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催化型微粒捕集器碳烟分布及其影响因素

吉林大学学报（工学版） 2018年第5期48卷 1466-1474页

作者：李志军汪昊何丽曹丽娟张玉池赵新顺天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072 天津市津聿动力科技有限公司天津300221 广东白云学院机电工程学院广州510450

建立了催化型柴油机微粒捕集器(CDPF)的数学模型,通过相关试验验证了模型的正确性,分析了CDPF排气参数和结构参数对碳烟分布的影响。研究结果表明:壁面层的碳烟质量浓度呈现先急剧上升后缓慢减少的特点;滤饼层的碳烟分布呈现两端高、轴... 详细信息

建立了催化型柴油机微粒捕集器(CDPF)的数学模型,通过相关试验验证了模型的正确性,分析了CDPF排气参数和结构参数对碳烟分布的影响。研究结果表明:壁面层的碳烟质量浓度呈现先急剧上升后缓慢减少的特点;滤饼层的碳烟分布呈现两端高、轴向无量纲位置x=0.3左右的位置最低的分布特性。随着排气参数(温度、流量、氧体积分数、NO2体积分数)的增大,壁面积累碳烟质量浓度减少,其中温度的影响最大;排气流量的增大会使滤饼层碳烟分布最低点位置逐渐向前端移动。结构参数(长径比、进出口孔径比、孔密度)对滤饼层碳烟分布形状影响较大,随着结构参数的增大,滤饼层碳烟分布趋于不均匀,其中孔密度的变化对滤饼层碳烟分布影响最大,孔密度的增大会使最低点位置向后端移动;进出口孔径的增大使最低点位置向前端移动。

关键词：动力机械工程催化型微粒捕集器碳烟分布排气参数

催化型微粒捕集器辅助再生性能和碳烟分布特点研究

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催化型微粒捕集器辅助再生性能和碳烟分布特点研究

作者：何丽天津大学

学位级别：硕士

本文通过研究非对称结构的催化型DPF(Diesel Particulate Filter),得到了最佳非对称比,研究了催化再生性能,并对碳烟在孔道和壁面内的分布特点和影响因素做了相应的分析,对增大碳烟容载能力、延长捕集器寿命以及后处理系统的耦合研究具... 详细信息

本文通过研究非对称结构的催化型DPF(Diesel Particulate Filter),得到了最佳非对称比,研究了催化再生性能,并对碳烟在孔道和壁面内的分布特点和影响因素做了相应的分析,对增大碳烟容载能力、延长捕集器寿命以及后处理系统的耦合研究具有重要意义。首先利用验证的模型,对比不同条件下的压降得到最佳非对称比,结果表明,一定条件下,不同碳载量下的最佳非对称比为1.4。排气流量较高时,最佳非对称比为1.4,排气流量较低时,最佳非对称比为1.3。0 g/L碳载量条件下,温度低于345°C时,最佳非对称比为1.4,温度高于345°C时,最佳非对称比为1.3;而在6 g/L碳载量条件下,最佳非对称比为1.4。不同氧浓度条件下,碳载量为0g/L和6 g/L时最佳非对称比均为1.4。不同NO浓度时,0 g/L碳载量下最佳非对称比为1.3,6 g/L碳载量下最佳非对称比为1.4。虽然不同条件下的最佳非对称比不同,但是在本文的研究条件下其范围可以确定在1.3-1.4之间。通过对CDPF被动再生性能和出口端的NO/NO的研究发现,CDPF入口温度在330°C左右碳烟沉积速率和氧化速率相等,达到平衡。对比不同温度下其他参数对辅助再生性能的影响结果发现,温度对再生速率的影响占主导地位,再生速率在低温和高温时基本不随其他参数变化。排气温度为330°C时,沉积速率和氧化速率平衡时其他参数的数值分别为:空速11.8 s,O浓度15%,NO浓度60 ppm。基于本文的计算工况,CDPF出口端NO/NO的范围为0.20-0.65。进口温度增加,NO/NO先增加后减少,在300°C左右NO/NO达到最高;NO/NO随着空速的增大而减小;随着NO、O、NO/PM的增加,NO/NO随之增加,其中对CDPF出口端NO/NO影响程度:O>NO/PM>NO。最后研究了CDPF的碳烟分布特点及其影响因素。碳烟分布特点:壁面层碳烟先急剧上升到某一峰值后缓慢减少;滤饼层碳烟厚度两端高(孔道后端厚度略高于前端)、轴向无量纲位置x=0.3左右最低。随着排气参数(温度、流量、氧浓度、NO浓度)的增大,壁面碳烟量减少;排气流量的增大会使滤饼层碳烟最低点逐渐向前端移动。结构参数(长径比、进出口孔径比、孔密度)对滤饼层碳烟分布均匀性影响较大,随着各参数的增大,滤饼层碳烟分布趋于不均匀,其中孔密度的变化对滤饼层碳烟分布影响最大,孔密度的增大会使最低点位置向后端移动;进出口孔径的增大使最低点位置向前端移动。

