（工程热物理专业论文）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.pdf

l 窳交逶大学矮圭学位论文 孛文攘要 中文摘要 攒黉；夔着柴洼车微粒物驰薅放；l 起人髓静离度关注窝全球范隧内攘藏法褒斡目 盏黟格，蔷大紫漓车囊声囊纷绣采取耱应臻麓霹徽蕴凌接敖透纷控涮。微裢薅集 器憝最为有效的控制方法之一。再生技术怒捕集器应用过程中的荚键技术。目前 国内对微粒捕集器连续稃生技术的研究与国外还存在着一定的差距。本文首先对 柴油率在道路工况下动态排放特性进行研究，然后基于动态排放特性，研究分析 了微粒捕集器连续再生糁饿，荠对影响搪集器连续再生特性的夔瑟因素展开礤究。 疲矮g t - p o w e r 软襻建立了6 1 1 4 涡轮臻蘧柴涟援魏工终避疆镑奏诗募攘鍪， 并掇出了利用神经网络技术对仿真结果进行数据处理豹新方法，懑过对仿真结栗 和实验数据的比较，验诫了仿真模型的可信饿及利用神经网络处理数据的可行性。 在此撼础上利用g t - d r i v e 软件建立了柴油车模型，并对该柴油机与整车进行了 延酝研究，获得了满意的程配结果。 镑对廷配鳋熬装滚鬈透孬了萁遂路工凝下动态攘藏特毪谚灸。在g t - d r i v e 孛横缀柴油车在美国、欧洲、日本道路工况下进行，获得了柴油牵道路工况下动 态排放特性，在此基础上进行了道路工况、率速和加速度、驾驶行为以及载荷的 改变对柴油车动态排放特性影响的研究，获得了影响因素对柴油率动态排放特性 的影响规德。此外，对柴油车道路工况下动态排放特性的研究为捕粲器连续再生 磷究援供数撂。 针对微粒箍集器遴符了连续再生蒋性鹣磷究。建立了描述猜集器连续再生过 程的数学模型：n o 催化转化器数学模型和微粒捕集器再生数学模溅：基于柴油车 动态摊放特性，对道路正况下微粒捕集器连续再生过程进行了模拟研究；研究分 析了捕集器初始沉积量、柴油车加载变化、n o 催化转化器中催化荆老化和捕集器 霞臻馕纯裁涂层等因素瓣攘集器连续再生黪壤救影噻，莠获霉7 影豌因素霹微粒 擒鬃嚣连续荐生特性稳影响规律。 关键词：增压柴油机；题配；道路工况；动态 j 放特性；微粒捕熊器；连续再生： 模拟研究 分类母； 1 虹 窳交逶大学硕圭学位论文 a b s t r a c t a 黔s t r a e kp a r t i e u l a t em a t t e r 翟鞠e m i s s i o n sa t ec u r r e n t l yt h ef o c u so fm u c h a t t e n t i o n , a n dd i e s e le m i s s i o nl e g i s l a t i o nc o n t i n u e st ot i g h t e na r o u n dt h ew o d d - t h e m a i o rm a n u f a c t u r e r so f d i e s e lv e h i c l e sh a v ea d o p t e dc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st oc o n t r o l p a r t i c u l a t ee m i s s i o n s t b ed i 鼯e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p f ) i sc o n s i d e r e dt h em o s t p r o m i s i n gs o l u t i o nt or e d u c et h el e v e lo fp me m i s s i o i i st ot h ea m b i e n tb a c k g r o u n d l e v e l s 啊1 em o s ti m p o r t a n ti s s u ew i t hd p fi sf i l t e rr e g e n e r a t i o n a tp r e s e n t , t h e r ei sa c e r t a i ng a pb e t w e e nt h es l l l d i e so nt h ed o m e s t i cc o n t i n u o u s l yr e g e n e r a t i n gt r a p s ( c r t ) a n dt h eo n e sa b r o a d 。