柴油车颗粒捕集器的理论分析与试验研究

作     者：杨华龙 

作者单位：东北林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：齐英杰

授予年度：2016年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：柴油车 颗粒捕集器 捕集机理 试验研究 计算流体力学 

摘      要：柴油车与汽油车相比,具有功率大、低排放、动力性能好、可靠性高、使用寿命长等优点,因此从节约能源、降低燃料成本角度来讲,柴油车的推广使用具有重要意义。但柴油车有害颗粒物的排放却是汽油车的30～70倍,这种颗粒物严重地污染环境并危害人类健康,因此其净化技术一直是人们研究的热点。颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)是控制柴油车微粒排放最有效的后处理净化装置,随着我国排放法规的日益苛刻,后处理装置的排放限值越来越低,这就要求后处理技术的检测方法不断地进行改进和完善。因此深入开展柴油车DPF的研究是十分必要的。本文主要采用理论分析、数值计算、试验研究相结合的方法对DPF的性能指标进行检测研究。通过基于填充床捕集理论建立了微粒捕集过程的数学模型,并利用Matlab模拟计算分析了过滤体的微孔孔径、捕集微粒粒径、柴油车的排气流量和排气温度对颗粒捕集器三种捕集机理的影响。分析了壁流式颗粒捕集器的捕集过程,建立了空载和负载时DPF压降的数学模型,得出了排气流量随压降变化的曲线关系。同时运用计算流体力学的FLUENT软件对颗粒捕集器三维模型进行网格划分和边界条件的设定,从理论上进一步分析了DPF捕集颗粒物时内部流速、压力和温度的分布情况,以及内部气流的运动情况。根据试验室现有的仪器设备,并结合现阶段我国柴油车排放控制技术的特点和要求,以及国家在用标准GB17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》和HJ451-2008《环境保护产品技术要求柴油车排气后处理装置》等相关内容,完成了柴油车可拆卸式DPF性能检测试验台架的搭建。通过颗粒捕集器的性能检测试验,验证了DPF捕集过程、空载、负载时压降数学模型以及理论分析的正确性。结果表明在整个微粒捕集过程中,布朗扩散起主导作用,减小排气流量和提高排气温度均能提高布朗扩散捕集系数和综合捕集系数,而排气流量和排气温度对直接拦截捕集机理的影响不大;随着柴油机排气流量的增加,空载和负载DPF的压降都近似呈线性增加,而负载DPF的压降值要比空载时高很多。最后得出,该样品的各项性能指标符合国家标准,同时也为研发高捕集效率的DPF奠定理论依据和试验基础。