j 用拉格朗日随机 模型模拟了d p f 内的气流分布，并且探讨了碳烟分布的均匀性与气流的关系。 c h e n ，k 等人f 2 9 ，3 利用试验的手段记录测量了单孔道碳烟层再生时的温度历程。 y 锄锄o t o 3 1 3 2 】利用格子波尔茨曼方法，研究了d p f 多孔介质内部发生碳烟再生 反应时的反应物浓度变化 目前我国国内也开展了d p f 的数值模拟工作。龚金科 3 3 ，3 4 1 从试验和数值模 拟的手段同时入手，研究d p f 过滤再生时，入口气体流量，入口气体温度对再 生速率和压降特性的影响。资新运【3 5 从试验的角度出发，测量了d p f 氧化再生 时的温度空间分布和温度变化历程，研究了d p f 连续再生的控制策略。姚春德 3 6 5 从d p f 内部的流场分析计算入手，研究了d p f 入口流速分布对d p f 压降特性的 影响，谭丕强【37 基于d p f 的碳烟扩散捕集机理模型，研究了捕集器结构参数对 不同粒径排气微粒过滤特性的影响。 1 0 第一章绪论 综上所述，目前国内外对于d p f 的模拟计算研究，主要停留在对现有模型的 不断完善和优化阶段。通过改进模型，能够更加真实准确地反映出d p f 的实际 工作状态。但限于现有的试验手段和模拟计算成本对催化再生反应的机理研究也 处在探索阶段，在这方面，需要我们改进的工作有很多。 1 6 本论文的意义及主要研究内容 随着我国节能减排战略目标的不断推进实施，内燃机的技术革新势在必行。 从目前的技术发展来看，单纯的依靠内燃机的机内燃烧净化技术己不能满足这一 目标。柴油机排气后处理技术做为一种新兴的技术手段，通过与已有的机内净化 技术措施相结合，能够很好地实现未来的排放法规要求。随着国国v 排放法规 的实施逐渐被提上日程，国内的柴油机厂商必须寻找出适合中国国情的满足该排 放法规的技术路线。对于重型车用柴油机，可以采用如下技术路线：通过优化缸 内燃烧降低p m 排放，而将降低n o x 的任务交给选择催化还原转化器s c r 。而 对于中轻型车用柴油机，采用s c r 的方式则有如下缺点：s c r 需要配套尿素罐， 从而增加了车体重量；s c r 存在氨泄漏，尿素低温结晶等问题。而采用d p f 与 e g r 相结合的技术路线，也能够满足将来的排放法规。因此，d p f 的工作性能 提升与改进成为了一项重要的工作。本论文为了探明d p f 内部碳烟层演变规律、 d p f 温度分布与碳烟再生的关系、d p f 的最优再生控制策略，开展了以下工作： ( 1 ) 基于f i r e 数值模拟软件建立d p f 的碳烟捕集模型和再生化学反应模型。 研究d p f 入口流量、孔密度数、初始碳烟量对d p f 压降特性的影响。 ( 2 ) 搭建发动机试验台架，在原有排气系统上加装d p f 催化器，测量e u r o p e a n s t e a d yc y c l e ( e s c ) 循环下d p f 前后压降变化过程。通过与数值模拟结 果比较，验证了数值模型的合理和有效性。 ( 3 ) 基于已有的d p f 数值模型，探讨d p f 在稳态、瞬态工况下的碳烟捕集与 再生特性，研究d p f 内部碳烟分层变化历程、d p f 内部温度最高点变化 历程。模拟多次再生情况，考察多种影响因素下d p f 的再生情况，预测 实际的d p f 工作过程，从而为实现d p f 可控、高效再生提供理论基础依 据，并为下一步的d p f 控制策略与发动机整机控制耦合做出科技支撑。 第二章d p f 的数值模拟 第二章d p f 的数值模拟 本论文中的模拟工作基于f i r e 软件中的后处理系统模块，该模块能够对催 化器内的流动、传热及排放物的转化进行模拟计算。f i r e 软件以质量、动量、 能量等守恒定律为基础，采用有限体积法将计算域分成若二f 控制体，分别对每个 控制体求解多维n s 方程和各种输运方程 3 8 - 4 0 。由于我国的d p f 技术还尚不成 熟，对其工作机理和工作特性的研究还有待完善，故在本章将建立d p f 催化器 的c f d 数值模型，以进行下一步的数值模拟工作。 2 1d p f 数值模型的建立 2 1 1d p f 内部流场模型 壁流式d p f 的一个入口和出口通道示意图如图2 1 所示，发动机的排气流入 过滤通道1 ，然后穿过具有多孔介质的壁面流入通道2 ，碳烟微粒就被沉积在壁 面内。碳烟微粒以深层过滤( d 印t hf i l 仃a t i o n ) 和滤饼过滤( s o o tc a k e ) 的形式分别被捕 集在d p f 过滤通道内。其中深层过滤层沉积在过滤通道介质内部，在表面则堆 积形成滤饼。 图2 1d p f 通道示意图 第二章d p f 的数值模拟 其中d p f 内部流体( 进出口通道) 的流动模型基于一维稳态的连续性万程及 动量方程4 1 1 。 