（车辆工程专业论文）壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 捅要 壁流式陶瓷颗粒过滤器是柴油车上有效净化碳颗粒的装置。随着汽车排放标准要求 的日益严格，在过滤器工艺的微观结构上、性能上提出了更高的要求，力求更高的过滤 效率、尽量低的排气阻力。 壁流式陶瓷颗粒过滤器内部由许多狭长的微通道组成。常规的流场模拟是将过滤器 整体看作多孔介质，得不到狭长微通道上的气流分布及粒子沉积浓度等特性参数。本文 的工作集中在狭长的微通道内部的流动特性分析，选取四个1 4 气道及四个多孔壁作为 计算区域，分析微通道壁面两侧的流动参数，寻求微通道结构尺寸的的最优值。主要考 虑了半边长分别为1 2 m m 、1 0 m m 、0 8 m m 的三种模型，应用f l u e n t 软件，建立了三 维六面体网格结构，用k - e 湍流模型进行了模拟，对其静压力场、速度场、碳颗粒浓度 场进行了分析。 不同边长微通道的计算结果表明，半边长为1 2 m m 的模型具有较低的排气阻力、 较好的碳颗粒沉积特性。针对半边长1 2 m m 的模型，选取入口速度分别为2 0 m s 、3 0 m s 、 4 0 m s 进行模拟，结果显示2 0m s 的模型具有较好的流动特性。据此得出，结构尺寸一 定的过滤器只能在一定的流动特性下得到理想的结果。 增加微通道边长和增加目数都有利于过滤效率的提高、排气阻力的降低。在过滤器 横截面积一定的情况下，过滤器的目数与孔道边长和壁厚的和的平方成反比。因此，为 提高过滤器性能而增加目数或增加边长是矛盾的。在两者不能兼得的情况下，增加目数 成为通常的选择，带来的问题是对工艺要求的提高。 现行的数值模拟方法对分析问题提供了便利，但对于多参数优化还有许多不足。 关键词：壁流式陶瓷颗粒过滤器；结构特性；f l u e n t ；数值模拟 壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析 a n a l y s i so ft h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ec e r a m i cw a l lf l o w f i l t e r a b s t r a c t c e r a m i cw a l lf l o wf i l t e ri sa l le f f e c t i v ec a r b o np a r t i c u l a t em a t t e rp u r i f i c a t i o nd e v i c eo n t h ed i e s e le n g i n ev e h i c l e a l o n gw i t ha u t o m o b i l ee m i s s i o ns t a n d a r dr e q u e s tm o r es t r i c t ，i nt h e c r a f tm i c r o s t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c e , s t r e n g t h e nr e q u i r e m e n tg r a d u a l l y , a c h i e v e sh i g h e r e 佑c i e n c y , l o w e re x h a u s tr e s i s t a n c e c e r a m i cw a l lf l o wf i l t e rm o d e li n c l u d e sm a n yn a r r a wm i c r oc h a n n e l s t h eu s u a lf l o w f i e l da n a l y s i so nt h ec o m p m e rc o n s i d e rt h ee n t i r ef i l t e r 勰p o r o u sz o n e ，c a nn o tg e t c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h em i c r oc h a n n e lf l o wd i s t r i b u t i o na n dp md e p o s i t i o nd e n s i t y t l l i sa r t i c l ef o c u s e so ni n t e r i o rf l o wq u a l i t ya n a l y s i so ft h el o n ga n dn a r r o wm i c r oc h a n n e l s e l e c t e d f o u r1 4c h a n n e l sa n dt h ef o u r p o r o u sw a l l s 弱t h ec a l c u l a t i o n , a n a l y s i so f m i c r o c h a n n e lw a l lo nb o t hs i d e so ft h ef l o wp a r a m e t e r s