柴油机催化型DPF捕集过程数值模拟及排放性能试验研究-硕士论文

分类号 TK421 5密级 公开 U D C 621 4编号 10299S1304058 JIANGSUUNIVERSITY 学术型硕士学术型硕士学位论学位论文文 Thesis for Professional Master Degree 硕士类别 工学硕士 论文题目 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值 模拟及排放性能试验研究 学科专业 动力机械及工程 作者姓名 王希凡 指导教师 汤东教授 答辩日期 2016 年 5 月 27 日 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟 及排放性能试验研究 Simulation and Experimental Study on Trapping Process and Emission Performance of CDPF from Diesel Engine 专业名称 动力机械及工程 指导老师 汤 东教授 姓名 王希凡 江苏大学 2016 年 5 月 万方数据 独 创 性 声 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已注明引用的内容以外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果 也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已 在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 年月日 万方数据 学位论文版权使用授权书 江苏大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 允许论文被查阅和借阅 同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入 中国 学位论文全文数据库 并向社会提供查询 授权中国学术期刊 光盘版 电子杂 志社将本论文编入 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 并向社会提供查询 论文的公布 包括刊登 授权江苏大学研究生院办理 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名 指导教师签名 年月日年月日 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘要要 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 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟及排放性能试验研究 II 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 关键词 柴油机 催化型 DPF 数值模拟 捕集 排放特性 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 III ABSTRACT Diesel engines possess strong power high efficiency and high reliability which has been widely applied However the emission of particulate matters would bring harms to serious environment and human health The Catalytic Diesel Particulate Filter CDPF could not only reduce the particles but also convert the CO HC and NO in exhaust gas and achieve effective continuous passive regeneration Then the reliability of the CDPF and reduction of the CO and HC could be improved with the Diesel Oxidation Catalyst DOC combined CDPF and continuous regeneration of DPF could be achieved as well In order to further investigate the effects of CDPF on trapping characteristic the gas pollutants and the structure of particles Characteristics of flow field and particles distribution