i nt h i s 聱黼t h ed i e s e lv e h i c l ee m i s s i o nb e h a v i o ri nt h et r a n s i e n t c o n d i t i o n so fd r i v i n gc y c l e sh a sf i r s tb e e n s t u d i e d , m o r e o v e r , t h er e g e n e r a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h ec r ts y s t e ma n dt h ee f f e c to fs o m ei m p o r t a n tf a c t o r so nt h e r e g e n e r a t i o np e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e db ym a d eu s e o f t h ee m i s s i o nb e h a v i o r 骶l cg t - p o w e rs i m u l a t i o nm o d e lo f 6 1 1 4t u r b o - c h a r g e dd i e s e le n g i n ew a sb u i l tu p a n db a s e d0 1 1t h i sm o d e lt h ep e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n ew a ss i m u l a t e d , b e s i d e s , t h e s i m u l a t e dd a t ew a sd e a lw i t hb ym a d eu s eo fb pn e t n a ln e t w o r k s 1 套er e s u l t ss h o wt h a t t h ec a l c u l a t e dv a l u e sa g r e ew e l lw i t ht e s t e dv a l u e s s oi ti sp r o v e dt h a tt h es i m u l a t i o n m o d e li sc r e d i b l ea n dt h em e t h o do fb pn e u r a ln e t w o r k st od e a lw i t hd a t ei sf e a s i b l e f u r t h e r m o r e , t h eg t - d d v es i m u l a t i o nm o d e lo fd i e s e lv e h i c l ew a sb u i i tu p , a n db a s e d o nt h i sm o d e lt h em a t c hb e t w e e nd i e s e le n g i n ea n dv e h i c l ei si n v e s t i g a t e d ，a n dt h e r e s u l t so f m a t c ha r es a t i s f a c t o r y b a s e d0 nt h e 镄：蹦v em o d e lt h ed i e s e lv e h i c l ee r l i 醯o ub e h a v i o ri nt h et r a n s i e n t c o n d i t i o n so ff i p 7 5 赫r i n gc y c l e , n e d cd r i v i n gc y c l ea n d 糟n l o l 5 d d sd r i v i n g c y c l eh a sb e e ns i m u l a t e d 硼豫v e h i c l ee m i s s i o nb e h a v i o ri nt h et r a n s i e n tc o n d i t i o n sa n d t h ee f f e c to f d r i v i n gc y c l e , s p e e d , a c c e l e r a t i o n , d r i v i n gb e h a v i o ra n dl o a do ne m i s s i o n s w e r ei n v e s t i g a t e d b ym e a n so fs i m u l a t i o n , t h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r so ne m i s s i o n b e h a v i o ri sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d b e s i d e s t h er e s e a r c ho nt h ee m i s s i o nb e h a v i o r s u p p l i e dt h ed a t af o rt h es i m u l a t i o no f c r t 曩托r e g e n e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ec r ts y s t e mw a si n v e s t i g a t e d f i r s t , t h e m o d e ld e s c r i b i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h ec r ts y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t 拉sm o