s e e ko p t i m u mv a l u eo ft h em i c r o c h a n n e ls t r u c t u r es i z e m a i n l yc o n s i d e ro ft h r e ek i n do fm o d e l sw h i c hw i d t ho fc h a n n l s r e s p e c t i v e l yi s1 2 m m ，1 0 m m ，0 8 m m ，u s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r e ，t h et h r e ed i m e n s i o n a l h e x a h e d r o nb o d ym e s hs t r u c t u r e h a sc a r r i e do nt h es i m u l a t i o nw i t hk t u r b u l e n c em o d e l ， a n a l y s i so ni t ss t a t i cp r e s s u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n d t h ec a r b o np a r t i c a ld e n s i t yf i e l d c o m p u t i o nr e s u l t so ft h ed i f f e r e n tw i d t ho fs i d em i c r oc h a n n e li n d i c a t et h a th a l fw i d t ho f t h e1 2 m mm o d e lh a sl o we x h a u s tr e s i s t a n c e ，g o o dc a r b o np e l l e td e p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c ， t h e ns e l e c t e dh a l fw i d t ho ft h e1 2 m mm o d e l f o l l o w e db yh a l fal e n g t ho f1 2 m mo nt h e m o d e ls e l e c t e do ft h ei n l e tv e l o c i t yo f2 0 m s ，3 0 m s ，4 0 m sf o rs i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l y , s h o w st h a t2 0 m sm o d e lw i t hab e t t e rf l o wc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h ea b o v eo b t a i n s ， c e r t a i ns t r u c t u r es i z ef i l t e rc a no n l yo b t a i nt h ei d e a lr e s u l tu n d e rc e r t a i nf l o wq u a l i t y i n c r e a s e st h ew i d t ho fc h a n n e la n dt h ei t e mo fn u m b e rt ob ea d v a n t a g e o u st ot h ef i l t e r e 硒c i e n c ye n h a n c e m e n t i nac e r t a i nc r o s s s e c t i o n a la r e a , n u m b e ro ff i l t e r si t e mw i t hc h a n n e l w i d t ha n dt h ew a l lt h i c k n e s so ft h es q u a r ei si nr e v e r s ep r o p o r t i o n t h e r e f o r e ，t oi m p r o v et h e f i l t e rp e r f o r m a n c et oi n c r e a s et h en u m b e ro fi t e mo rt oi n c r e a s et h ew i d t ho fs i d ei s c o n t r a d i c t o r y 纬西e nc a nn o tg e tb o t ho ft h e m 。