in trapping process were studied with numerical simulation in this paper The emission performances of CDPF and DOC combined CDPF were evaluated through diesel bench test The influence of DOC and CDPF on the particle morphology structure was examined by transmission electron microscopy TEM and image technology The CDPF model was established on the basis of GT POWER and AVL FIRE the pressure drop result was verified well with experimental result by simulation In addition the distribution of pressure drop was mainly analyzed as well as the gas flow and particles distribution inside the CDPF then the structure parameters of CDPF was optimized The simulation results showed that in CDPF depth filtration was given priority to early trapping and cake capture gradually increased in trapping with time increase In the expansion tube area there existed obvious eddy area which led the nonuniformity of flow velocity entering CDPF and the particles distribution was nonuniform in axial and radial direction under the effects of flow distribution Meanwhile flow uniformity was improved with the increase of the loading particles mass and not obviously affected by increasing initial mass flow And then the high collection efficiency and low pressure drop variation could be achieved and the flow distribution and diesel performance were improved in the CDPF when the the diameter ratio channel density and wall thickness were set at 3 0 200 and 0 35 mm respectively The influences of CDPF and DOC combined CDPF on performance and emission in diesel engine were analyzed by diesel bench test The experiments results showed that conversion rate of CO and HC were 73 and 64 and NO was converted by 28 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟及排放性能试验研究 IV at most in different loads of calibration speed via CDPF The soot emission was rapidly reduced in high load and the specific fuel consumption was slightly increased compared with original engine CO HC and NO has good oxidation impacts with a higher conversion rate and the DOC has little impact on soot emission via DOC combined CDPF The microstructure features of particles before and after DOC combined CDPF were obtained