关键词：催化型微粒捕集器非对称比压降碳烟分布不均匀度

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催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能研究

催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能研究

作者：谢勇湘潭大学

学位级别：硕士

缸内直喷式汽油车的动力性和燃油经济性相比于传统汽油机显著提高,从而在新型汽油车辆中逐渐广泛应用,然而缸内直喷技术由于其固有的混合气制备方式和燃烧机制,导致了较高的细微粒排放。催化型汽油机微粒捕集器系统是降低汽油车微粒排... 详细信息

缸内直喷式汽油车的动力性和燃油经济性相比于传统汽油机显著提高,从而在新型汽油车辆中逐渐广泛应用,然而缸内直喷技术由于其固有的混合气制备方式和燃烧机制,导致了较高的细微粒排放。催化型汽油机微粒捕集器系统是降低汽油车微粒排放最有效的后处理技术之一,吸引了国内外科研工作者的重点关注。目前,对于催化型微粒捕集器系统的研究主要集中在单一的催化转化器或微粒捕集器净化性能和再生性能等方面,对催化型微粒捕集器系统再生性能缺乏深入分析。由于各关键影响参数均对催化型微粒捕集器系统再生性能具有不同程度的影响,因此,探究各关键影响参数对其再生性能的影响规律对提高汽油机微粒排放控制效果具有重要意义。在催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能研究过程中,如何辨析各关键影响参数对其再生性能的影响,以及如何提高其再生性能是亟待解决的重要问题。为此,本文以国家自然科学基金面上项目（52076184）、国家自然科学基金青年项目（51606162）及湖南省自然科学基金（2017JJ4052）为依托,采用数值模拟与实验相结合的方法对催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能进行了深入研究,探究了多种关键影响参数对其再生性能的影响规律。主要工作如下:（1）针对汽油机双载体催化转化器转化性能进行了研究。建立了双载体催化转化器数值计算模型,并采用数值分析方法探究了排气流量、排气氧浓度、排气NO浓度、双载体孔密度比、双载体孔道壁厚比和双载体长度比等关键影响参数对双载体催化转化器转化性能的影响规律。（2）针对电加热式催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能进行了研究。建立了催化型汽油机微粒捕集器系统的数值计算模型,其次,将传统和电加热式催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能进行了对比分析,并采用数值分析方法探究了多种关键影响参数对电加热式催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能的影响规律。（3）针对径向变孔密度催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能进行了研究。建立了径向变孔密度催化型汽油机微粒捕集器系统的数值计算模型,并采用数值分析方法探究了多种关键影响参数对其再生性能的影响规律。（4）采用正交试验方法综合探究了多种关键影响因素对电加热式催化型汽油机微粒捕集器系统和径向变孔密度催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能的综合影响规律。此外,通过极差分析方法确定了关键影响因素对微粒燃烧率的影响权重。本文采用数值模拟与实验相结合的方法详细探究了多种关键影响参数对催化型汽油机微粒捕集器系统再生性能的影响规律,其研究结果将对提高汽油机尾气污染物排放控制效果提供重要的参考价值。

关键词：汽油机再生性能微粒燃烧率 NO转化率催化型微粒捕集器

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高原柴油机微粒捕集器催化再生特性模拟研究

高原柴油机微粒捕集器催化再生特性模拟研究

作者：杨杰昆明理工大学

学位级别：硕士

面对环境污染的日益严重,各国排放法规不断升级,催化型微粒捕集器(CPF)具有捕集和再生两大功能,其在满足欧6排放法规技术路线中对降低机外颗粒物发挥重要作用。我国高原占地面积广,高原环境给现代高效低排放柴油机及其后处理开发带来更... 详细信息