i n c r e a s ea ni t e mo fn u m b e rt ob e c o m et h e u s u a lc h o i c e ，t h eq u e s t i o ni st h ee n h a n c e m e n to ft h et e c h n o l o z i c a lr e q u i r e m e n t t h ec u r r e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dp r o v i d e sc o n v e n i e n c et oa n a l y s i st h eq u e s t i o n , b u th a sm a n yi n s u f f i c i e n c i e st ot h em u l t i p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：c e r a m i cw a l lf l o wf i l t e r ；s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ；f l u e n t ：n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：壁尘垡堕玺墅幽墨壁壁丝幽 作者签名： 箕臣：望堡日期：垫望年兰月兰圭日 火连理丁大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：趟堕堕盏鲎鲞垒丝壁：些堑 作者签名： 导师签名： 日期：主鱼里簦年旦三月_ 三翌日 日期： 五受臣星年上k 月五竺日 大连理工人学硕士学位论文 1 绪论 1 1柴油机排气污染物的现状、排气构成 柴油机排放物包括多种成分，对大气环境和人类健康影响很大，并且已经被各国排 放法规限制的，主要为c o 、h c 、n o 。和p m 。这些污染物的生成机理如下。 1 1 1 一氧化碳的生成机理 c o 主要是燃料在燃烧过程中燃烧不充分造成的。部分燃烧产物c 0 2 和h 2 0 在高 温吸热产生热离解反应，也生成c o ；另外，在排气中，未燃碳氢化合物的不完全氧化 也会产生少量的c o 。柴油车与汽油车相比，c o 的排放量相当低，只有汽油车的1 1 0 。 c o 是一种无色无味的有毒气体，极易与人体内输送氧气的血红蛋白结合，它与血红蛋 白的亲和力要比氧气与血红蛋白的亲和力大2 1 0 倍。因此，一旦c o 进入人体体内，就 会削弱血液的输氧功能，从而造成人体体内缺氧，危害中枢神经系统【l 】。 1 1 2 碳氢化合物( h c ) 的生成机理 h c 主要包括未完全燃烧的h c 燃料及中间产物。燃烧室壁面激冷、燃料的不完全 燃烧是h c 化合物形成的主要原因。柴油车产生h c 约为汽油车的1 5 - 1 1 0 。h c 的成 分极为复杂，估计有一百多种成分，包括烷烃、烯烃、芳香烃和醛类等，它们来自未燃 的燃料和润滑油【2 1 。 h c 的成分多而复杂，部分成分被证明是致癌物质，如苯和多环芳香烃，它们在人 体内具有长期积累效应。苯是一种致癌物质，可引发人体血癌、贫血、血小板减少，粘 膜出血以及头痛、失眠和呕吐等症状。另外，汽车排放的h c 与n o x 在强烈的日光作 用下进一步发生光化学反应，生成毒性很大的光化学烟雾，对人体健康和生态环境都带 来严重危害1 3 j 。 1 1 3 氮氧化物( n o 。) 的生成机理 n o 。是柴油车排放控制的重点之一。n o x 生成于汽缸中高温高压的条件下，其主要 成分为n o 和少量的n 0 2 。n o 。排放随转速的具体变化规律与燃烧系统特性有密切关系， 如缸内涡流强度的变化规律，供气量和供油量的速度特性等。另外喷油正时对柴油机燃 烧过程有很大影响。n o 经排气管排放至大气的过程中，被氧化成n 0 2 。n o 是无色气 体，高浓度时会引起人体中枢神经瘫痪和痉挛。n 0 2 是一种红褐色具有刺激性的气体， 毒性约为n o 的五倍。n 0 2 具有强烈的腐蚀性，对人的呼吸系统具有刺激作用，会引起 咽炎、气管炎、肺炎等疾病。n o 。遇水易溶解，故其累积浓度不会过高，单独对大气环 壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析 境的危害不如c o 严重，但n 0 2 会参加大气中的光化学反应，形成光化学烟雾，毒性更 大【4 1 。 1 1 4 颗粒物( p m ) 的组成及生成机理 柴油机排气中的p m 主要由柴油中含有的碳产生，其生成的条件是高温和缺氧。由 于柴油机混合气成分不均匀，尽管总体是富氧燃烧，但局部缺氧还是会导致p m 的生成。 烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，它们不断脱 氢，聚合成以碳为主的碳烟晶核。气相的烃和其他物质在这个晶核表面的凝聚，以及晶 核相互碰撞发生聚集，使碳烟粒子增大。生成链状或团絮状的聚集物，这些聚集物最终 生成p m 5 卅。 柴油车排出的颗粒是汽油车的3 0 , - , 6 0 倍，这些颗粒包含在柴油车排出的黑烟中。美 国环保局定义柴油车排气颗粒为：柴油车颗粒是稀释到5 1 7 以下的柴油车排气流过带 有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，所收集到的除水以外的所有物质。总的来说，p m 由四种 基本物质组成：l 、固体物质( c ) ，即干碳颗粒，俗称碳烟，它是聚集物的核心部分； 2 、可溶性有机物( s o f ) ，即被吸附和凝结在碳颗粒表面的重烃，s o f 根据来源可分 为未燃燃料和未燃润滑油；3 、硫酸盐物质( s 0 4 ) ，即硫酸盐水合物，由于燃料中含硫 而产生；4 、灰分( a s h ) ，即润滑油燃烧后的产物，主要包含c a 、p 、s 、z n 、m g 、 p m 等金属物质。