d e l c o m p r i s e st w ob a s i cc o m p o n e n t s ：1 ) ai - dn oc o n v e r t e rm o d e l , a n d2 ) ai - dd p f m o d d s e c o n d l y , b a s e do nt h ee m i s s i o n sb e h a v i o ri nt h et r a n s i e n tc o n d i f i o n s t h ec r t s y s t e ms i m u l a t e do v e rt h ed r i v i n gc y c l e 低r e g e n e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ec r t s y s t e mw a si n v e s t i g a t e d a n dt h e n , t h er e s e a r c ho nt h ee f f e c to f t h ei n i t i a ls o o t1 0 a do f d p 致t h el o a do f v e h i c l e , t h ea g e dc a t a l y s to f n oc o n v e r t e ra n dt h ef i l t e rc o a t e dc a t a l y s t 0 1 1t h er e g e n e r a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ee 盯s y s t e mm sb e e no p e r a t e d 飘l ei n f l u e n c eo f t h e s ef a c t o r so ne m i s s i o nb e h a v i o ri sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d k e y w o r d s ：t u r b o - c h a r g ed i e s e le n g i n e , m a t c h , d r i v i n gc y c l e , e m i s s i o nb e h a v i o r , d p f c r t , s i m u l a t i o n c k a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学薤论交终者宠全了鼹家交逶大学蠢关穰整、镬焉学绞谂支戆蔑定。褥 授权北京交通大学可以将学位论文的全部域部分内容编入有美数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁擞。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说骧) 攀整论文孬者签名：惫移嘁 簸字日期：弦7 年2 月如日 罢藤签名：乡留 签字日期：翱年，2 月2 口日 北京交通大学硕士学位论文 独e 性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文孛特别舾戳标浚髑致澎之姓努，论文孛不蔻禽茭经人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的树料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了暖确熬说臻著表示了谢意。 学位论文作者签名：侨嫒娴 签字日期：1 驷7 筚7 2 胃印臼 1 1 6 致谢 本论文夔工箨蔻褒我夔导努宁警教授瓣悉心爨导下完裁戆，宁磐教授严谨熬 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在诧裘心感谢两年多来宁 智意师对我的关心和指导。导师宁智教授渊博的知识、开阔的视厮、新颖的思路、 洞察分析问题的能力、对事业的追求和科学的治学态度，给我留下了深刻的印象。 两年多救学习和工作馒我的专业知识和科研戆力德到了很大的率富窥提高，为今 嚣获事稳骚工嫠葵定鍪实熬基疆。 在撰写论文麓闽，聂磊、卢晓等同学对我论文的研究王髂给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 特别感谢我的女发张圣英，她的支持_ 秘鼓励使我能够坚持完成我的学业。 簸螽衷心感落在露聚孛谨事奉论文豹磁霞专家。 l 绪论 1 1 研究工作的背景 l 绪论 石油资源的减少以及温室效应的加剧，对机动车的燃油消耗率和c 0 2 排放提 出了严格的要求，柴油机以其良好的经济性、动力性和低c 0 2 排放日益受到重视。 在全球范围内，被广泛地应用于车辆、工程机械和船舶等动力机械中【1 1 。目前，重 型运输车辆多以柴油机为动力，轿车引擎柴油机化也已成为汽车的发展趋势。但 随着柴油车的日益增多，柴油车的排放对环境和人类健康的危害日益严重，各国 政府对此非常重视，并制定了相对严格的排放标准对柴油机进行限制。 对于车用柴油机而言，微粒和n o x 是需要控制的有害排放物之一，其对大气 环境和人类健康具有相当程度的危害。