柴油机催化连续再生颗粒捕集器的数值模拟
发布时间：2021-08-13 10:55
机动车带来的环境问题和能源危机问题近年来一直是全世界关注的一个热点问题。目前颗粒物捕集技术被认为是降低机动车颗粒物排放的一项可靠的技术,而生物柴油作为一种代用燃料不但可以缓解能源的问题,还可以增强发动机性能,减少污染物排放。本文采用仿真的方式,以GT-SUITE和AVL FIRE软件为平台,建立了CCRT系统的仿真模型,探讨了影响DOC和CDPF性能的主要因素,以及CCRT系统在掺混生物柴油发动机上的使用情况和运用效果。本文首先根据实物建立了CCRT系统的模型,并根据台架实验的参数对模型进行了校准,使模型符合实际。DOC的仿真研究表明DOC前段的混合段扩张角过大,DOC前端速度、压力、温度分布不均匀;采用变径式的DOC前端混合段可以有效改善流场分布不均匀的现象;DOC载体长度的增加使DOC的压降上升,同时造成DOC的污染物转化效率下降;随排气温度的上升,DOC的CO和HC转化效率先升高再保持恒定,而NO转换效率先升高后降低;排气中氧气浓度的增加使DOC的NO、HC及CO的转化效率上升,氧化反应的起燃温度降低。CDPF的仿真研究表明,随温度的升高,CDPF再生反应逐渐增强,与颗粒物的捕集...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国机动车保有量变化趋势图[1]
上海交通大学硕士学位论文-4-氮(NO)氧化为二氧化氮(NO2)，使得进入DPF的NO2浓度上升。利用NO2的强氧化性，使DPF捕集到的颗粒物在低至275℃左右的排气温度下持续氧化。这意味着，在柴油机正常工况下的排气温度变化范围内，连续再生系统可以实现边过滤边再生。这个系统最初由于需要燃料中的硫低于50ppm，因此发展受到限制。然而随着EPA在2006年对燃料含硫量的做出更严格的要求，连续再生技术再次受到广泛的关注。催化剂涂层再生技术是指在载体壁面涂覆催化剂，将普通的DPF改造为催化颗粒物捕集器（CatalyzedDieselParticulateFilter,CDPF）。CDPF可以将颗粒物氧化反应产物NO转化为反应物NO2，扩散回到入口通道，再次参与再生，持续氧化颗粒物，提高被动再生效率。图1-2连续再生捕集系统[16]Fig.1-2ContinuouslyRegeneratingTrap催化型连续再生技术，英文全称为CatalyzedContinuouslyRegeneratingTrap，简称CCRT，其结合了连续再生技术和催化剂涂层再生技术两者的优势特点。催化连续再生捕集器主要由两部分组成，即上游的DOC，和下游的CDPF。上游的DOC主要作用是将排气中的NO转化为NO2；而在下游的CDPF中NO2氧化颗粒物，同时CDPF的涂层也会将部分的NO转化为NO2，使得DPF再生时对NOX/PM比例要求大大降低，能适用于低NOX排放的发动机。催化连续再生技术相较与其他再生方式有着诸多方面的优势，如排气背压低，能源的消耗小，最高温度低、载体材料可靠性好以及使用寿命长等。即使应用于主动再生系统中，催化连续再生技术的应用仍可以降低PM在过滤体中的碳积载量，减少主动再生的工作频率。因此，催化型连续再生技术具有一定的工程应用价值，是未来机外净化技术发展的一个重要方向，有着巨大的发展前景。
上海交通大学硕士学位论文-13-集阶段。新过滤体相对干净，几乎没有颗粒物存在于壁面内，过滤主要为深床过滤，捕集主要发生在壁面内。深床过滤一般发生在壁面的平均孔直径大于颗粒物直径时，因此颗粒物在流经壁面的过程中被捕集。颗粒物饼层过滤一般发生在当饼层的平均孔直径小于颗粒物平均直径时，因此颗粒物不能通过饼层的中的通道，被捕集筛选下来，形成新的捕集层。颗粒物饼层形成后，颗粒物饼层过滤成为主要过滤方式。因为颗粒物饼层沉积的平均孔径约为0.1um，饼层的过滤效率一般高于深床的过滤效率[45]。图2-1为颗粒物过滤的原理图。布朗扩散和直接拦截是颗粒物过滤的两种主要方式[46]。布朗扩散颗粒物在流体中并不遵循流线运动，而是遵循随机的布朗运动，因此小颗粒在低流速捕集过程中，布朗扩散占据主导作用。直接拦截发生在流线距离捕集体的距离小于颗粒物直径时。其余的机理，如重力沉降，惯性沉降和热迁徙等，对于小于1μm的粒径的颗粒物，捕集过滤作用并不明显[47]。