高原柴油机微粒捕集器催化再生特性模拟研究

发布时间：2017-08-30 13:44

  本文关键词：高原柴油机微粒捕集器催化再生特性模拟研究

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【摘要】：面对环境污染的日益严重,各国排放法规不断升级,催化型微粒捕集器(CPF)具有捕集和再生两大功能,其在满足欧6排放法规技术路线中对降低机外颗粒物发挥重要作用。我国高原占地面积广,高原环境给现代高效低排放柴油机及其后处理开发带来更大挑战。本文首先针对加装CPF的YN38CRD1共轨柴油机为研究机型,针对外特性、ESC和ETC台架试验研究表明：加装CPF后,随转速升高,发动机功率下降且功率损失越大,在3000r/min时,功率损失以及油耗升高最大；ESC试验表明,加装CPF后排气背压大幅度上升,且随转速和负荷增大而升高。小负荷加装CPF会导致柴油机NOx有所提高,但大负荷时对NOx影响较小；ESC试验中加装CPF后的颗粒转化效率达90%,ETC试验中颗粒转化效率达99%。由此表明,CPF的捕集效率较高,加装CPF能有效控制颗粒物排放。本文采用AVL Boost、GT-Power以及AVL Fire,以D19高压共轨柴油机为研究机型,构建了整机一维热力学仿真模型及CPF三维CFD与碳烟再生机理相耦合的仿真模型,开展了进、排气特征参数以及喷油控制策略耦合EGR对CPF再生过程影响的数值模拟研究。针对排气特征参数的研究表明：与DPF相比,CPF将再生温度降低约150℃且再生效率更高,但会增大N02；排气温度(排温)为450℃时,CPF再生性能改善作用最大,排温为350℃时,CPF出口NO2最高：排温达到4000C以上,增大排气中的02浓度能高效提升CPF的再生效率,且其提高作用随排温升高而逐渐增大；在250℃-450℃排温区间,增大排气中的N02浓度能高效提升CPF的再生效率。在排温为400℃时,提高N02浓度对CPF再生性能改善的作用最大,当排温超过500℃时,其改善作用变弱。针对进气特征参数的研究表明：随大气氧浓度减小,CPF沉积颗粒的氧化速率和压降的下降速率都显著减缓,其进、出口两端的NOx及NO2降低：海拔升高不利于CPF的再生,但CPF压降和再生最高温度降低,且能有效减少CPF出口端的N02；海拔对CPF再生过程的影响是大气氧浓度和大气压力的综合效应,其中大气氧浓度占主导作用；针对海拔2km高原环境,EGR率增大至15%时,CPF再生性能己明显减弱,高原环境下采用EGR会进一步加剧CPF的再生困难；EGR率对NO2的降低作用大于其对NO的降低作用。针对喷油参数耦合EGR对发动机工作过程和CPF再生性能影响的研究表明：随主喷定时推迟,扭矩先升后降。随EGR率增大,发动机扭矩下降,且随主喷定时推迟时对扭矩的不利作用更大；主喷定时从-22.6℃A ATDC推迟至-10.6℃A ATDC时,CPF再生速率和残余颗粒变化较小。但主喷定时从-10.6℃A ATDC推迟至1.4℃A ATDC,CPF残余颗粒、压降以及N02迅速降低。随EGR率增大,CPF再生性能变差,EGR率增大至35%时,对发动机性能以及后处理系统的不利影响较大；随喷油压力提高,扭矩最高点对应的主喷定时向后推迟,缸内NOx增大。主喷定时较为靠前时,提高喷油压力使扭矩降低,且导致缸内NOx快速增加,但有利于CPF再生；主喷定时较为靠后时,提高喷油压力使得扭矩增大,但会导致CPF再生性能变差、NO2排放与NO2/NOx质量比同时增大。针对后喷策略耦合EGR对发动机工作过程和CPF再生性能影响研究表明：采用后喷之后,随后喷时刻推迟,发动机比油耗、NOx和排气流量逐渐增大,CPF残余颗粒和压降呈先减小后增大的变化趋势。后喷时刻为18℃A ATDC时,CPF再生性能最佳,同时NO2质量分数及NO2/NOx质量比最低；随后喷油量增加,比油耗和排气温度上升,NOx降低。增大后喷油量有利于CPF再生,后喷时刻为18℃A ATDC且后喷油量为15mg时,CPF再生性能最佳。由此表明,综合考虑燃油经济性与CPF再生效率,应选择合理的后喷时刻与油量；此外,对于单次喷射,提高EGR率对CPF再生速率影响较小,但可显著降低CPF压降与NO2；采用后喷且后喷时刻靠后时,EGR率增大使CPF再生速率显著降低,且对压降及NO2降低作用减弱,同时CPF最佳再生效率对应的后喷时刻随EGR率增加而前移。
【关键词】：共轨柴油机 催化型微粒捕集器 高原环境 再生过程 EGR 喷油策略
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 研究背景与意义概述12-14