柴油机的负荷和转速决定了p m 的具体混合成分和比例。颗粒被美国 环保局证实含有多种对人体有致癌作用的物质，如多环芳烃( p a h s ) 。p a h s 是含有两 个以上的苯环的碳氢化合物，大多数是已知的致癌物。在柴油车排气中p a h s 已被分解 成气体和颗粒，其中大多数有害混合物夹带在p m 有机物中。p m 的危害性不仅是产生 难闻气味和可见污染物，更重要的是它直接危害人的身体健康。近几年来，研究成果表 明，颗粒排放( 特别是粒径小于2 5 u r n 、可被人们吸入的颗粒) 将会是最严重的城市污 染问题；卫生学家的研究结果表明，许多人类发病率的增高与空气中的颗粒物，尤其是 柴油车排出的细颗粒物密切相关，美、德等国研究指出，吸入的颗粒浓度与患肺癌的概 率相关；美国环保局试验证明，吸附在颗粒表面的s o f 具有诱变作用，其组分的9 0 以上为致癌物质。因此，颗粒排放的严重危害性一直是制约柴油轿车在我国大规模使用 的主要原因【7 1 0 j 。 人连理工大学硕十学位论文 1 2 排放物中颗粒物的净化技术、柴油机排放标准 1 2 1排放物中颗粒物的净化技术 机内净化技术一直是柴油机研究的重点，主要措施：通过使用先进的燃油喷射系统， 如使用高压共轨系统、单体泵、单体喷油器等，提高喷油压力，降低p m 排放；利用先 进的电控技术，对喷油量、喷油提前角、喷油速率、增压器可变涡轮截面等进行最优控 制；改进燃烧室结构，优化燃烧体系；必要时采用e g r 降低n o x 排放。实践证明：冷 却式e g r 可显著降低n o x 排放。 但随着排放法规日趋严格，机内净化技术在进一步降低柴油机微粒排放的问题上遭 遇瓶颈。这主要是因为： 1 、从燃烧的角度，解决柴油机的微粒物排放已接近极限。目前，微粒排放有较大 的降低，是在采用了几乎所有的现代柴油机技术的基础上取得的，在没有新技术出现的 情况下，仅仅靠对已有技术进行改进和优化来进一步降低柴油机微粒物排放已经没有多 大潜力。 2 、机内净化技术给柴油机的微粒排放控制带来了新的课题。如，在采用了柴油高 压喷射技术后，虽然柴油机的微粒总质量大幅度减少，但微粒的数量却反而有所增加。 这些微粒体积和质量远小于以前，但其所造成的危害却很大。 3 、改进燃油品质来降低微粒排放的前景也被证实与人们所期待的效果相差甚远。 一些专家使用了一种特殊的柴油( 不含s 、不含芳香烃，十六烷值6 2 ) 与瑞典的标准柴 油( s 含量为4 0 0 p p m 、芳香烃的质量分数为3 0 ，十六烷值为4 8 ) 进行对比，微粒的 排放只减少了1 0 。而这种特殊柴油价格相当昂贵，且不能通过石油直接炼制。 上述三个方面的问题增加了柴油机微粒排放机内控制的难度，因此为进一步降低柴 油机微粒排放，仅仅依靠机内净化技术是难以为继的，柴油机微粒排放后处理技术的发 展成为一种必然趋势。国内外研究的微粒后处理方式主要有等离子净化法、静电分离法、 溶液清洗法、离心分离技术和微粒捕集技术等。 微粒捕集器技术是目前国际上公认的最为有效的柴油机排气微粒后处理技术，也是 目前国际上商用前景最好的排气微粒后处理技术。微粒捕集器安装在排气管中，当排气 通过微粒捕集器时，排气中的微粒被微粒捕集器中的滤芯捕集，达到捕集的目的。微粒 捕集器的关键技术是过滤材料的选择以及过滤体的再生，其中又以后者尤为重要【1 1 。1 3 】。 随着时间的推移，过滤体内沉积的微粒越来越多，使得发动机排气阻力逐渐增加， 从而会降低发动机的输出功率、增加燃油消耗量。因此，必须采用适当的方法将微粒清 除，这个清除微粒的过程被称为再生。 壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析 再生技术主要分为主动再生技术和被动再生技术两大类。主动再生技术是指通过外 界能量加热，提高柴油机的排气温度或过滤体温度，使过滤体内沉积的微粒达到起燃温 度而氧化燃烧。如电加热再生、喷油助燃再生、红外加热再生、微波再生、逆向喷气再 生等；被动再生技术是指通过在燃油中或过滤表面加入催化剂，降低微粒的起燃温度， 使得微粒在正常的排气温度下就能氧化燃烧。如催化再生、连续再生等【悼1 9 】。 1 2 2 柴油机排放标准 1 、欧洲体系 对总重3 5 t 以上柴油车排放污染物，表1 1 、1 2 、1 3 指出了相关的排放限值。 表1 1 生产一致性试验限制 t a b 1 1t h ec o n s i s t e n c yo f p r o d u c t i o nt e s tl i m i t a t i o n s 对所有柴油车和柴油机，按照e c e r 2 4 法规或7 2 3 0 6 e e c 指令检查烟度，包括全 负荷稳态转速试验和自由加速试验。 p m 限值由欧1 的0 6 8 9 k w h 或0 4 9 k w h 降到欧2 的o 1 5 9 k w h 。 