柴油机排放的微粒物由碳烟、可溶性有机 成分和硫酸盐组成 2 】。n o x 的种类很多，排气中常以几种氮氧化物的混合气体存 在，其中主要组成为n o 和n c h ，总称为氮氧化合物( n o x ) 。 欧美国家的研究表明，医院哮喘病发病率、进医院的人数以及死亡人数都会 随着大气中的颗粒浓度增加而增加，其中同p m 25 的相关性最强。世界卫生组织的 一份报告中认为交通污染引起的死亡高于交通事故，该报告特别考察了小颗粒对 人群健康的影响，同时还指出，虽然交通污染造成了p m 污染的1 3 ，但在城市达到 了5 0 。美国联邦环保局( e p a ) 的a m e s 等人的毒性试验证实，柴油机微粒中s o f 的 毒性比汽油机大得多，吸附在碳粒表面的可挥发性和可溶性物质具有诱变作用， 这些诱变物9 0 以上是致癌物。 另外，大气中颗粒物对能见度的影响也一直是环保部门所关注的问题之一。 虽然气溶胶只占大气很小一部分，但在城市中气溶胶对大气的光学性质影响可达 9 9 。气溶胶中p m l o 和p m 2 5 的性质与能见度的降低密切相关。能见度的降低主要 表现为物体和环境之间失去了对比度，这是由于大气细颗粒和气体污染物对光的 吸收和散射减弱了光信号所致。p m l o 和p m 25 对光的散射效应是使能见度降低的最 主要因素，由于部分入射光辐射受颗粒散光的影响会反射到宇宙空间，从而使入 射光辐射强度减弱，对于物理性质类似于碳黑的柴油机微粒来说，其对光的吸收 通常是使能见度降低的第二大因素p 】。 n o 能与血红蛋白结合，其能力比c o 大百倍，可以生成变性血红素和一氧化 氮血红蛋白。n 0 2 呈棕黄色，能形成黄色到橙红色浓雾，其毒性是n o 的5 倍，可 对眼和上呼吸道产生刺激，吸入后主要作用于呼吸道，缓慢地溶于肺泡表面的液 北京交通大学硕士学位论文 体，逐渐形成硝酸和亚硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激和腐蚀作用，引起肺水肿 及化学损伤性肺炎、高铁血红蛋白血症等疾病。 n o x 除了它本身对人体和生物有危害外，在阳光的作用下，还可同h c 进行 一系列的化学反应，生成光化学烟雾，通常为白色，有时为紫色、黄褐色或浅蓝 色。光化学烟雾会刺激眼睛、鼻子、气管及肺等器官，发生眼红流泪，气喘咳嗽 等症状，还能造成橡胶老化脆裂，使染料褪色，并损害油漆涂料、纤维和塑料制 品等。 n o x 还导致酸雨的产生，造成土壤、湖泊、河流酸化，导致水质变坏，危害 渔业生产，酸化的水对人体的健康也有一定的影响；损害农作物和林木生长；对 建筑物石料和金属材料有很强的腐蚀作用。同时，n o x 还是一种主要的温室气体， n o x 的温室能力是c 0 2 的1 0 0 倍【4 】，能够强烈的吸收地面放出的长波辐射，导致 温室效应的加剧。 正是由于柴油机微粒和n o x 排放对人体健康和大气环境具有上述严重的危 害，需要对柴油机排放采取相应措施加以控制。与n o x 排放相比，柴油机微粒的 排放在柴油机污染物的排放中比重较大。目前在柴油机微粒排放机内控制方面己 经取得了显著的效果，在美国先进的柴油机技术使柴油机可以达到目前最为严格 的排放标准。但进一步发掘以改善燃烧为主的机内净化技术的潜力变得十分有限。 为满足未来更严格的排放法规，后处理技术的应用将是一种趋势。这主要有 以下几个原因：首先，部分微粒来源于未燃的润滑油；其次，目前常用的改善燃 烧的方法是提高喷油压力，可以有效地降低微粒排放量，但是研究发现虽然微粒 的质量浓度大大降低，数量浓度却增加了，即增加了微小粒子的数量，危害更大； 再者，能有效降低n o x 排放的废气再循环技术( e g r ) 要求排气中的微粒浓度保持在 较低的水平；最后，要满足未来更为严格的排放要求，现有的排放控制技术显得 力不从心f 3 】。因此，必须对柴油机排出的p m 采取机外后处理技术，才能满足未来 更为严格的排放法规。对p m 的后处理方式中最有价值的是微粒捕集( d p f ) 技术， 其捕集方式，得到了较多的研究和应用e 1 。 d p f 技术主要包括过滤体对p m 的捕集技术和过滤体自身的再生技术，前者 主要是过滤材料的选择，后者主要是研究如何去除沉积p m 的问题。当前，过滤 体的材料研究相对成熟，但再生技术研究却相对滞后【1 1 对微粒捕集器再生的方式目前有很多种，近年来国内外研究发现了一种新的 被动再生机理连续再生【5 ，6 1 。该装置可以连续地对p m 进行再生。由图1 - 1 可以 看出它分前后两部分，前一部分是利用催化剂将排气中的n o 氧化为n o z l 后一部 分是利用n 0 2 氧化捕集到的p m 。n 0 2 为强氧化剂，该反应在柴油机正常排气温度 范围内即可进行，这样就可以实现对过滤体的再生，连续地使p m 一边过滤沉积， 2 1 绪论 一边氧化，保持动态平衡，在允许的背压下连续运行，实现降低p m 排放的目的。 图l l 连续再生不意图 f i g i - 1c o n f i g u r a t i o na n dp r i n c i p l eo f o p e r a t i o no f ac r ts y s t e m 对予连续再生系绕，虫子其是在柴洼举遨鼹行驶过程申实瑗瓣檄粒搪集器翡 褥黧，蓑 气湛度帮n 瞅在遂路工嚣下熬动态擦藏特毪对连续褥黧系统影翡菲鬻耋 簧，它关系到微粒捕集器连续再生系统能荫厩常工作，同时出乎柴油机n o x 的排 放对人体健康和大气环辘也同样具有非常严煎的危害，因此对紫油车道路工况下 排气温度和n o x 的动态排放特性的研究就鼹褥格外的重要。 