• 1.2 柴油机排放法规发展及排放控制技术14-17
• 1.2.1 排放法规发展及趋势14-15
• 1.2.2 柴油机微粒排放控制技术15-17
• 1.3 现代柴油机排放控制的技术路线17-20
• 1.3.1 满足欧Ⅵ、欧Ⅴ排放控制的技术路线17-18
• 1.3.2 满足欧Ⅵ排放控制的技术路线18-20
• 1.4 催化型微粒捕集器介绍及研究现状20-23
• 1.4.1 微粒捕集器及其再生技术20-21
• 1.4.2 催化型微粒捕集器介绍21-22
• 1.4.3 催化型微粒捕集器研究现状22-23
• 1.5 课题意义及主要研究内容23-26
• 第2章 后处理装置对柴油机性能影响试验研究26-34
• 2.1 试验研究对象26-27
• 2.2 试验测试设备及条件27-28
• 2.3 原机与加装CPF柴油机外特性对比试验28-30
• 2.4 原机与加装CPF柴油机ESC性能对比试验30-32
• 2.5 原机和加装CPF柴油机排放结果对比32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第3章 催化型微粒捕集器数值模型的建立与验证34-46
• 3.1 CPF数值模型34-37
• 3.1.1 压降模型35-36
• 3.1.2 碳烟预测模型36
• 3.1.3 碳烟再生模型36-37
• 3.2 再生反应机理37-41
• 3.2.1 C-O_2反应37-38
• 3.2.2 C-O_2-NO_2反应38
• 3.2.3 C-O_2-NO-NO_2反应38-39
• 3.2.4 C-O_2-NO-NO_2-NO+O_2反应39-41
• 3.3 一维及三维实体计算模型建立41-43
• 3.3.1 一维模型的选择与构建41-42
• 3.3.2 三维模型的选择与构建42-43
• 3.4 模型验证43-45
• 3.4.1 一维模型验证43-44
• 3.4.2 三维模型验证44-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 进排气特征参数对CPF再生性能的影响46-62
• 4.1 DPF与CPF再生性能对比46-48
• 4.2 排气特征参数对CPF再生过程的影响48-52
• 4.2.1 排气O_2浓度耦合排气温度的影响48-50
• 4.2.2 排气NO_2浓度耦合排气温度的影响50-52
• 4.3 进气特征参数对CPF再生性能的影响52-59
• 4.3.1 不同海拔大气氧浓度的影响52-54
• 4.3.2 不同海拔大气压力的影响54-55
• 4.3.3 海拔高度的影响55-58
• 4.3.4 EGR率的影响58-59
• 4.4 本章小结59-62
• 第5章 喷油策略对柴油机燃烧过程及CPF再生性能的影响62-92
• 5.1 发动机台架试验62-64
• 5.1.1 试验对象62-63
• 5.1.2 试验主要仪器设备63-64
• 5.1.3 试验结果64
• 5.2 基于GT-POWER—维模型的构建和验证64-67
• 5.2.1 GT-POWER—维模型构建64-66
• 5.2.2 GT-POWER—维模型验证66-67
• 5.3 主喷定时耦合EGR率对燃烧过程及CPF再生性能的影响67-74
• 5.3.1 主喷定时耦合EGR率对燃烧过程及排放的影响68-70
• 5.3.2 主喷定时耦合EGR率对CPF再生性能的影响70-74
• 5.4 喷油压力对燃烧过程及CPF再生性能的影响74-79
• 5.4.1 喷油压力对燃烧过程及排放的影响74-76
• 5.4.2 喷油压力对CPF再生性能的影响76-79
• 5.5 后喷策略耦合EGR率对燃烧过程及CPF再生性能的影响79-89
• 5.5.1 不同后喷时刻下后喷油量对燃烧过程及排放的影响79-82
• 5.5.2 不同后喷时刻下后喷油量对CPF再生性能的影响82-85
• 5.5.3 不同后喷时刻下EGR率对燃烧过程及排放的影响85-87
• 5.5.4 不同后喷时刻下EGR率对CPF再生性能的影响87-89
• 5.6 本章小结89-92
• 第6章 总结与展望92-96
• 6.1 全文总结92-94
• 6.2 工作展望94-96
• 致谢96-98
• 参考文献98-104
• 附录A 攻读学位期间发表论文目录104-106
• 附录B 参与项目情况106

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本文编号：759646