面对环境污染的日益严重,各国排放法规不断升级,催化型微粒捕集器(CPF)具有捕集和再生两大功能,其在满足欧6排放法规技术路线中对降低机外颗粒物发挥重要作用。我国高原占地面积广,高原环境给现代高效低排放柴油机及其后处理开发带来更大挑战。本文首先针对加装CPF的YN38CRD1共轨柴油机为研究机型,针对外特性、ESC和ETC台架试验研究表明：加装CPF后,随转速升高,发动机功率下降且功率损失越大,在3000r/min时,功率损失以及油耗升高最大;ESC试验表明,加装CPF后排气背压大幅度上升,且随转速和负荷增大而升高。小负荷加装CPF会导致柴油机NOx有所提高,但大负荷时对NOx影响较小;ESC试验中加装CPF后的颗粒转化效率达90%,ETC试验中颗粒转化效率达99%。由此表明,CPF的捕集效率较高,加装CPF能有效控制颗粒物排放。本文采用AVL Boost、GT-Power以及AVL Fire,以D19高压共轨柴油机为研究机型,构建了整机一维热力学仿真模型及CPF三维CFD与碳烟再生机理相耦合的仿真模型,开展了进、排气特征参数以及喷油控制策略耦合EGR对CPF再生过程影响的数值模拟研究。针对排气特征参数的研究表明：与DPF相比,CPF将再生温度降低约150℃且再生效率更高,但会增大N02;排气温度(排温)为450℃时,CPF再生性能改善作用最大,排温为350℃时,CPF出口NO2最高：排温达到4000C以上,增大排气中的02浓度能高效提升CPF的再生效率,且其提高作用随排温升高而逐渐增大;在250℃-450℃排温区间,增大排气中的N02浓度能高效提升CPF的再生效率。在排温为400℃时,提高N02浓度对CPF再生性能改善的作用最大,当排温超过500℃时,其改善作用变弱。针对进气特征参数的研究表明：随大气氧浓度减小,CPF沉积颗粒的氧化速率和压降的下降速率都显著减缓,其进、出口两端的NOx及NO2降低：海拔升高不利于CPF的再生,但CPF压降和再生最高温度降低,且能有效减少CPF出口端的N02;海拔对CPF再生过程的影响是大气氧浓度和大气压力的综合效应,其中大气氧浓度占主导作用;针对海拔2km高原环境,EGR率增大至15%时,CPF再生性能己明显减弱,高原环境下采用EGR会进一步加剧CPF的再生困难;EGR率对NO2的降低作用大于其对NO的降低作用。针对喷油参数耦合EGR对发动机工作过程和CPF再生性能影响的研究表明：随主喷定时推迟,扭矩先升后降。随EGR率增大,发动机扭矩下降,且随主喷定时推迟时对扭矩的不利作用更大;主喷定时从-22.6℃A ATDC推迟至-10.6℃A ATDC时,CPF再生速率和残余颗粒变化较小。但主喷定时从-10.6℃A ATDC推迟至1.4℃A ATDC,CPF残余颗粒、压降以及N02迅速降低。随EGR率增大,CPF再生性能变差,EGR率增大至35%时,对发动机性能以及后处理系统的不利影响较大;随喷油压力提高,扭矩最高点对应的主喷定时向后推迟,缸内NOx增大。主喷定时较为靠前时,提高喷油压力使扭矩降低,且导致缸内NOx快速增加,但有利于CPF再生;主喷定时较为靠后时,提高喷油压力使得扭矩增大,但会导致CPF再生性能变差、NO2排放与NO2/NOx质量比同时增大。针对后喷策略耦合EGR对发动机工作过程和CPF再生性能影响研究表明：采用后喷之后,随后喷时刻推迟,发动机比油耗、NOx和排气流量逐渐增大,CPF残余颗粒和压降呈先减小后增大的变化趋势。后喷时刻为18℃A ATDC时,CPF再生性能最佳,同时NO2质量分数及NO2/NOx质量比最低;随后喷油量增加,比油耗和排气温度上升,NOx降低。增大后喷油量有利于CPF再生,后喷时刻为18℃A ATDC且后喷油量为15mg时,CPF再生性能最佳。由此表明,综合考虑燃油经济性与CPF再生效率,应选择合理的后喷时刻与油量;此外,对于单次喷射,提高EGR率对CPF再生速率影响较小,但可显著降低CPF压降与NO2;采用后喷且后喷时刻靠后时,EGR率增大使CPF再生速率显著降低,且对压降及NO2降低作用减弱,同时CPF最佳再生效率对应的后喷时刻随EGR率增加而前移。