对柴油车道路工况下雒气温度和n o x 的动态接放特性的磷究对研究微粒擂集 嚣连续莠生，获及在实舔遥臻王嚣下，柒漉攀遴一步熬n 酝擦被控麓其毒努耋 簧的意义。本文首先掰究了柴油车道路工狨下捧气温度和n o x 动态排放特性，并 在熊基础上进一步对微粒捕集器在道路工况下连续再生进行了研究。 1 2 柴油车道路王嚣下动态排放特性及捕集器连续瓣生研究现状 1 2 1 柴油车道路工况下动态排放特性研究现状 目前，对柴油机稳态正况下n o x 和排气温度的排放特性的研究已经相当成熟， 两慰其瞬态工况下动态排放特性的研究则剿冈起步。车辆在实鼯运行中多处于瞬 淼羔凌，帮发凌瓤麓转速窝拯矩蹩薅藤熬滋数，因忿对柒蘧瓠京凝态工凝下n o x 秘瓣气温度兹捧放特经静研究有着十分重鬟的意义 7 , 8 1 ，尤其楚辩柒油车在不同的 道路工况下n o x 和排气温度的动态排放特设的研究，它对掌握机幼车实际排放水 平，避一步分析机动率排放在大气中有害气体的分担率，进而为阑家制定汽车排 放的控制策略具有重要的参考价值。目前圜内外正有一些相关的研究者对柴油车 遥麓王况下魂态接敷特魏遴褥蓉疆究。 歉青等久稳焉所设计的税动车车载实辩瓣藏测试系统研究了税动车实际道路 摊放因子的分布特征以及速度、加速度等参数对排放因子的影响规律【9 】。其通过研 究绦出了h c 、c o 、n o 的排放因子在g - k i n 1 和g k g 两种形式下商排放值的工况 区域，并根据发动机的燃烧状况_ 积机动车的行驶速度、发动机的燃油消耗率等解 3 北京交通大学硕士学位论文 释了这些酝域的存在。同时，提出改善城市道路交通状况和优化发动机这些工况 点的燃烧质量是减少机动车大气污染的关键所在。 黄戒等久采焉车载撑敦测试仅对两辎重鍪柴涵卡车在空载秘勰载蘩 牟下进行 丁实际道路车载排放测试【l0 】。此研究获得了油耗与排放速率的速度一加速度及其工 况点的分毒，发瑷赢接敖工况焘主要集中在商遮摭遮区域，魏载时裹撵放蘧随工 况点分布受广；加载对油耗与n o 排放影响最为明驻，对h c 影响最小；对于不同 的车型，当车型较大，发动机功率较高时，相同荷载时受加载影响较小，研究结 祭浚鬼垂羹车在发凌税受蓑虿承受豹范潮蠹合理装藏，有蘩予避免浚裁毒接敖瑟 化，提高燃油经济性和排放水平。 陈长蜒等人利用荚 s e n s o r s 公司生产的s e m t e c h - d 车载刳 放测试仪在上海 随机选择了7 辆重型紫油车开袋窦际道路的排放测试h ”。该研究通过累积铡试，获 得了逐秒的工况点数据，给出了车辆在不同道路上的工况点分布，分析丁速度、 蕊速度露燃潴溃耗、怒气终菝豹影羲。磷定鳍栗表鞠，车辆撵藏装嚣爨事速、麴 遮度等因素而不同。频繁加速鼹加重机动车污染的藏要原因。但其研究结果只反 映了单一的上海道路的交通状况下柴油车的排放现状。 景起嚣筹入研究了上海市公交车行驶工况和公交柒洼车农市区道路上静獐放 状况【1 2 1 。其研究结果与陈长虹镰人研究排放状况相近。此外，在交通高峰期或拥 臻襄，车辆接放污染将费显嬲捌。磅究缕聚表明，鸯露强城泰交逶管理，城少车辚 拥堵，不仪可以提高公交车运彳亍效率，而殿也是降低公交车污染的有效措施。 潘汉生等人引入机动车比功率概念对驾驶条件对机动车排放的影响及二者阊 懿关系透露了研究# 3 1 。逶过诗舞逐移稳魄功率餐，繇究了实际行襞孛瓿韵车院功 率与机动车油耗、空燃比和污染物排放的关系。研究结果表明，比功率比加速度 熊够更好地反映与n o 摊放之潮夔关系，不霹道路士规动车匏污染物的撼赦速率 和油耗的鞲：功率区间分布具有较好的一致性。但排放速率计算式具有一定的不确 定性，还有待修正。 李孟藏等久逶邋发动撬毫孑控裁攀露测试发动撬懿转速、洼门嚣度，研究了 熏型柴油率在北京高逋行驶工况下负荷分布特征，并基于发动机台架试验时的负 旖特性数据计算出其功率消耗，同时结合率载排敖系统的测试结果计算如7 该工 况下的眈功率排放量【谰。研究结果表明，实际道路发动机的负荷分布特征和实验 窳法规工况麓异较大，导致实际工况和法规工况下的排放数擗存在差异，尤其在 n o 窝p m 舞令指标秀嚣。箕逶避骚究提穗霉重囊落瓣整车移笈动掇，经茭戆够工 作在高效工作区域，或者采用符合我国实际道路运行工况的法规认证测试方法来 控制车辆的道路排放。 c m e m i n k 等入予2 0 0 0 年钟对道路王况下污染物盼捧蔽滋密了一种考虑交道 4 1 缝谂 流嫩，排放因子，冷启动排放以及蒸发损失的道路工况下污染物排放计算模型【1 5 1 。 通道该模型可以计算出邋路类型、车型、燃料类型、交通流量以及实际环境温度 影魄下的污染纺排放。遴过与实际测试值棚比较，该模型计算缝梁能够很好的与 之溺合，纛弱该簇鳌霹浚丈夫藏少遵爨王凝实甄溅量戆工终爨，毽魏摸鳌哭黪 麓予计算每小时污染豹摊放，对于需要获得逐秒污染物排放值的爱求不能够满足。 s a n d i pd s h a h 等人对l l 辆重型柴油率邋路工况下污染物排放进行了测试研究 x 6 l 。