催化型DPF碳烟捕集及连续再生机理研究

作     者：陈伟 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高莹

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：催化型DPF 碳烟捕集 连续再生 碳烟加载量预测 部分再生 

摘      要：催化型DPF(Catalyzed Diesel Particulate Filter:CDPF)主动再生结合连续被动再生技术是面向欧Ⅵ的DPF子系统关键技术之一。准确的碳烟加载量预测是启动安全可靠主动再生的重要环节,由于催化型DPF连续被动再生在低排温(约260℃)就开始氧化捕集的碳烟,影响基于单纯物理过程的碳烟加载量预测方法的精度。为解决以上问题,本文以载体容积为5.8L、催化剂涂覆量为30g/L的催化型DPF为研究对象,运用GT-POWER软件建立CDPF模型,结合试验与仿真结果研究碳烟捕集和连续再生机理,探索连续被动再生对碳烟捕集过程的影响规律,建立连续被动再生发生时的碳烟加载量预测模型。本文研究的主要结论如下:1、CDPF纯物理的碳烟捕集过程主要分为深床捕集和饼层捕集两个阶段。在深床捕集阶段碳烟沉积在载体壁面微孔内部,仿真结果表明,虽然深床捕集到的碳烟只占总碳烟量的3%,但最大压降可占总压降的78%;在饼层捕集阶段碳烟沉积在载体壁面表层,占总碳烟量的97%,试验和仿真结果都表明饼层捕集阶段压降呈线性增长。碳烟在壁面内部分布不均匀,造成沿排气渗流方向不同位置的壁面渗透率减小,深床捕集阶段的压降快速上升。因此忽略深床捕集到的碳烟,只关注其对压降的贡献,将饼层捕集到的碳烟量近似为总碳烟量,得到碳烟捕集过程压降随碳烟量的线性变化关系。分析排气流量、入口温度、微粒粒径对捕集特性的影响,为预测不同工况下CDPF压降随碳烟量的线性变化规律提供依据。2、CDPF再生试验研究表明,CDPF在入口NO2浓度为6ppm的情况下依然能达到97.6%的再生效率,仿真明确“催化涂层将NO转化为NO2、发生NO2反向扩散是再生持续高效进行的根源。随着CDPF入口的温度、O2浓度、NO2浓度的升高,排气流量的降低,连续再生效率越高;NO2与PM的质量比大于2时CDPF内的碳烟再生速率大于碳烟沉积速率,质量比越大,CDPF内剩余碳烟量越少。3、当连续再生发生时,对比CDPF入口温度与连续再生平衡点温度,获得碳烟沉积速率与再生速率的关系,建立碳烟量和压降的变化模型。连续再生平衡点温度仿真结果表明:在发动机转速1100r/min、转矩259N.m(50%负荷)的工况下,单独CDPF连续再生平衡点温度为325℃。对比纯物理的碳烟捕集过程,当CDPF入口温度低于连续再生平衡点温度50℃时,压降平均相差4%,总碳烟量平均相差4.8%,此时连续再生的影响可忽略;当CDPF入口温度低于连续再生平衡点温度5℃,连续再生不可忽略,壁面内部碳烟先于饼层碳烟被再生消耗掉而恢复洁净状态,导致压降明显降低。此时壁表面已沉积的碳烟(0.69g/L)将阻止后续碳烟进入壁面内部,只能被饼层捕集,而此时受连续再生的影响,饼层捕集阶段压降和总碳烟量都呈非线性上升趋势。4、综上所述,压降法预测碳烟加载量只适用于纯物理的碳烟捕集过程,连续再生可造成CDPF部分再生,压降法对部分再生后的CDPF纯物理碳烟捕集过程的碳烟量预测值比实际值小2.1g/L。因此建立连续再生发生时的碳烟加载量预测模型。基于模型的碳烟加载量预测结果表明:在发动机转速1100r/min、转矩259N.m工况,CDPF入口温度为275℃时,碳烟加载量预测值为4g/L,误差为4.7%;CDPF入口温度为380℃,初始碳烟加载水平为3g/L时,碳烟加载量预测值为1.8g/L,误差为3.7%。准确的碳烟加载量预测模型为基于模型的主动再生控制策略研究奠定了基础。