by characterization in TEM experiment The average diameter of particles and the particles box counting dimension were analyzed by image method and the effects of DOC combined CDPF on particles morphology structure and cluster degree were studied The TEM results showed that in full loading the particles were in clamps and ball distribution and the particles accumulated seriously so that the contour of primary carbon particle was difficult to be distinguished Under the effect of DOC the particles were changed to chain structure and the contour was clearer than before After passing through the DOC combined CDPF the particle accumulation was decreased and the particles contour was more obvious In addition the average particles size were reduced and particles structures became loose Keywords Diesel engine Catalyst Diesel Particulates Filter Simulation Trapping Emission characteristic 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 V 目目录录 第一章第一章绪绪论论 1 1 1引言 1 1 2柴油机排放法规 2 1 2 1 国外排放法规 2 1 2 2 国内排放法规 3 1 3柴油机颗粒排放的控制技术 4 1 3 1 机前处理技术 4 1 3 2 机内净化技术 4 1 3 3 后处理净化技术 5 1 4催化型 DPF 原理 7 1 4 1 过滤机理 7 1 4 2 连续再生机理 8 1 5研究现状 9 1 6本文主要研究内容 11 第二章第二章催化型催化型 DPF 数值模型的建立及验证数值模型的建立及验证 13 2 1模型假设 13 2 2CDPF 数值理论模型 13 2 2 1 CDPF 流场模型 15 2 2 2 CDPF 压降模型 15 2 2 3 碳烟预测模型 16 2 3CDPF 计算模型建立 17 2 3 1 一维模型 17 2 3 2 三维模型 18 2 3 3 网格划分 18 2 4CDPF 边界条件设置 19 2 4 1AVL FIRE 后处理模块计算流程 19 2 4 2 计算边界条件设置 20 2 4 3 计算参数设置 20 2 5CDPF 模型验证 21 2 5 1 CDPF 压降特性试验 21 2 5 2 压降模型验证 22 2 6本章小结 22 第三章第三章 催化型催化型 DPF 颗粒捕集数值模拟研究颗粒捕集数值模拟研究 24 3 1CDPF 参数选取 24 3 2直径比对 CDPF 捕集过程的影响 25 3 2 1 直径比对 CDPF 内部气流流动的影响 25 3 2 2 直径比对扩口区域内气流流动的影响 26 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟及排放性能试验研究 VI 3 2 3 直径比对颗粒分布的影响 27 3 3CPSI 对捕集过程的影响 28 3 4过滤壁厚对捕集过程的影响 29 3 5CDPF 捕集特性 30 3 5 1 压力分布特性 30 3 5 2 气流速度分布特性 31 3 5 3 颗粒分布特性 32 3 6CDPF 捕集过程影响因素 34 3 6 1 颗粒沉积量对 CDPF 内部气流速度分布特性影响 34 3 6 2 入口流量对 CDPF 内部气流速度分布特性影响 35 3 7 本章小结 36 第四章第四章催化型催化型 DPF 性能试验及颗粒特征研究性能试验及颗粒特征研究 37 4 1试验装置 37 4 1 1 台架试验主要设备 37 4 1 2 颗粒物表征主要设备 39 4 2试验方案 40 4 3试验结果分析 41 4 3 1 CDPF 对柴油机燃油消耗率的影响 41 4 3 2 CDPF 对柴油机排放性能的影响 41 4 3 2 1 CO 和 HC 排放 41 4 3 2 2 NO 排放 42 4 3 2 3 碳烟排放 43 4 3 3 DOC CDPF 对柴油机排放性能的影响 44 4 3 3 1 CO 和 HC 排放 44 4 3 3 2 NO 