表1 2e s c ( 欧洲稳态循环) 和e l r ( 欧洲负荷烟度试验) 试验限值 t a b 1 2t e s tl i m i t so fe s c ( e u r o p e a ns t e a d y - s t a t ec y c l e ) a n de l r ( e u r o p e a nl o a ds m o k er e p o r t ) 实施阶段 c o h cn o xp m 烟度 ( g k w h ) ( g k w h ) ( g k w h ) ( g , x w h ) a ( 2 0 0 5 ) 2 10 6 65 0 0 1 0 ，0 1 3 0 8 b l( 2 0 0 5 ) b 2 ( 2 0 0 8 ) 1 5 1 5 0 4 6 0 4 6 3 5 2 0 0 0 2 0 0 2 o 5 0 5 c ( e e v ) 1 50 2 52 0o 0 2o 1 5 欧3 ：a 阶段欧4 ：b 1 阶段欧5 - b 2 阶段 大连理t ：大学硕十学位论文 b l b 2 c 4 0 4 0 3 0 表1 3e t c ( 欧洲瞬态循环) 0 5 5 0 5 5 0 4 0 3 5 2 o 2 0 0 0 3 o 0 3 0 0 2 1 1 1 1 0 6 5 仅对天然气发动机 不适用于第3 、4 、5 阶段的燃气发动机 对每缸排量低于0 7 5 d i n 3 , 额定功率转速超过3 0 0 0 r r a i n 的发动机 2 0 0 9 年9 月1 日起，欧洲实行欧5 标准。柴油和汽油基本型车用车( 轿车) 及轻型 商用车，p m 比目前限值降低8 0 ，为0 0 2 9 k w h 。 2 0 1 4 年9 月1 日起，欧洲实行欧6 标准。n o x 比目前限值降低6 8 ，为2 0 9 k w h 。 2 、美国体系 美国体系有联邦法规和加州法规，加州更严些。1 9 6 8 年开始控制汽车排放，试验循 环规范有f t p 7 5 和sf t p 。2 0 11 年到2 0 1 3 年，美国联邦法规，重型柴油汽车p m 限值 将加严为0 0 1 - 0 0 2 9 p s h 。2 0 11 年至2 0 1 4 年，n o x 限值将加严为0 3 9 p s h 。 表1 4 美国联邦轻型柴油车排放限值 t a b 1 4a m e r i c a nf e d e r a ll i g h td i e s e le m i s s i o n sl i m i t s 表1 52 0 0 4 年后美国联邦重型柴油发动机排放限值单位：g p s h t a b 1 5a m e r i c a nf e d e r a lh e a v y - d u t yd i e s e le m i s s i o n sl i m i t se v e l s i n c et h ee n do f2 0 0 4 u n i t ：g m i l e 一5 一 壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析 表1 62 0 0 7 年起美国联邦重型柴油车排放限值单位：g m i l e t a b 1 6a m e r i c a nf e d e r a lh e a v y - d u t yd i e s e le m i s s i o n sl i m i t se v e rs i n c et h ee n do f2 0 0 7 u n i t ：g m i l e 3 、日本体系 日本体系很早就注重h c 和p m 的排放控制。日本的排放限值规定了两个数值，即 最高值和平均值。任何车祸发动机的排放量不能超过最高值。在规定期间，工厂按一定 百分数抽取某一型号的车或发动机，所测得的排放平均值不能超过限制规定的平均值。 对于年销量不超过2 0 0 0 辆的汽车，则以最高值作为限值【2 0 之1 1 。 表1 72 0 0 3 年l o 月1 日起重型柴油车排放标准 t a b 1 7h e a v yd i e s e lc a re m i s s i o ns t a n d a r de v c rs i n c eo no c t o b e r1 ，2 0 0 3 表1 82 0 0 5 年底起实施的重型柴油车排放标准 t a b 1 8h e a v yd i e s e lc a re m i s s i o ns t a n d a r de v 盯s i n c et h ee n do f2 0 0 5 p m 限值由2 0 0 3 年的o 1 8 9 k w h 或0 2 5 9 k w h 降到2 0 0 5 年的0 0 2 7 9 k w h 。 4 、中国的排放法规 我国的排放法规主要参考欧洲标准而定。2 0 0 1 年第一阶段p m 限值0 6 8 9 & w h ，2 0 0 4 年9 月1 日起第二阶段p m 限值o 1 5 9 k w h ，2 0 0 7 年1 月1 日起第三阶段p m 限值 0 10 9 k w h 。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 要实施国三标准需要汽车自身技术升级、企业技术改造、低硫燃油的供应等。而 要达到国三标准规定的燃油需要l s 0 p p m 的含硫量，至少要到2 0 0 9 年底才能满足，困难 很大。中国根据自己国情走适合自己的道路，更合理些。 