研究表明重型柴油率道路工况下污染物的排放将受到发动机技术、燃料性质、 车遮以及环境条件的影响，特别的摊放速率受到道路工况的影响最为重要，同时 藏溅试还慰蒙涵穰微耱海染耪夔透露7 溅凌戮究。 a d a mk r i s t e n s s o n 等人对瑞典首都斯德露尔摩隧道中重型举和轻型车的气体和 颗粒污染物分别进行了寓地测量【1 7 】。该测试最大的特点是在测试过程中获得了大 量的详细污染物的实验数据。 i d e v l i e g e r 等人利用车载在线测试系统对轻型车道路工况下燃油消耗率以 及捺效遴行了测试l 瑚。逶逮霹藏测量琵溅谈溪点磅究7 道路王溅，驾驶孬先瑷及 交遇流量对燃油渣耗攀釉污染勃豹影穗。褥嗣指出该研究着羹j c 雩不同驾驶员静驾 驶行为进行了分析研究，研究结果表明驾驶行为对于污染物的摊放具有重要的影 响，冲动的驾驶方式会造成污染物剧烈的升高。 v 。e t y e m e z i a n 等人利用车载在线测试系统在爱达荷娜分别予冬季和夏季对柴 i 鸯攀逶路工嚣下污染锈豹簿藏送行了溅试黪逐移采集了捧藏数攥f 1 9 1 。逶逶考虑逮 发融翻、汽车行骧垂爨数、道路缀臻敬爱掰选择的遥路工嚣，该测试充分研究了 城市与郊区道路工况，相同道路工况下高速岛低速行驶时污染物排放特性，特别 指出此测试对季节变化引起的污染物排放特性的变化进行了研究。尽管如此，此 研究并没有能够就交通流爨对污染物排放的影响进行详细研究。 蠡予受纹器设备和技术手段鲍限裁，鞋蓦孽霹内对道路工溅下浮染甥萄态簿放 磷炎霹潋说稳当熬少，憩予起步除段，跫鸯豹研究也丈部分集巾在轻壅綮酒车静 道路工况测试上 国外对于道路工况下污染物动态排放的研究已经趋于成熟，除了上述所提到 的研究外，目前国外对予道路工况下污染物动态排放还有相当一部分研究集中在 替代燃辩及不同道路工援擎速，汽车流量等因素斡研究上 2 0 - 2 3 1 。 _ i 蠹过主透骚突霉菝器毽，嚣蔻藿蠹终瓣邋路t 凌t 柒涵车豹凑态接藏德瞧熬 磷究都非常重视，研究方法也是多种多样，但除少数人利用数德模拟方法对柴油 车邋路工况下动态捧放特性进行研究外，绝大部分的研究都集中在利用车载在线 测试系统的试验研究上。 遁过试验磅究可以猴确地掌握柴油车农邀路工猛下动态排放特性，著且试验 5 蔻素交遘夫学琰士学位论文 数据可靠，但利用试验的方法研究柴油车道路王况下动态排放特性蒙有相应的实 验设备，实验费用比较昂爨而且其实验周期很长，同时还存在着许多因素限制实 验的糖确度，除此之外，罄l 周实验研究时魇选酶柴油车和研究的邀鼹工嚣都是鸯 疆黪，逶豢昃缝获褥缀藏曩组试验数据，擞然霹靠毽霞表瞧苓焱，瘸震数篷模 拟可以弥补实验带来的不足。 1 2 2 微粒捕集器连续再生研究现状 滋每寒重内势磅突发瑷了一蘩薪嚣竣凌瓣艇橇理连续辫囊。黠予连续髯 生研究可谓异常静火热。戴技术无需控镧系统，结构简单易用，仪利用催亿裁将 排气中的n o 氧化为n 0 2 詹，利用n 0 2 氧化捕襞别的p m ，在柴油机臌常排气温度范 围内即可进行，这样就可以实现对过滤体的遴续再生，在允许的背雁下长期连续 运行，寅现降低p m 排放爨的目的，具有较高的实用价值。 该装萋鼹爨涵黪瑟缓簧求裹，爨酒孛s 翡会筮要求在5 0 x l 酽激下。热采s 会量 遭麓，摊气中静硫酸雾或辕酸盐会导致整俄粼中毒失效，扶两光法实现再生。由 于我豳燃油s 含量普遍很高，很难达到5 0 x 1 0 6 的藤求，因此国内对予微粒捕集器连 续稃缴的研究非常的少。 掰简国内只有苏庆运等人对连续再生象统遴行了研究，但他只做了一些基础 磺究辑q 。萁在位学实验黧审迸孬t n o z 氧缳紫渡撬镦粒戆基缓炙骏，在实验夔基 穑上研究分辑t n o z 氧化敲粒的宏蕊反应舔力擎，褥出了魏复痊豹灞纯戆。在魏基 础上冀进行了模拟流动反殿器的实验研究。 目前在欧洲和北美等圈家，连续再生技术相当的成熟，已经由研发阶段走向 了实用化阶段。图1 2 即为谶续再生系统的实物圈。 图i - 2 连续再嫩系统 r i g i - 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o n o f t h e c o n t i m m u s l y r e g e n e r a t i n g t r a p 6 l 绪论 k a n d y l a s 等人首先将n 0 2 作为氧化微粒捕集器中微粒的氧化剂，使用标准的催 化氧化装置和微粒捕集器在一个很宽的工况范围内进行了台架实验，获得相应的 实验数据【2 2 6 】。同时，提出了一个用于模拟连续再生的数学模型，利用模拟的方 法对微粒捕集器连续再生系统进行了模拟，并用实验所得数据对模型进行修正。 在此基础上k a n d y l a s 等人更进一步的提出了一个模拟道路工况下微粒捕集器连续 再生的数学模型，用于模拟道路工况下柴油机动态排放时微粒捕集器连续再生特 性，并在此基础上利用此模型对微粒捕集器一些重要设计参数进行了研究。 a n d r e w 等人同样建立一组微粒捕集器连续再生的数学模型【2 7 1 。其通过台架试 验并在模拟欧洲稳态循环的基础上利用实验数据对模型进行修正，并在此基础上 模拟了一个低温循环工况下微粒捕集器连续再生过程。 n i r a n u m a 等人在研究连续再生基础上对捕集器连续再生系统提出改进【嚣】。此 研究中h i r a a u m a 分别比较了四种连续再生系统的再生特性，在此基础上指出城市 道路循环中微粒捕集器连续再生系统将会失效。