柴油机催化型DPF捕集过程数值模拟及排放性能试验研究

发布时间：2017-12-02 22:02

  本文关键词：柴油机催化型DPF捕集过程数值模拟及排放性能试验研究

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【摘要】：柴油机具有动力强、油耗低和可靠性高等优点,已得到广泛应用,但是尾气中的颗粒排放较高,给地球环境和人类健康带来较大的危害。催化型DPF(Catalytic Diesel Particulate Filter,CDPF)不仅能有效地降低柴油机的颗粒排放,还能将排气中CO、HC和NO等成分进行催化转化,有效进行DPF的连续被动再生;将DOC(Diesel Oxidation Catalyst)与CDPF组合(简称DOC+CDPF)使用不仅能够保证CDPF的工作可靠性,进一步降低CO、HC,还能实现DPF载体的连续再生。为了深入研究CDPF的捕集特性以及对柴油机气体污染物和颗粒结构特征的影响,本文应用数值模拟方法,分析了CDPF捕集过程时内部流场及颗粒分布特性。借助柴油机台架试验,评价了CDPF以及DOC+CDPF后的排放性能,同时应用透射电镜(TEM)和图像处理技术,考察了CDPF和DOC对颗粒形貌结构的影响。应用GT-POWER和AVL-FIRE软件建立了CDPF数值模型,对模型的压降进行数值模拟,并借助台架试验验证了模型的准确性。此外,重点分析了CDPF压降曲线分布特性,CDPF内部气流流动和颗粒分布变化规律,并优化了CDPF结构参数。模拟结果表明,在CDPF载体内,捕集初期是以深床过滤为主,随着时间的增加,捕集方式逐渐以滤饼捕集为主;由于扩口区域内存在涡流区,造成进入CDPF的气流速度不均匀,而在气流流场的影响下,颗粒在CDPF轴向位置和径向位置也呈不均匀分布;随着颗粒沉积量增大,CDPF截面轴向流速分布均匀性得以改善,而改变入口流速对轴向流速分布影响较小;当使用直径比为3.0、孔密度(CPSI)为200和过滤壁厚为0.35 mm的CDPF时,可获得较高的捕集效率和较低的压降变化,并有利于CDPF的气流分布且对柴油机性能影响较小。通过台架试验,对比分析了CDPF和DOC+CDPF对柴油机性能及排放的影响规律。试验结果表明,柴油机在标定转速不同负荷下运行,通过CDPF作用,CO和HC转化率平均可达73%和64%,NO的转化率最高可达28%,高负荷时,通过CDPF作用,对碳烟排放的降低效果较好,而柴油机燃油消耗率小幅增加;通过DOC+CDPF作用,对CO、HC和NO均有较好的氧化作用,其转化率均有所增加,DOC对碳烟排放的影响不明显。应用TEM试验,对DOC+CDPF前后排气中的颗粒进行表征获得颗粒的微观形貌特性,运用图像处理方法,分析了颗粒的平均直径,并计算了颗粒的计盒维数,探讨了CDPF和DOC对颗粒形貌结构及团簇程度的影响。TEM分析结果表明,全负荷时,柴油机排气中的颗粒群呈团状、球状分布,堆积明显,基本碳粒子轮廓难以分辨;在DOC作用下,颗粒群呈链状、簇状分布,基本碳粒子的轮廓清晰;在DOC+CDPF作用下,颗粒堆积程度下降,基本碳粒子的轮廓更加明显。此外,颗粒的平均粒径减小;颗粒结构变得松散。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK427

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本文编号：1246386