1 2 3 壁流式陶瓷过滤器随柴油机排放标准发展的历程 壁流式陶瓷过滤器( d p f ) 的发展是一个从无到有的过程，并且日渐严格，要求越 来越高。 从上世纪7 0 年代开始控制排放起，人们对柴油机微粒排放及其后处理技术进行了 广泛而深入的研究，从上世纪8 0 , - , 9 0 年代，柴油机主要依靠技术的进步进行机内净化， 从源头上控制污染物的生成。如改进喷油器，采用涡轮增压，优化燃烧，电子控制，废 气再循环等技术，可以达欧3 水平，此时p m 限值o 1 0 9 k w h 。到9 0 年代后期，排放 法规日益严格，为了有效控制污染物的排放，机内净化已经不能满足排放的苛刻要求， 需要进行机外处理，迫使人们进行复杂而又昂贵的排放后处理系统的研发。 在欧洲，处理微粒方面，只有采用d p f ，其目前主要应用在西欧柴油轿车上。为达 到欧4 排放，目前西欧原装厂商较大多数是通过选择性催化器达到指标，其余厂商应用 废气再循环配合捕集器或氧化催化转化器( d o c ) 。利用发动机n o x 与p m 两者相互 制约的关系，调整发动机设置，在允许加重n o x 的基础上，在源头达到p m 指标，再 通过s c r ( 选择还原催化转化器) 来控制n o x 排放使其达到指标。对于欧5 ( 2 0 0 8 ) ， 如果法规规定必须控制微小颗粒，捕集器的安装将不可缺少，而对于欧6 ( 2 0 1 0 , - , 2 0 1 3 ) ， 虽然首先也是通过降低燃烧温度来减少n o x 发生，再加上s c r 控制排放使其达到指标， 但捕集器是颗粒排放控制的必要途径，尤其针对微小颗粒p m 2 5 指标【2 2 j 。 在北美，为达到u s 2 0 0 7 2 0 1 0 法规，重型柴油汽车p m 限值将加严为0 0 1 o 0 2 g p s h ，将被广泛予以应用在重型柴油车排放后处理方面，倾向于采用e g r + d p f 技术。 纵观欧洲和北美地区控制柴油机n o x 和p m 的技术历程，我们不难看到：d p f 开 始是可以避开的，但最终使用却无法避免。日本d p f 技术发展也较先进，并且在细节 上提出了许多构想。我国目前正处于决定使用何种技术路线来满足日益严格排放法规的 关键时期，能否正确地决策关系到国计民生，具有重大的社会和经济意义。 1 3 壁流式陶瓷过滤器材料及参数选取 柴油机排放存在多种污染物，主要为氮氧化物和微粒。颗粒过滤器是现在公认的有 效微粒排放净化技术，捕集效率最高可达9 5 以上。 现在国外的壁流式陶瓷颗粒过滤器制造水平，美国和日本已基本成熟。我国对壁流 式陶瓷过滤体的开发研究也达到一定水平。对过滤体的基本要求是：有较高的过滤效率、 壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析 较低的排气阻力、较好的再生性，还要保持一定的强度，使用中具有一定的耐久度【2 3 1 。 困扰壁流陶瓷过滤体的主要问题是：高的捕集效率和低的排气阻力不能兼得。要使压力 损失大幅度降低，就要求高的孔隙率，而高的孔隙率就会导致p m 捕集效率降低，此外， 还会使产品的制造强度降低，制造工艺恶化。 1 3 1 过滤体材料 陶瓷及过滤材料，主要由氧化物或碳化物组成。堇青石蜂窝陶瓷过滤体的使用寿命 相对较短，主要原因有两点：1 、发动机的工作热循环引起过滤体尺寸的交替振动，导 致过滤材料的持续退化；2 、在再生过程的高温下，导热系数小得堇青石容易受热不均 导致局部烧熔或破裂。碳化硅( s i c ) 自1 9 9 3 年以来得到广泛重视，s i c 具有更好的热 稳定以及更高的热导率【2 9 1 。壁流式蜂窝陶瓷呈现各向异性，其径向热膨胀系数是轴向的 近两倍，因此其径向上的温度梯度应尽量小，根据国外最新研究，温度梯度保持在3 5 。c c m 以下方不会导致热应力损伤【2 4 】，这是热再生需要注意的问题。 陶瓷及过滤材料都存在一个致命的弱点：容易受到颗粒物表面吸附的氧化物化学侵 蚀。如z n o 、c a o 、v 2 0 5 、p b o 和n a 2 0 分别在1 0 0 0 、9 0 0 、7 5 0 、5 5 0 、5 0 0 与堇青石发生固体扩散反应，生成热膨胀系数不同的产物，导致再生时的高温过程产生 裂纹。n a 2 0 在5 5 0 。c 开始溶入s i 0 2 表面保护层，反应生成n a 2 0 s i 3 玻璃相，莫来石是 最有希望的替代材料之一，它不与c a 、z n 或v 的氧化物发生反应，和n a 2 0 与p b o 的 反应温度比堇青石的温度要耐2 5 1 。 1 3 2 数学优化法确定过滤体的结构参数 过滤体结构参数主要为：过滤体直径( d ) 、过滤体长度( l ) 、通道数( n ) 亦即 孔密度、通道边长( a ) 、孔隙率( ) 、微孔直径( d d ) 和孔道壁厚( w ) 。 微粒净化率： dd r = = 盟1 0 0 ( 1 1 ) 玩 鼠：净化前的波许烟度( r b ) ，蜀：净化后的波许烟度( i 曲) 。 压力损失为前后的压力差p = p 1 伽。油耗上升了3 5 时的压力损失为上限，以 此为标准值，排气背压上限在2 0 - 2 7 k p a 为宜。 事实上根据前人研究，壁流式蜂窝陶瓷过滤体的孔隙率和陶瓷微孔直径d 。