h i r a n u m a 等人建议可以结合连续 再生系统，利用推迟燃油喷射来提高排气的温度进行再生，并对再生结果进行了 比较，效果比较满意。 d o o 等人首先研究分析了柴油机的运行工况以及硫含量对连续再生系统的中 催化氧化过程的影响 2 9 j ，除此之外，d o o 等人更进一步的利用数值模拟和台架试验 的方法研究分析了连续再生系统对柴油机动力性以及排放性的影响。 a u a n s o n 等人在连续再生系统上提出在微粒捕集器中涂上一层催化剂以降低 微粒氧化的活化能【3 哪。并通过实验对比了微粒捕集器涂有催化剂和没有催化剂时 两种再生系统的再生特性。 s e t i a b u d i 等人从连续再生系统无法降低n 0 ) 【排放的基础上提出了对连续再生 系统的优化设计p ”。s e t i a b u d i 等人提出利用在微粒捕集器中涂上一层催化剂的方法 对n 0 2 氧化微粒之后生成的n o 进行2 次氧化，利用这个方法增加微粒的氧化量，并 在微粒捕集后增加去除n o 装置以弥补连续再生装置无法降低n o x 排放的事实。 通过上述分析可知，目前国内对连续再生的研究非常有限，国外对连续再生 的研究大多集中在稳态条件下，n 0 2 低温氧化消除碳烟微粒的反应规律以及n 0 2 在再生d p f 过程中的基本性能参数的实验研究上【3 2 1 。部分研究集中在对微粒捕集 器连续再生系统对柴油机的动力性和经济性的影响分析的实验研究上。 除此之外，还有一些研究主要集中在高效催化剂和抗硫毒催化剂的筛选 3 3 - 3 6 及再生系统设计上【3 口，对柴油机在道路工况下，基于其动态排放规律，对微粒捕 集器连续再生特性的研究很少，并且目前基于动态排放规律的微粒捕集器再生的 研究都相对集中在一种道路循环工况下，对于由道路工况的变化以及其他因素引 起的动态排放规律的变化造成的捕集器连续再生特性的变化的研究很少。 7 北京交通大学硕士学位论文 1 3 课题的研究内容及方法 1 3 1 本文静目的和意义 本文羲先对柴没车在苓强遴鼹工搅下其魂态攘敷转性遴孬砑突，礤究分爨邀 路工况，率速和加滤度，驾驶行为以及载荷的改变对柴油车动态排放特性的影响， 并基于其幼态排放规律，对微粒捕集器连续再生系统进行研究，研究分析了一然 重要参数怼连续霉垒豹影穗，对教粒穗祭器连续褥生系统京綮灌车上蕊傻霉其脊 重要的指爵意义。 1 3 2 本文的主要研究工作 奉潆透首先蘩| 麓诗算撬系统薅囊袈传g t - s u i t e ，霹柴溃攀遂路工凝下动态瓣 放特性进行了分析研究。在研究柴油车道路工况下动态排放特性的基础上，利用 动态排放特性，通过气相动力学分板软件c h e m k i n 及自开发程序对微粒擂集器 在道路工况下连续菇生进行仿真研究。泰要分为班下三帮分工作： ( 1 ) 柴油机与整率的匹配 穰弼g t - p o w e r 对6 1 1 4 涎轮瑶簇綮洼援夔王箨逑翟遴孬耱囊谤簿，获褥了 速度特性和万有特设仿真数攒，提出了利用神经阿络技术对仿真数据进行处理的 新方法，在此基础上结合m 朋七a b 绘制了等值线图，定义g t - d r i v e 中发动机动 力摸鍪。 在g t - d r i v e 中根据整车的动力性和经济性要求首先对柴油机和整车进行 疆配。在傺涯低浊怒的蘸提下使整车戆凌力性达到要求，即认为匹配完成。 ( 2 ) 柴油车动态摊放特性的研究 利用匹配好的柴油机模型，在g t - p o w e r 中计算柴油机排气温度和n o x 排 藏熬傍奏数蠢，弱榉羁爱神经黼络技术慰镑真数嚣遴行楚理，并结合m a t l a b 绘 制等值线图，定义g t - d r i v e 中的发动机排放模型。 农g t - d r i v e 中使整车送幸亍美国邋路工提，敬溅道路王况，日本遴鼹工况下 的模拟，得出柒油机在这些道潞工况下摊气温度，n o x 的动态排放特镌，并研究 分析道路工况、车速和加速度、驾驶行为以及载荷的改变对柴油车动态排放特性 熬影璃；魏乡 桀油攀臻态捧敦特性还将兔连续孬玺疆突夔供数据。 ( 3 ) 微粒捕集器连续再生规律研究 蓠先建立n o 催化转化器数学模溅；利用c h e m k i n 慰n o 催化转化过程 避行穰拟，并霹n o 催化转豫遵程的影桶因素遗行研究。 s 1 绪谂 建立微粒摘集器再生数学模型：利用c 语言开发化学方威动力学程序对微 粒捕集器再生过程进行横拟，并对捕集器蒋擞过程的影响因素j l 行研究。 基于柴油车道路忑况下动态摊放特憾，对微粒搪集器连续褥生进行傍真计 冀，戮究连续霉釜纛簿及臻囊器褪戆茨获爨、蒙涵车载薅、n o 壤纯转纯器孛镬纯 裁兹化和捕集器使塌倦化剂涂层等因素对逡续褥生豹影响。 1 3 2 研究方法 瓣柴演车遂鼹工嚣下动态捧藏蒋毪及皴狡攘集器连续莠垒瓣磅究，嚣蔫存在 饕实验研究秘数值模拟掰释方法。实验研究爱有相应的实验设备，试验费瘸秘：较 昂凝而且其试验周期很长，同时还存在着许多因素限制试验的精确度。数值模拟 计算随着计算机的快速发展和计算方法的不断改进已经取得了长足的进步，它可 以弥於试验的缺陷，缩缀试验周期并节约试验费用。， 零文采震数篷模羧诗棼熬方法进行骚究。程震g t - s u i t e 系舞软终透孬数穰模 羧计算，研究分耩紫油苹道路循环工况下摊澈，n o x 等动态播藏特性。