关键词：共轨柴油机催化型微粒捕集器高原环境再生过程 EGR 喷油策略

喷油策略耦合EGR对柴油机燃烧过程与CDPF再生性能的影响

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内燃机工程 2017年第3期38卷 131-141页

作者：陈贵升王凯杨杰张韦徐劲松雒婧昆明理工大学云南省内燃机重点实验室昆明650500 河北工业大学能源与环境工程学院天津300401

以匹配了可变截面几何增压系统(VGT)的D19高压共轨柴油机为研究机型,采用GT-Power和AVL FIRE构建了一维热力学整机模型和催化型微粒捕集器(CDPF)三维仿真模型,针对3 000r/min、50%负荷工况,研究了喷油策略耦合废气再循环(EGR)对燃烧过程... 详细信息

以匹配了可变截面几何增压系统(VGT)的D19高压共轨柴油机为研究机型,采用GT-Power和AVL FIRE构建了一维热力学整机模型和催化型微粒捕集器(CDPF)三维仿真模型,针对3 000r/min、50%负荷工况,研究了喷油策略耦合废气再循环(EGR)对燃烧过程和CDPF再生性能的影响。研究表明:随主喷定时提前,有效燃油消耗率(BSFC)先降后升,排气温度降低,排气流量与氧浓度变化则较小,排气中一氧化氮(NO)增加,CDPF再生速率逐渐降低,颗粒物残余量、压降与CDPF出口端二氧化氮(NO_2)同时增加;随EGR率增大,BSFC和排气温度升高,排气流量、排气氧浓度、排气中NO浓度则同时降低。在主喷定时较晚时,随EGR率增大,CDPF再生速率先升后降,颗粒物残余量先降低后略升高;而在主喷定时较早时,随EGR率的增大,CDPF再生速率降低,颗粒物残余量增多。在主喷定时较晚时,提高喷油压力使BSFC和排气温度明显降低;而在主喷定时较早时,提高喷油压力导致BSFC反而快速增加。此外,随喷油压力提高,排气流量与氧浓度变化较小,排气中NO浓度增加,CDPF再生速率逐渐减小,颗粒物残余量、压降和CDPF出口端NO_2排放同时升高。总体上,相比喷油压力,主喷定时对CDPF再生过程影响更大。

关键词：共轨柴油机喷油策略废气再循环催化型微粒捕集器再生性能

柴油机CPF捕集及主被动再生性能的数值模拟研究

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柴油机CPF捕集及主被动再生性能的数值模拟研究

作者：杨士超天津大学

学位级别：硕士

柴油机排气微粒已经对人类健康构成了巨大威胁，催化型微粒捕集器CPF（Catalytic Particular Filter）技术因为能够实现连续被动再生而得到了国内外内燃机工作者的广泛关注。本文基于AVL软件平台建立了CPF的数值模型。引入PM（Particula... 详细信息

柴油机排气微粒已经对人类健康构成了巨大威胁，催化型微粒捕集器CPF（Catalytic Particular Filter）技术因为能够实现连续被动再生而得到了国内外内燃机工作者的广泛关注。本文基于AVL软件平台建立了CPF的数值模型。引入PM（Particulate Matter）催化再生百分比参数用以评价CPF催化剂催化效率以及进口条件对催化效率的影响并依据催化效率区间选择催化剂涂覆量大小;分析了壁面渗透率、孔密度、进出口比例等对CPF碳烟层形成过程及压降特性影响;研究了不同过滤体孔道形状、壁面渗透率、碳烟渗透率等参数对CPF主动再生频率及主动再生最高温度的影响;同时，研究分析了灰分对CPF捕集以及主被动再生性能的影响。结果表明： (1)总碳烟层及滤饼过滤层碳烟再生时，在特定进口条件下催化剂催化效率达到峰值，并随着初始碳烟量增加、进出口比例变大而提高，深层过滤层碳烟在657K～710K温度范围内被集中氧化，催化剂效率与尾气组分比例无关，对温度变化较敏感。 (2) CPF催化剂效率随着孔隙率及进出口比例的提高而提高，但总体影响较小。 (3)壁面渗透率越大，碳烟趋向于过滤体轴向两端累积并且分布更加均匀;随着进出口比例和孔密度的增大，滤饼碳烟层形成初始时刻最早。 (4)正四边形、正六边形、正八边形三种形状孔道的载体中，正六边形孔道CPF总压降最小、主动再生频率最低;正四边形孔道CPF主动再生最高温度最低。 (5)正四边形孔道载体，在高壁面渗透率及高碳烟渗透率情况下，总压降较小、主动再生频率较低，有利于提高燃油经济性;在高壁面渗透率和低碳烟渗透率情况下主动再生最高温度较低，有利于延长CPF寿命。 (6)初始灰分量越小、灰分分布系数越大，总压降越小，过滤器压降特性越好;初始灰分量越小，CPF主动再生频率越低，有利于提高柴油机燃油经济性;随着灰分分布系数和灰分渗透率的增大，最高再生温度越小，有利于延长CPF使用寿命。