与壁 流式蜂窝陶瓷壁面渗透率k 有如下关系： 人连理工大学硕士学位论文 七= 1 5 0 旦( 1 - 可) 珥 ( 1 2 ) 2 p 由式可知，增大孔隙率或增大微孔直径均使渗透率增大，对降低压力损失有利，不 利于提高捕集效率。 孔隙率和微孔直径是微观结构参数与过滤体的原料配方及烧结工艺等有关，为保持 过滤体的高孔隙率、较大的微孔孔径和较低的热膨胀系数，烧结工艺为：升温速率 1 5 0 1 8 0 h ，烧结温度1 3 2 0 - - 1 3 5 0 ，保温时间蛐h 。 文献 2 6 】，用数学优化的方法，根据排量的不同确定参数具体范围。壁流式过滤体 的参数优化是个多参数、有约束、非线性静态问题，用单纯性优化方法。首先对通道边 长壁厚进行区域分析，在一定范围内确定较优参数，再利用图形分析法对微观参数孔隙 率和微孔径进行二次优化。 表1 - 9 排气流量小于0 2 m 3 s 过滤体的优化参数范围 t a b 1 9t h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e rr a n g e so ff i l t e rt h a te x h a u s tf l o wi sl e s st h a no 2 m 3 s 表1 1 0 排气流量小于0 5 m 3 s 过滤体的优化参数范围 t a b 1 1o1 1 1 eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e rr a n g e so ff i l t e rt h a te x h a u s tf l o wi sl e s st h a n0 5 m 3 s 壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析 表1 1 1 排气流量小于1 2 m 3 s 过滤体的优化参数范围 t a b 1 11t h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e rr a n g e so ff i l t e rt h a te x h a u s tf l o wi sl e s st h a n1 2 m 3 s 从表中分析，速度是更小些好，实际排气速度受发动机转速及各种工况影响，无法 改变。 1 3 3日本在制造上做的改进 日本在2 0 0 6 年，针对本国2 0 0 5 年1 0 月实施的四星排放限值p m ( o 0 2 7 9 ( k w h ) ) ， 研究开发出了超低p m 大型商用车用陶瓷过滤器。 他们的作法主要对高气孔率堇青石( 5 s 1 0 2 2 a 1 2 0 3 2 m g o ) 陶瓷过滤器基材的细孔 结构进行了优化。 蜂窝结构孔密度2 6 0 i n 2 ，区别于以往1 0 0 i n 2 ，2 0 0 m 2 。 细孔分布相对于传统材料的孔隙率5 5 与平均微孔直径8um ，分别采用6 5 和2 0 1 tm ，前提是承载催化剂。承载之后，被填没的5um 以下的微小细孔不会增加，也限 制了会引起p m 捕集率和强度下降的1 0 0 um 以上细孔的增加。 细孔形状呈球形，在孔道壁表面形成收缩的形状，成为“墨水瓶形状”，这样很容 易在早期生成p m 饼层，这种饼层是纤维状微小粒子的集合体，作为纳米过滤器，可在 不使压力损失严重情况下捕集微小粒子尺寸的颗粒【2 7 1 。 经实验比较得知：这种经过细孔分布和细孔形状控制优化后的过滤器，实现了高的 p m 捕集率和低压力损失的兼顾。另从燃油耗压损性能来看，大型整体成型结构是有利 的。具有良好的利用价值和市场前景。 1 4国内外相关内容研究进展 近二十年来，国外研究者对颗粒过滤器的流动以及再生数学模型进行了大量的研 究。 j o h n s o n 于1 9 8 9 年建立了维壁流式蜂窝陶瓷过滤体单孔道流动的数学模型以及 球形基捕集理论嘲1 ，研究了干净壁流式蜂窝陶瓷过滤体的压力损失和捕集效率； 人连理工大学硕+ 学位论文 o p r i s 于1 9 9 8 年建立了壁流式碳化硅过滤体单孔道的二维流动数学模型1 ，研 究了孔道二维流动特性以及微粒在孔道内的沉积规律。 k o n s t a n d o p o u l o s 于2 0 0 1 年建立了壁流式蜂窝陶瓷过滤体单孔道三维流动数学模 型b ，研究了由于惯性造成的一部分压力损失，为更精确地预测过滤体的压力损失奠定 了基础； p a r a s c h i v o i u 于2 0 0 1 年建立了包括扩口、过滤体、缩口在内完整的颗粒过滤器流 动模型口到，研究了颗粒过滤器系统流动的均匀性； z z h a n g 与s l y a n g 于2 0 0 2 年建立了二维壁流式蜂窝陶瓷过滤体单孔道流动及 传热的数学模型口3 1 ，描述了过滤体的流动、传热以及再生特性，研究了长径比、入口排 气温度、排气速度对过滤体压力损失的影响以及微粒初始沉积质量对再生过程下过滤体 温度的影响； 目前国内对颗粒过滤器对理论模型的研究处于起步阶段。 宋金瓯于2 0 0 1 年建立了颗粒过滤器系统的一维流动模型阻1 ； 姚春德于2 0 0 4 年建立了壁流式蜂窝陶瓷过滤体阻力特性的数学模型口朝，对过滤体 内的阻力特性和颗粒过滤器系统内部的气流运动进行了数值研究； 龚金科于2 0 0 6 年建立了壁流式蜂窝陶瓷过滤体内部稳态层流流动的c f d 仿真模型 啪3 ，研究了过滤体内部流动特性。 