导( 以。v g 1 4 ，。) 一。 1 a s ，。 ( 2 1 ) 导( 展2 k a r ，：) = 一依，：- v w , 2 4 ，： ( 2 - 2 ) p 鲫通道内的气相密度( n = 1 代表入口通道，n = 2 代表出口通道) v g ，。为气相 流速，a f 。为通道前端表面积，vw ，。为壁面流速，a s ，。为过滤通道的湿周半径。 d p f 入口和出v a 通道的动量平衡方程如式2 - 3 和2 - 4 所示： 动量方程为： 罢( & l - 1 4 。) = 一4 1 ! 一k | ( 鼻，+ 岛，_ 。，4 ，) ( 2 - 3 ) 罢( 略4 ，：) = 以：警飞2 咖 ( 2 _ 4 ) 其中p “，i = 1 ，2 代表进出口通道气体压力，e ，a 分别代表通道内气体摩擦 损失系数及气体动力粘度。 壁面髓v z 。1 半，等亿5 ， 上述连续性方程和动量方程的初始条件为： v g ，1 = 。， 弘0 v 川= 0 z = ， y g 2 = v i n ， z = 0 p g ，2 = p 。 z = 0 2 1 2d p f 内部压降模型 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) d p f 的前后端压降是评判d p f 再生时刻的重要参考依据。因此，研究d p f 的压降模型，对于预测d p f 再生时刻及优化再生控制策略有着重要意义。本研 究所采用的d p f 的压降模型基于d a r c y 定律中对于多孔介质压降的定义4 2 。对 于完整的进出口通道压降模型为 第二章d p f 的数值模拟 p g i p g 22 p 。+ 终d + 6 p 。+ b 。 ， 、鱼掣 烈t o g a 卺+ 卺l 弦 l+筹k!iw,d t i c h ( 一 1 if n 一一l 加。攻一b 皖。ji l + 蓑( d d 鬻赫) 1i 伽。l 。一。一皖。，j 其中壁面压降：a p w ：1 ) w , l - 堕二净鲁( 2 - 1 1 ) 深床过滤层产生的压降：觎d ：k 1 尘二竽鲁( 2 - 1 2 ) 滤饼产生的压降： a p ，d = vj - 1 ，华，砭d i h ( 盘j弦 进出口通道摩擦造成压降 6 p 耐：乞粤卑 ( 2 1 4 ) 卸。，：乞华 ( 2 1 5 ) 式中c 儿。，虬占分别为过滤通道几何系数，用来描述入1 5 1 通道所处的位置。 k w ，k s d ，k 。分别为壁面、深床过滤层和滤饼层的渗透率，为气体的运动粘性系数， 6 。、6 刊、6 。分别为壁面、深床过滤层和滤饼厚度，i一2董拿拦_p10s： 一茜一路要iad嚣n u p a d s 第四章基于f i r e 模拟的d p f 碳烟捕集与再生模拟计算研究 4 5 是否涂有催化剂对碳烟再生的影响 图4 2 2 为模拟是否在过滤体上涂敷催化剂对碳烟再生效果的影响，从图4 2 2 ( a ) 的压降随时间变化曲线可以看出，由于涂敷催化剂后d p f 载体内的碳烟微 粒氧化再生速率远高于未涂敷催化剂时的氧化速率，故涂覆了催化剂的d p f 其 背压在较早时刻呈现出了下降趋势。而图4 2 2 ( b ) 明显反应出涂敷催化剂后载 体的最高温度高于未涂敷催化剂的载体温度，这是由于催化剂促进了碳烟再生反 应，加快了反应速率，从而在短时间内能释放较多热量，造成d p f 内热负荷较 大。图4 2 2 ( c ) 为是否涂敷催化剂时催化器内的碳烟氧化再生情况随时间变化 的曲线，在4 0 0 s 时涂敷催化剂后载体内的碳烟由最初6 9 l 降低到了5 4 l ，而 未涂敷催化剂的载体内碳烟氧化再生量较少，仅由最初6 9 l 降低到了5 8 4 l ， 因此，催化剂的涂敷能有效增加碳烟的氧化再生反应速率。 l i 憎( s ) ( a ) 是否涂敷催化剂载体的压降 l 墨 垂 兽 蓦 t i m e ( s ) ( b ) 是否涂敷催化剂载体的最高温度 ( c ) 催化剂涂层对p m 氧化冉牛 图4 2 2 是否涂敷催化剂对碳烟再生的影响 第四章基于f i r e 模拟的d p f 碳烟捕集与再生模拟计算研究 4 6 不同催化反应方式对碳烟再生的影响 图4 2 3 为比较采用氧气热再生、燃油添加剂再生及催化：再生的方式对碳烟再 生反应效果的影响。图4 2 3 ( a ) 为采用不同催化方式时d p f 压降随时间变化的 关系，可以看出在前1 0 0 s 内三种催化方式载体的前后压降基本相同，时间t 大 于1 0 0 s 后三种反应方式催化器内的压力变化较大，压力变化趋势为： p r e s s s u r e c d p fp r e s s s u r