排放 44 4 3 3 3 碳烟排放 45 4 3 4 TEM 分析 46 4 3 5 颗粒分形特征分析 48 4 3 5 1 计盒维数方法 48 4 3 5 2 结果分析 49 4 4本章小结 50 第五章第五章全文总结与全文总结与工作工作展望展望 51 5 1全文总结 51 5 2工作展望 52 参考文献参考文献 54 致致谢谢 59 攻读硕士学位期间发表的学术论文攻读硕士学位期间发表的学术论文 60 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 第一章第一章绪绪论论 1 1引言引言 近年来 随着我国国民经济的不断发展 科学技术水平的不断增强 我国内 燃机技术水平也随着节能 减排要求的不断提高有了明显进步 自从 1892 年柴油 机问世 1 以来 已成为热效率高 燃油经济性好 CO2排放较低的动力机械 因此 柴油机成为了车辆重要的动力来源 当前几乎所有的重型车和较多的轻型车都使 用柴油发动机 据统计 在欧洲柴油车应用较为广泛 而我国的车用柴油机也发 展较快 面对着我国能源紧缺 油价价格上涨的现状 在柴油机性能和排放控制 水平不断提高的背景下 可以预见柴油机不仅将继续主导商用车领域 而且在乘 用车领域将占有更大的份额 然而 柴油机也带来了严重的环境问题 根据 2015 年度 中国机动车污染防 治年报 数据显示 2 2014 年全国柴油车排放 CO 417 9 万吨 排放 HC 92 2 万吨 排放 NOx400 6 万吨 排放颗粒物 55 0 万吨 分别占到汽车总排放量的 14 2 26 2 69 2 和 99 以上 相比于汽油机 柴油机的排放物中 HC 和 CO 较低 NOx较高 而颗粒排放约为汽油机的 30 60 倍 3 4 柴油机排出的颗粒可分为不可溶有机物和可溶有机物两部分 其比例大约为 61 和 39 不可溶有机物中 70 5 为碳烟 剩余主要是硫酸盐以及润滑油产生的 颗粒 而润滑油和不完全燃烧的燃料会产生可溶性有机物 5 8 颗粒的组成如图 1 1 所示 a 颗粒物成分 b 颗粒物聚集体 图 1 1 颗粒成分图 Fig 1 1 Components diagram of particles 柴油机颗粒的组成成分主要取决于运行的工况 特别是排气温度 当排气温 度超过 500 时 颗粒基本上为碳质微球 含有少量氢和其他元素 的聚集体 称 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟及排放性能试验研究 2 之为干碳烟 Dry Soot DS 当排气温度较低时 碳烟将会吸附和凝聚多种有机物 形成可溶有机成分 柴油机排气颗粒的微观形状呈现出复杂的链状或团絮状分布 其粒径可分为 三种形态 粒径大于 1 m 的粗粒子模态 粒径处于 50 nm 和 1 m 之间的积聚模 态以及粒径小于 50 nm 的核模态 当颗粒粒径大于 10 m 时 人体的鼻子和呼吸 道可进行有限拦截 但当颗粒粒径小于 2 5 m 时 被记为 PM2 5 9 10 可以长期悬 浮在离地 1 2 米的空气中 颗粒能够穿透肺泡参与血气交换 且易被人体组织和 血液吸收 因其本身含有有毒的重金属元素和多环芳烃类化合物 其中大部分都 会致癌 11 12 会对人体健康产生较大危害 13 同时 PM2 5 也是造成远距离长时间 环境污染和大气能见度较低的原因之一 大量研究表明 14 15 柴油机排放的颗粒粒 径集中在 10 m 以下 属于长期悬浮在空气中的亚微米颗粒物 调查显示 机动 车尾气排放是 PM2 5 的重要来源 同时 PM2 5 已被纳入监测指标 因此颗粒排放 已成为限制柴油机发展的主要原因 如何降低柴油机颗粒物排放具有十分重要的 现实意义 1 2柴油机排放法规柴油机排放法规 20 世纪 50 年代以后世界经济快速发展 汽车产量和保有量迅速增加 车用柴 油机排放物的危害逐渐被发现和确认 目前 在世界范围内形成了美国 日本和 欧洲三大主要排放法规体系 同时排放法规已经逐渐成为影响整车和主机厂家制 定技术路线和开发新产品的最重要因素之一 16 1 2 1 国外排放法规国外排放法规 美国是最早开始对柴油机进行排放法规控制的国家 1970 年开始 美国政府 就开始制定车辆排放控制的法规 日本从 1986 年开始对柴油车进行排放限值 目 前日本实施的是 2009 年颁布的法规 1700 kg 以下的轻型柴油车 NOx和颗粒平均 限值为 0 08 g km 和 0 005 g km 1700 kg 以上的轻型柴油车 NOx和颗粒平均限值 为 0 15 g km 和 0 007 g km 对重型柴油车 2016 年即将实施的法规为 NOx和颗粒 平均限值为 0 4 g kW h 和 0 01 g kW h 17 欧洲从 1991 年开始制定欧 阶段排放标 准 在 2013 年欧洲开始实施欧 排放法规 表 1 1 和表 1 2 分别是欧洲轻型柴油 车和重型柴油车排放限值 从欧 排放法规开始对柴油机排气颗粒物的数量 PN 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 