a）布朗扩散b）直接拦截图2-1颗粒物过滤的原理图[46]Fig.2-1Schematicdiagramofparticlefiltration2.2.2颗粒物再生机理颗粒物被氧气氧化的真实的反应包含很多复杂的中间产物和中间过程，但其主要总包反应可以表示为：+1→+(1)（2-3）此处fCO为CO选择系数，是一个与温度相关的系数。此反应对反应温度的要求较高，一般要求排气温度高于550℃，而一般发动机的运行工况很难达到如此高的排气温度。Cooper等人最早[16]在研究中报道了NO2氧化排气中的颗粒物现象。颗粒物-NO2的起燃温度约为200℃，低于O2的起燃温度[20]。为了使得颗粒物NO2氧化反应速率高到可以氧化一定数量的颗粒物，需要排气中的NO2浓度较高。一般的技术手段是前置一个
【参考文献】：
期刊论文
[1]DOC+CDPF对生物柴油公交车排放特性的影响[J]. 楼狄明,张静,张允华,胡志远,谭丕强. 中国环境科学. 2017(11)
[2]后处理技术与生物柴油耦合作用对公交车排放特性的影响[J]. 楼狄明,朱思佳. 内燃机与动力装置. 2017(01)
[3]DOC+CDPF配方对柴油公交车颗粒物排放特性影响[J]. 楼狄明,万鹏,谭丕强,胡志远. 中国环境科学. 2016(11)
[4]基于DOC+CDPF技术的公交车燃用生物柴油气态物道路排放特性[J]. 楼狄明,张允华,谭丕强,胡志远. 环境科学. 2016(12)
[5]催化型连续再生颗粒捕集器对生物柴油发动机排放颗粒理化特性的影响[J]. 楼狄明,温雅,王家明. 环境科学学报. 2014(08)
[6]微粒捕集器连续再生速率与压降特性研究[J]. 龚金科,龙罡,余明果,王曙辉,刘云卿. 湖南大学学报(自然科学版). 2009(06)
[7]电加热柴油机再生排气微粒过滤器的研制与试验[J]. 严降龙,吴锋,冯安,胡章其. 农机化研究. 2002(04)
博士论文
[1]催化型微粒捕集器NO2高效利用及铈基复合再生机理研究[D]. 龙罡.湖南大学 2012
[2]轿车柴油机微粒捕集器工作过程数值模拟及再生控制策略研究[D]. 张辉.吉林大学 2011
硕士论文
[1]某款自主品牌乘用车排放控制策略的研究[D]. 李宁琳.华南理工大学 2017
[2]柴油机催化型微粒捕集器加载及再生性能研究[D]. 熊毅.广西大学 2016
[3]壁流式微粒捕集器连续再生特性研究[D]. 刘恒语.湖南大学 2012
[4]柴油车道路工况下动态排放及捕集器连续再生特性的模拟研究[D]. 陈晓明.北京交通大学 2008
[5]柴油机微粒过滤器连续再生的试验研究[D]. 苏庆运.大连理工大学 2001
本文编号：3340297
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国机动车保有量变化趋势图[1]
上海交通大学硕士学位论文-4-氮(NO)氧化为二氧化氮(NO2)，使得进入DPF的NO2浓度上升。利用NO2的强氧化性，使DPF捕集到的颗粒物在低至275℃左右的排气温度下持续氧化。这意味着，在柴油机正常工况下的排气温度变化范围内，连续再生系统可以实现边过滤边再生。这个系统最初由于需要燃料中的硫低于50ppm，因此发展受到限制。然而随着EPA在2006年对燃料含硫量的做出更严格的要求，连续再生技术再次受到广泛的关注。催化剂涂层再生技术是指在载体壁面涂覆催化剂，将普通的DPF改造为催化颗粒物捕集器（CatalyzedDieselParticulateFilter,CDPF）。CDPF可以将颗粒物氧化反应产物NO转化为反应物NO2，扩散回到入口通道，再次参与再生，持续氧化颗粒物，提高被动再生效率。图1-2连续再生捕集系统[16]Fig.1-2ContinuouslyRegeneratingTrap催化型连续再生技术，英文全称为CatalyzedContinuouslyRegeneratingTrap，简称CCRT，其结合了连续再生技术和催化剂涂层再生技术两者的优势特点。催化连续再生捕集器主要由两部分组成，即上游的DOC，和下游的CDPF。上游的DOC主要作用是将排气中的NO转化为NO2；而在下游的CDPF中NO2氧化颗粒物，同时CDPF的涂层也会将部分的NO转化为NO2，使得DPF再生时对NOX/PM比例要求大大降低，能适用于低NOX排放的发动机。催化连续再生技术相较与其他再生方式有着诸多方面的优势，如排气背压低，能源的消耗小，最高温度低、载体材料可靠性好以及使用寿命长等。即使应用于主动再生系统中，催化连续再生技术的应用仍可以降低PM在过滤体中的碳积载量，减少主动再生的工作频率。因此，催化型连续再生技术具有一定的工程应用价值，是未来机外净化技术发展的一个重要方向，有着巨大的发展前景。