2 0 0 6 年，宁智、资新运等提出柴油机用壁流式过滤体结构参数优化啪1 。指出用一种 区域优化与二次优化相结合的优化方法。利用区域优化确定了过滤体过滤通道宽度和过 滤壁面厚度，利用二次优化确定了过滤体孔隙率和微孔径，得出了不同规格过滤体在不 同过滤效率下的优化结构参数范围。 1 5 本课题的研究内容及意义、 颗粒过滤器是降低汽车有害物p m 排放的有效装置，已成为现代汽车满足欧3 以上标 准不可缺少的一个组成部分。 以往采用的针对不同设计方案分别试制样品、再进行试验分析后才能确定设计方案 的模式已经无法满足市场需要。随着商用计算软件的日臻完善及各行业对计算方法和结 果评价方法的标准化要求的提出，使得利用数值模拟的手段解决产品开发研制中的问题 成为可能。基于计算流体力学开发出的通用计算软件是目前用于解决三维流动问题的有 效手段。人们采用数值模拟的方法来研究过滤器的流动特性，期望为过滤器的优化设计 提供指导，从而可以减少试验工作量，缩短设计周期。 本课题属汽车排气与净化研究领域，主要工作包括以下几个方面的内容： 壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析 1 、对前人的工作进行较系统的归纳总结，指出壁流式陶瓷过滤器材料、结构参数 选取的一般方法。 2 、利用计算流体力学软件f l u e n t ，对壁流式颗粒过滤器微元管模型进行了全六面 体网格划分。 3 、在壁流式颗粒过滤器的三维稳态流动数值模拟过程中，进行网格生成、网格质 量检查、边界条件设置及结果分析方面。 4 、通过计算，得到壁流式颗粒过滤器微元管内部的压力场、速度场以及浓度场。 用详细的流场图，进行分析、比较，确定各个参数的取值范围，进一步修正模型，从而 为模型建立的科学性提供理论依据。 此文总结归纳前人壁流陶瓷颗粒过滤器结构特性，得出一般性规律。而后对壁流式 颗粒过滤器微元管用f l u e n t 中的g a m b i t 软件建立三维立体模型建立模型，再导入到 f l u e n t 中软件计算，用t e c p l o t 进行后处理分析。 1 6 本章小结 1 、壁流式陶瓷颗粒过滤器的出现和发展，是与人们关注柴油车排放污染程度密不 可分的。并且随着柴油机排放标准的提高，对过滤器的微观结构及制造工艺提出了更高 的要求。 2 、壁流陶瓷颗粒过滤器的材料、再生方法是通常研究过滤器的两大内容，作者认 为研究过滤器的尺寸结构也应该成为一大内容，进行关注，以期达到最优。 3 、试验观测的方法、数值模拟的方法和数学优化的方法，是研究流体问题的重要 组成部分，各有优点，应该相互补充，取长补短。 大连理工大学硕士学位论文 2 数值模拟基础 2 1计算流体动力学 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数值计 算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。c f d 的 基本思想是：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上 的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关 系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位 置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的 变化情况，确定漩涡分布规律等。还可进行结构优化设计等。 c f d 方法与传统的理论分析法、试验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。 理论分析方法的优点在于所得到的结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指 。导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽 象和简化，才能得到理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。 试验测量方法所得到试验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要 性不容低估。然而，试验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全及测量精度的限制， 有可能很难通过试验方法得到结果。此外，试验会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗 费及周期长等缺点。 c f d 方法克服前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计 算机上做一次物理试验。数值模拟可以形象地再现流动情景，基本可验证试验结果。 c f d 的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性的， 自变量多，计算域的几何形状和边界