进行限制 对柴油机的排放控制特别是颗粒物的限值也会越来越严格 表 1 1 欧洲轻型车用柴油机排放限值 Tab 1 1 Limit of European light vehicle diesel engine emissions 阶段 COHC NOxNOxPMPN g km km 0 50 300 250 025 0 50 230 180 005 0 50 170 080 0056 0 1011 表 1 2 欧洲重型车用柴油机排放限值 Tab 1 2 Limit of European heavy duty diesel engine emissions 阶段 COHCNOxPMPN g kW h1 kW h 1 50 463 50 02 1 50 462 00 02 1 50 130 40 018 0 1011 1 2 2 国内排放法规国内排放法规 中国从 20 世纪 80 年代开始着手汽车排放控制工作 2000 年在全国范围内实 施车用柴油机国 I 排放法规 每隔 3 5 年对排放法规进行更新 2015 年在全国范 围内正式实施车用柴油机国 IV 法规 北京和上海先于 2013 年和 2014 年对柴油车 实施相当于国 V 阶段的地方性排放法规 同时 在 2014 年已发布非道路柴油机第 III 和第 IV 阶段排放法规 中国的排放法规在各阶段参照欧洲排放法规制定 但由 于中国的经济与社会发展的现状 在法规实施时间上有滞后 18 表 1 3 为中国重型 柴油排放排放 ESC 试验限值 19 表 1 4 为中国小型非道路柴油机排放限值 表 1 3 中国重型柴油车排放 ESC 试验限值 Tab 1 3 Limits of Chinese heavy duty diesel engine emissions in ESC 阶段 COHCNOxPM 烟度 g kW h1 m 1 50 463 50 020 5 1 50 462 00 020 5 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟及排放性能试验研究 4 表 1 4 中国小型非道路柴油机排放限值 Tab 1 4 Limits of Chinese small non road diesel emissions 额定净功率 Pmax 阶段 COHC NOxPM g kW h Pmax 37 5 57 50 6 5 57 50 6 1 3柴油机颗粒排放的控制技术柴油机颗粒排放的控制技术 1 3 1 机前处理技术机前处理技术 柴油机的前处理技术是指对进入柴油机之前的空气和燃料进行预处理从而降 低柴油机的颗粒排放 主要预处理途径有改善燃油的品质和利用替代燃料 柴油 中含硫量的多少对柴油机的颗粒排放有着重要影响 在燃烧过程中 柴油中的硫 反应生成 SO2 极小部分 1 2 进一步与水分子结合成 H2SO4 硫酸液滴可 成为颗粒物形成和生长的晶核 经研究发现 柴油中的硫含量每增加 0 1 柴油 机颗粒排放量就会增加 0 02 0 03 g kW h 20 硫含量过高还会造成其他后处理系统 的效率下降 甚至失效 表 1 5 为欧洲和我国排放法规中对硫含量的要求 表 1 5 欧洲和中国排放法规对硫含量要求 Tab 1 5 The European and Chinese emission regulation on sulfur content requirements 欧 IV 国 IV 欧 V 国 V 欧 VI 硫含量 10 6 501010 采用代用燃料也是降低柴油机颗粒物排放的有效途径 常用的代用燃料包括 气体燃料 天然气 液化气 氢气 醇类燃料 甲醇 乙醇 生物质燃料 生 物质气 生物柴油 等 能有效降低颗粒物排放 1 3 2 机内净化技术机内净化技术 1 电控高压共轨燃油喷射技术 电控高压共轨燃油喷射技术因燃油喷射压力较高 喷油量可精确控制 可实 现多次喷射 可以灵活控制喷射正时 燃油雾化效果较好 可形成均匀分布的燃 油和空气混合气 降低颗粒的生成 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 2 均质混合气压燃烧技术 HCCI 燃烧技术 HCCI 被认为是 内燃机的第三种燃烧方式 其主要特征为均质混合气的压 缩着火和低温燃烧 它综合了传统汽油机以及柴油机燃烧方式的优点 类似于汽 油机 采用均质混合气 避免了柴油机中浓的扩散火焰 从而极大地降低了颗粒 的排放 类似于柴油机 使用压缩着火 均质混合气自燃 避免了汽油机点火后 产生的高温火焰 降低了 NOx的排放 3 增压中冷技术 增压中冷技术的成本低廉 对柴油机的改动不大 并且能明显地改善柴油机 的动力性 经济性 增压中冷技术可以降低柴油机的进气温度 使得进气密度得 到提高 并使得柴油机的 NOx排放量降低 由于柴油机空燃比增加 使得颗粒物 的排放降低 1 3 3 后处理净化技术后处理净化技术 随着排放法规的日益严格 机内净化技术已经显示出了局限性 因此柴油机 的后处理净化技术应运而生 并且发展迅速 要达到欧 及以上排放法规的要求 柴油机后处理技术已成为必然选择 21 1 DOC 