上海交通大学硕士学位论文-13-集阶段。新过滤体相对干净，几乎没有颗粒物存在于壁面内，过滤主要为深床过滤，捕集主要发生在壁面内。深床过滤一般发生在壁面的平均孔直径大于颗粒物直径时，因此颗粒物在流经壁面的过程中被捕集。颗粒物饼层过滤一般发生在当饼层的平均孔直径小于颗粒物平均直径时，因此颗粒物不能通过饼层的中的通道，被捕集筛选下来，形成新的捕集层。颗粒物饼层形成后，颗粒物饼层过滤成为主要过滤方式。因为颗粒物饼层沉积的平均孔径约为0.1um，饼层的过滤效率一般高于深床的过滤效率[45]。图2-1为颗粒物过滤的原理图。布朗扩散和直接拦截是颗粒物过滤的两种主要方式[46]。布朗扩散颗粒物在流体中并不遵循流线运动，而是遵循随机的布朗运动，因此小颗粒在低流速捕集过程中，布朗扩散占据主导作用。直接拦截发生在流线距离捕集体的距离小于颗粒物直径时。其余的机理，如重力沉降，惯性沉降和热迁徙等，对于小于1μm的粒径的颗粒物，捕集过滤作用并不明显[47]。a）布朗扩散b）直接拦截图2-1颗粒物过滤的原理图[46]Fig.2-1Schematicdiagramofparticlefiltration2.2.2颗粒物再生机理颗粒物被氧气氧化的真实的反应包含很多复杂的中间产物和中间过程，但其主要总包反应可以表示为：+1→+(1)（2-3）此处fCO为CO选择系数，是一个与温度相关的系数。此反应对反应温度的要求较高，一般要求排气温度高于550℃，而一般发动机的运行工况很难达到如此高的排气温度。Cooper等人最早[16]在研究中报道了NO2氧化排气中的颗粒物现象。颗粒物-NO2的起燃温度约为200℃，低于O2的起燃温度[20]。为了使得颗粒物NO2氧化反应速率高到可以氧化一定数量的颗粒物，需要排气中的NO2浓度较高。一般的技术手段是前置一个
【参考文献】：
期刊论文
[1]DOC+CDPF对生物柴油公交车排放特性的影响[J]. 楼狄明,张静,张允华,胡志远,谭丕强. 中国环境科学. 2017(11)
[2]后处理技术与生物柴油耦合作用对公交车排放特性的影响[J]. 楼狄明,朱思佳. 内燃机与动力装置. 2017(01)
[3]DOC+CDPF配方对柴油公交车颗粒物排放特性影响[J]. 楼狄明,万鹏,谭丕强,胡志远. 中国环境科学. 2016(11)
[4]基于DOC+CDPF技术的公交车燃用生物柴油气态物道路排放特性[J]. 楼狄明,张允华,谭丕强,胡志远. 环境科学. 2016(12)
[5]催化型连续再生颗粒捕集器对生物柴油发动机排放颗粒理化特性的影响[J]. 楼狄明,温雅,王家明. 环境科学学报. 2014(08)
[6]微粒捕集器连续再生速率与压降特性研究[J]. 龚金科,龙罡,余明果,王曙辉,刘云卿. 湖南大学学报(自然科学版). 2009(06)
[7]电加热柴油机再生排气微粒过滤器的研制与试验[J]. 严降龙,吴锋,冯安,胡章其. 农机化研究. 2002(04)
博士论文
[1]催化型微粒捕集器NO2高效利用及铈基复合再生机理研究[D]. 龙罡.湖南大学 2012
[2]轿车柴油机微粒捕集器工作过程数值模拟及再生控制策略研究[D]. 张辉.吉林大学 2011
硕士论文
[1]某款自主品牌乘用车排放控制策略的研究[D]. 李宁琳.华南理工大学 2017
[2]柴油机催化型微粒捕集器加载及再生性能研究[D]. 熊毅.广西大学 2016
[3]壁流式微粒捕集器连续再生特性研究[D]. 刘恒语.湖南大学 2012
[4]柴油车道路工况下动态排放及捕集器连续再生特性的模拟研究[D]. 陈晓明.北京交通大学 2008
[5]柴油机微粒过滤器连续再生的试验研究[D]. 苏庆运.大连理工大学 2001
本文编号：3340297
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