在分橱磺 究动态排放特性的基础上，利用动态排放仿真结果，对微粒捕集器连续再生进行 仿真计算，研究连续再擞规律。图l - 3 为本文结构流程图。 图l - 3 论文结构流程图 f i g 1 - 3t h ef l o w c h a r to f t h ep a p e r 9 j b 京交通大举硕士学位论文 2 柴油祝特性仿真及基于神经网络的数据处理 2 。1 雩| 畜 在对紫油枧与熬车传动系进行匹配，以及之露对整车遒路循环工涎下动态摊 放特性送行研究分析时，需要秘用柴油机万有特榷、排放跃及j 气温度的仿真数 据来计算柴油机在某个负荷和转速下的燃油消耗攀、排放以及排气温度，因此本 牵裁爰g t - p o w c r 软终霹涡轮增莲柴 瘗橇遴学费囊磺究。在主柴6 l1 4 灞轮增蘧发 动机基础上进行建模，通过对涡轮增压柴油机工作过程进行仿真计算，获得了柴 浊机外特性、万有特性以及播放和排气派度仿真数据。 为了计算静方便与准确，嚣要将g t - p o w e r 模拟所褥豹铸真数据经行处理并缀 合。由予传统的拟含方法难以得到其近似函数表达式，故常用分段拟含法，而阁 线绘制则鬻喹人工宠藏，要獯爨缀多对阕p q ，著爨人工处理这些数据秘夔线怼， 常会出现数据差错和因人而辩的图形畸变。人工神经网络具有很强的非线性映射 功能，理论上能以任何精度逼近己给定突值的多变最连续函数，这就是说，b p 网 络戆佟为万戆羧合滋数【瑚。本章提窭翻麓榜经两终援术对侪凑数据避纷处理斡掰 方法，在此基础上结合m a t l a b 对柴油机外特性、万有特性以及n o x 排放和排 气温度仿真数据进徭擞合芽绘测等值线圈。 2 。2g t - s u i t e 仿真软件简介 g t - s u i t e 系列软件是荚阑g a m m at e c h n o l o g i e s 公司开发的汽车仿真分析软 件，在蹲类软彳牛中处于领先媳位。主要疲臻于车辆设计参数黪分析、嚣释运行惨 况下的耗油量和嗓鬻噪声的计算，同时还可以角予发动机链麓评估、冷却系统憔 能的评估镣。在汽擎行业中，使用g t - s u i t e 系列软件可以明驻地缩短设计开发的 愿麓，爨甄生产成本。g t - s u i t e 是一今集成豹c a e 较终，囊要应溺警发囊凝、 动力系统、车辆的设计和分析正作，模块如下： ( 1 ) p o w 舒一发动机的性能、噪声的仿真计算，以及完整的电予控制功熊 豹设计。 ( 2 ) d r i v e r _ 一动力系统和车辆的仿真计算，包括循环正况和驱动系统部件 戆动态分爨。 1 0 2 柴油机特性仿真及基于神经网络的数据处理 ( 3 ) g t - v t r a j l 卜_ 配气机构运动学、动力学和摩擦学的仿真计算，凸轮轴震动 分析，凸轮的设计。 ( 4 ) g t - c o o l 发动机的热管理，以及冷却系统的分析。 ( 5 ) g t - f u e l 喷油供给系统压力和流动情况的动力学计算，液压系统分析。 ( 6 ) ( m c 均n k 一刚性或柔性曲轴的动力学分析，发动机的平衡、机体震动、 发动机安装位置、轴承油膜分析。 上述模块涵盖了发动机机，动力系统库辆设计和分析工作的许多内容，它们被 紧密地集成在一起，这种组织形式有很多优点：只有一个共同的用户交互界面、 相同前处理( 建模) 和后处理( 计算结果的输出) 、相同的仿真计算流程、各模块 之间数据兼容等等。 本文模拟采用g t - p o w e r 模块和g t - d r i v e 模块。g t - p o w e r 软件基于w i n d o w s 操作系统，以一维流体动力学为基础，用有限体积法进行数值计算，充分考虑了 因可燃混合气的组分不同导致其热力学性质的差异，应用数学优化方法进行参数 寻优，具有使用方便、功能强大的特点，在同类软件中居于领先地位。它适用于 分析研究火花塞点火式发动机、压燃式发动机、二冲程，四冲程发动机、单缸，多缸 发动机、直列型发动机、各种结构的增压系统( 涡轮增压、机械增压、多级增 压、相继涡轮增压s t c 等) ，还可以实现均质压燃式发动机( h c c i ) 、缸内直喷式 汽油机( g d i ) 、自由活塞发动机等的研究。 它的主要应用范围包括：歧管设计和调整、气门升程曲线和正时的优化、涡 轮增压器的匹配、e g r 系统管道内的流动分析、歧管壁面温度的分析研究、流动 三维的研究( 与s t a r - c d 相连接) 、气缸部件的热分析、燃烧分析、n o x 和碳烟 的排放分析以及排气制动等等。它可以用于模拟内燃机的稳态和瞬态工作过程。 这款软件是基于面向对象技术编写的，从模型图的建立、运行到数据的后处 理，g t - p o w e r 的操作是在g t - i s e 中进行，使用方便、高效。g t - p o w e r 的界面如 图2 1 所示，主要组成部分包括：菜单、按钮、窗口、建模区域、数据库、模型管 理器等，与常见的g r m d o w s 界面相类似。g t - p o w e r 的仿真计算流程如图2 - 2 所示， 它包括模型的建立，参数的设置，运行计算，模型校核，获得结果以及对结果进 行后处理等。 毙哀交逶丈学硕士学彀论文 圈2 1g t - p o w e r 软件界面蘑 f i g 2 1o p e n t i o nw i n d o w