技术 DOC 可以有效降低 CO HC 和颗粒中的部分可溶有机物 DOC 通常是以蜂 窝陶瓷或者蜂窝金属为载体 在载体上负载氧化物涂层和活性金属组分 DOC 对 排放物的净化效果易受柴油品质的影响 特别是硫含量 高硫量的柴油对 DOC 的 净化效果有着极大地影响 并会降低其使用寿命 22 2 颗粒氧化催化器 POC 技术 POC Particle Oxidation Catalyst 技术是一种新型净化颗粒物的方式 POC 的目标不是为了获得特别高的颗粒降低量 而是为了在没有出现堵塞的状况下净 化部分颗粒 从而获得较理想的颗粒排放净化效果 POC 的过滤层通常采用金属 网构成 其过滤通道为通流式 形状为皱折形 过滤层用于捕集颗粒 废气在皱 折通道前行或穿过过滤层 POC 的优势在于不会发生堵塞过滤层的现象 即使有 太多的颗粒 过滤层接近饱和 废气也可以穿过 POC 的过滤通道 3 静电吸附捕集技术 静电吸附捕集技术是在柴油机排气管下游加装金属网作为集尘板 再利用附 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟及排放性能试验研究 6 加电源对呈电特性的碳烟颗粒进行静电捕集 该技术颗粒捕集效率较高 捕集粒 径范围宽 在高压下可连续工作 并在工业除尘中已广泛应用 但在车辆上尚未 广泛使用 但是该技术的应用前景极为广阔 23 4 低温等离子技术 低温等离子净化技术是一项新的后处理技术 低温等离子体反应器可以使温 度低于 300 时尾气中的 NO 氧化成 NO2 然后利用 NO2的氧化性可将碳烟氧化成 为 CO2或 CO 从而达到去除颗粒物的效果 24 5 DPF 技术 DPF 技术是一种高效净化颗粒物的方式 捕集效率可以高达 90 以上 它以 壁流式蜂窝陶瓷为载体 是目前最为成功的柴油机颗粒物后处理装置 在这种载 体中 每相邻的两个孔道 其中一个在进气口处被堵住 而另一个会在出口处被 堵住 排气从其中一个孔道流入之后 必须穿过陶瓷载体的多孔性壁面然后从相 邻的孔道流出 使排气中的颗粒物沉积在各个流入孔道的壁面上 CDPF 技术是在 DPF 孔道表面内涂覆贵金属催化剂 催化剂能将柴油机排气 中的 NO 氧化成 NO2 同时降低了颗粒氧化反应的活化能 25 使 DPF 在柴油机工 作时 250 500 排气温度范围内 就能实现良好的连续被动再生 26 在减少颗粒物 的同时 CDPF 还能有效降低 HC 和 CO 因此 CDPF 是最为有效的用来净化柴油 机颗粒排放物的方法之一 图 1 2 为 CDPF 的外观和内部孔道结构图 a 堇青石载体 b 内部孔道结构 图 1 2 CDPF 外观及结构 Fig 1 2 The appearance and structure of CDPF 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 1 4催化型催化型DPF原理原理 1 4 1 过滤机理过滤机理 1 扩散机理 由于气体分子的热运动 柴油机尾气中的颗粒会作布朗运动 当颗粒越小时 布朗运动就越明显 如图 1 3 a 为由于布朗运动导致的扩散效应 当尾气流经 DPF 单元时 捕集器单元对颗粒起到了汇集的作用 因而形成了颗粒浓度梯度 导致了颗粒的扩散输送 使得颗粒被捕集 27 用佩克莱特数 Pe 来定量描述布 朗运动 佩克莱特数为流体运动的颗粒与分子扩散产生的沉积量之比 表示为 ud Pe D 1 1 3 b p Ck T D d 1 2 其中 为圆周率 u和 为排气的相对速度和动力学黏度 d为圆柱体直径 D为 扩散率 b k为麦克斯韦常数 p d为颗粒直径 C为系数因子 T为温度 2 拦截机理 图 1 3 b 为排气中速度高的小颗粒大部分依据拦截机理 其标准是拦截系 数 拦截系数可以表示为颗粒直径 p d和圆柱体直径d的比值 a 扩散机理 b 拦截机理 c 惯性碰撞机理 d 重力沉降机理 图 1 3 过滤机理 Fig 1 3 Filtration mechanism 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟及排放性能试验研究 8 3 惯性碰撞机理 图 1 3 c 为惯性碰撞机理 当柴油机的排气流经 DPF 时 由于捕集器的结 构 使气流在载体内部的流线不断发生偏转 因而在拐弯处惯性较大的颗粒脱离 流线 与捕集器单元发生碰撞而沉积或者吸附在上面 该现象用斯托克司数 St 来 表示 2 9 pp Cd u St d 1 3 4 重力沉降机理 图 1 3 d 为重力沉降机理 由图可知 在柴油机排气颗粒流速较慢 流动 时间较长时 质量较大的颗粒由于受到重力的作用 脱离流线 沉积在捕集单元 上 1 4 2 连续再生机理连续再生机理 CDPF 直接在 DPF 载体表面涂覆催化剂 不仅可以应用壁流式的 DPF 对排气 中的颗粒进行捕集 同时可以对排气中的 CO HC 及 NO 等成分进行催化转化 由于催化剂的存在 CDPF 可以将柴油机排气成分中的 NO 的氧化成 NO2 降低了 颗粒物氧化反应的活化能 使柴油机在正常工况下实现 DPF 载体的连续再生 28 CDPF 原理如图 1 4 所示 29 图 1 4 CDPF 原理图 Fig 1 4 The schematic diagram of CDPF 将DOC CDPF的组合也是一种连续再生捕集器型式 DOC可以降低柴油机排 放尾气中CO HC和颗粒中可溶性有机成分的化学反应活化能 使它们在较低的温 度下与排气中的氧气进行反应 转化为CO2和H2O 30 DOC CDPF不仅可以保证 CDPF的工作的可靠性 保证捕集效率 还可以进一步降低CO和HC 31 同时由于 DOC氧化NO得到的NO2更容易使CDPF中的颗粒在低温情况下燃烧实现被动再生 因此CDPF可以在柴油机工作温度250 500 时实现DPF的再生 32 DOC CDPF的 原理如图1 5所示 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 图 1 5 DOC CDPF 原理图 Fig 1 5 The schematic diagram of DOC combined CDPF 1 5研究现状研究现状 目前国内外针对 DPF 压降 再生的数值模拟的研究较多 并得出了一些结论 针对 DPF 及组合装置的性能研究 国内外的专家学者进行了相关试验 对于柴油 机排气颗粒的微观结构研究也进行了探讨 1 DPF 数值模拟研究 Konstandopoulos 等 33 是基于 DPF 零维模型 提出的 DPF 捕集及再生模型 这些模型能够准确地预测 DPF 内部的温度场 压力场的变化以及 DPF 的通透性变 化 Yamamoto 等人 34 运用三维 X 线计算断层摄影技术来模拟过滤壁面为多孔介 质时的内部结构 同时采用格子 波尔兹曼法 Lattice Boltzmann Method 模拟了 多孔介质内部的捕集特性 结果显示与真实材料的压力场相差很小 Piscaglia 等 35 通过建立多孔介质的可压反应流的偏微分方程的有限容积计算 求解器 模拟整个 DPF 多孔壁面的压力和速度场的数值变化 计算结果可以与试 验值较好吻合 实现可靠预测 Mokhri 等 36 用模拟方法对 DPF 颗粒过滤过程中的流速模型 颗粒大小 压降 特性及颗粒层厚度进行了研究 发现碳烟滤饼的形成会增加压降 提高 DPF 捕集 效率 且碳烟滤饼在捕集过程中会在通道内持续增加 而 DPF 的再生过程是去除 碳烟滤饼 龚金科等 37 根据壁流式 DPF 的流动特性 建立了非稳态情况下壁流式过滤体 捕集过程中的计算模型 并使用该模型研究了 DPF 的捕集效率 流动阻力和颗粒 沉积质量的非稳态变化规律 计算结果与试验较好吻合 证明了该模型的可行性 秦岩等 38 对 DPF 的压降特性进行了理论和仿真分析 阐明了压降产生的机理 指出 DPF 的压降主要是由 DPF 载体壁面和炭烟层以及 DPF 载体入口通道和出口 通道之间的摩擦造成的 同时发现压降历程与碳烟捕集过程的 3 个阶段相似 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟及排放性能试验研究 10 李小华等 39 运用数值模拟研究了扩张管参数对 DPF 工作及再生的影响规律 发现适当增大扩张角有利于加快再生反应速率 降低再生时 DPF 内的最大温度梯 度 但扩张角过大会使 DPF 内部气流流动 颗粒层厚度及再生时壁面温度的均匀 性恶化 李志军等 40 建立了 CDPF 的数值模型 引入颗粒催化再生比 来评价 CDPF 的 催化效率 分析了不同的初始条件对催化效率以及再生过程的影响 结果表明提 高初始碳烟量和 NO NO2的比例有助于催化效率提高 孔道形状 壁面渗透率以及 碳烟渗透率影响主动再生频率以及主动再生最高温度 2 DPF 性能试验研究 Bensaid 等 41 对壁流式 DPF 孔道中的颗粒沉积特性进行了试验研究 测量了颗 粒质量流量为 5 mg h 加载颗粒 24 h 后 不同进气孔道内轴向位置为 0 5 处的颗 粒厚度 通过扫描电镜 SEM 图像验证了 7 个进气孔道内径向位置的颗粒厚度 分布 Mogenson 等 42 深入研究了 CDPF 对 NO2排放的影响规律进行 发现在 NO2 排放方面 涂覆钯催化剂的 CDPF 比涂覆铂催化剂的 CDPF 作用效果更好 同时 CDPF 可以满足欧 IV 阶段的 HC CO 和颗粒排放要求 蔡忆昔等 43 利用 NTP 系统 研究载体结构对柴油机颗粒捕集器再生情况的影 响 采用 3 种不同结构的 DPF 装载装置对已捕集颗粒的 DPF 进行再生试验 发现 载体扩张管为 76 6 DPF 前端距离载体扩张腔的长度为 50 mm 时更有利于 DPF 流速分布均匀性和 DPF 的再生 所受热应力也最小 3 组合装置性能试验研究 Lehtoranta 等 44 通过试验从工作原理和化学反应机理方面研究了 DOC 和 POC 不同对颗粒的净化能力 发现 POC 对颗粒降低达到 55 61 与 DOC 一起使用 有利于 POC 的再生 对小粒径颗粒有较高捕集效率 Choi 等 45 研究了稀燃氮氧化物捕集技术 LNT lean NOx trap 组合 CDPF 同 时对 NOX和颗粒的去除特性 分析了不同催化剂成分对排放性能的影响 发现颗 粒物的氧化率较 DPF 更高 Cordinera 46 对 DOC 和 DPF 组合对燃用生物柴油的非道路柴油机的燃油消耗 和排放性能进行研究 结果表明燃用生物柴油有利于提高 DOC 转化效率 促进 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 DPF 的被动再生 谭丕强等 47 研究加装 DOC 和 CDPF 前后 柴油机燃用 B20 燃料的颗粒排放特 性 结果表明在加装 DOC 和 CDPF 后 颗粒总数量下降明显 同时燃用 B20 燃料 的净化效率更高于纯柴油 4 颗粒微观结构研究 Lee 等 48 根据分形理论 对一台涡轮增压高压共轨柴油机排气颗粒的 SEM 和 TEM 的图像进行研究 结果表明其排气颗粒的分形维数范围为 1 5 1 7 马志豪等 49 利用高分辨率透射电镜 HRTEM 对 ESC 循环下 DOC 与 DPF 作 用前后的颗粒微观形貌与结构进行了观察 颗粒的粒子组成呈球形 经过 DOC 后 颗粒轮廓清晰 结构向链状转化 再经过 DPF 后 结构又向葡萄型转化 张小玉等 50 依据 Brasil 算法 计算了柴油机掺烧不同黄连木籽生物柴油比例 后的颗粒的分形维数 表明随着生物柴油掺混比例的增加 分形维数逐渐增大 结构逐渐紧凑 而且原始碳粒子的层面间距会逐渐减小 氧化活性会逐渐降低 综上所述 对于 CDPF 捕集过程 CDPF 及组合 DOC 后的排放特性有待深入 研究 同时对于 CDPF 以及 DOC 对颗粒的微观结构影响的研究也较少 1 6本文主要研究内容本文主要研究内容 随着排放法规的日益严格 柴油机的后处理技术已成为研究热点 在 DPF 的 基础上 CDPF 可在净化颗粒的同时 将柴油机排气成分中 CO HC 和 NO 等成 分进行催化转化 实现 DPF 载体的连续再生 为深入研究 CDPF 的捕集特性及对 气体污染物和颗粒结构特征的影响 本文首先运用数值模拟方法 建立 CDPF 捕 集模型 计算在不同参数条件下 CDPF 的捕集特性 探明 CDPF 内部气流分布及 颗粒分布演变规律 通过台架试验 分析 CDPF 和 DOC CDPF 对柴油机排放性能 的影响 并对其颗粒的微观形貌及结构进行研究 为设计高性能的 CDPF 提供参 考 主要研究内容如下 1 基于 GT POWER 和 AVL FIRE 软件建立 CDPF 一维和三维模型 搭建 相关试验台架 测量 CDPF 压降的变化规律 并与模拟值进行比较 验证模型的 准确性 2 采用数值模拟方法 探讨 CDPF 捕集过程时内部流场及颗粒分布的变化 万方数据 柴油机催化型 DPF 捕集过程数值模拟及排放性能试验研究 12 情况 运用 CDPF 流场模型 压降模型和碳烟预测模型研究直径比 CPSI 和过滤 壁厚对 CDPF 捕集过程的影响 并优化 CDPF 结构参数 深入探讨在最优结构参 数条件下 CDPF 内部压力分布 气流速度分布和颗粒分布特性 分析颗粒沉积量 和入口流量等因素对捕集过程的影响 3 搭建柴油机试验台架 在标定转速不同负荷下 对比研究 CDPF 和 DOC CDPF 对柴油机排放性能的影响 通过 TEM 试验 对比研究 DOC CDPF 前 后柴油机颗粒的微观形貌及结构变化规律 同时运用图像处理方法 分析颗粒群 的平均粒径 运用计盒维数算法 对 DOC CDPF 前后颗粒物样品图像进行计盒维 数计算 拟合曲线后得到分形维数 万方数据 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 第二章第二章催化型催化型 DPF 数值模型的建立及验证数值模型的建立及验证 本文的数值模拟工作基于 GT POWER 的一维模型以及 AVL FIRE 软件中的后 处理系统模块 该模块以质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律以及组分 守恒定律为基础 51 能对 CDPF 内部气流流动 颗粒沉积和捕集过程等进行计算 本章主要对 CDPF 模型原理及基本模型进行介绍 并对模拟计算中较为关键的一 维到三维建模及边界条件设置进行说明 由于不同模型参数对模拟结果影响较大 因此对计算值与试验值进行比较 用来验证 CDPF 数值模型的准确性 2 1模型假设模型假设 结合捕集过程中催化型 DPF 内部颗粒沉积的特点 可对模型做以下假设 52 53 1 在 CDPF 内部的进 排气孔道径向位置都不存在气体状态参数的变化 2 流入 CDPF 内部的气体可视为理想气体 3 颗粒成分中无硫酸盐成分 仅仅考虑为单一的碳元素 且颗粒在孔道内 壁面上呈均匀分布状况 4 当气流以较低流速进入 CDPF 时 气流流入各个孔道后 视为层流运动 5 将催化涂层与过滤壁面看作一个整体 其壁面渗透率等物理参数与过滤 壁面相一致 2 2CDPF数值理论模型数值理论模型 与传统 DPF 结构相似 CDPF 是由三个主要部分组成 进气孔道 壁面和涂 层和排气孔道 图 2 1 为 CDPF 结构 v1和 v2分别为进