关键词：催化型微粒捕集器物性参数再生催化剂效率灰分

高原环境下燃料特性对压燃式发动机燃烧和排放特性的影响

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高原环境下燃料特性对压燃式发动机燃烧和排放特性的影响

作者：徐辉昆明理工大学

学位级别：硕士

本文研究背景是在2000米高海拔地区,由于高原地区大气压力和氧浓度偏低,通过掺混生物质含氧燃料改变燃油品质是恢复高原柴油机性能的有效措施。本文以D30型高压共轨柴油机为研究机型,首先开展了原机台架万有特性试验,以检验D30的性能和... 详细信息

本文研究背景是在2000米高海拔地区,由于高原地区大气压力和氧浓度偏低,通过掺混生物质含氧燃料改变燃油品质是恢复高原柴油机性能的有效措施。本文以D30型高压共轨柴油机为研究机型,首先开展了原机台架万有特性试验,以检验D30的性能和排放,且为外特性下柴油掺混燃烧生物质含氧燃料(15%掺混比生物柴油记作D85E15、15%掺混比正丁醇记作D85B15、15%掺混比聚甲氧基二甲醚记作D85P15、15%掺混比正戊醇记作D85A15)提供原机对比数据。试验表明:以国V柴油为基础燃料,柴油机的动力性能会随着掺混燃料含氧量的增加而降低,且比油耗和NOx排放同时升高,而低转速全负荷下的不透光烟度和CO排放明显下降。综合分析几种燃料得知,柴油机在2000米高海拔地区燃烧低比例正丁醇-柴油混合燃料的综合性能相对较好。其次开展了压燃式发动机在不同转速恒扭矩(50N·m)时燃用不同理化特性的燃料对柴油机性能、排放及后处理性能的影响。试验表明:在中低转速下燃用掺混20%的聚甲氧基二甲醚(D80P20)有效热效率明显较高。在高转速下燃用掺混20%正戊醇(D80A20)NOx排放较低,且在中低转速时CO排放较低。在加装后处理氧化催化转化器(DOC)和催化型微粒捕集器(CDPF)后燃用D80A20对CO排放的转化效率效果显著,且在加装后处理DOC+CDPF燃用D80A20对CO排放的转化效率相对D80P20较高。在高转速下,燃用国V柴油在加装后处理时DOC+CDPF的总压差显著高于加装后处理CDPF的压差。在高转速时,燃用D80A20加装后处理DOC+CDPF的总压差较大。燃用D80P20在高转速时背压较大。三种不同理化特性的燃料在低转速时,DOC前端的排气温度差距不明显。只有在高转速下,三种燃料的DOC前端和DOC后端及CDPF后端的排气温度差距才会较大。但DOC后端与CDPF后端的排气温度相差较小。综合分析不同转速恒扭矩工况下,燃用D80A20的综合性能相对较好。在不同转速定扭矩的CDPF再生过程中,随着转速的增加,燃用D80A20的有效热效率急剧上升,而D80P20上升幅度较小,且转速较高时还有降低的趋势。燃用D80P20的NOx排放明显较高,但CO的排放随着转速的增加趋于0。燃用D80A20的NOx排放相对D80P20显著较低,而中低转速时CO排放较高。CDPF再生试验中加装后处理DOC时燃用D80P20的CO转化效率接近于100%。燃用D80A20和柴油对CO的转化效率趋势基本一致。燃用D80P20和D80A20随着转速的增加,CDPF对CO的转化效率逐渐降低。在不同转速恒扭矩CDPF再生过程中,随着转速的升高,柴油背压较大。加入含氧燃料D80P20和D80A20时,颗粒物再生缓慢,所以背压较小。燃用纯柴油和D80A20所表现出的DOC前端排气温度显著低于DOC后端和CDPF后端。而燃用D80P20所表现出的DOC前端、DOC后端及CDPF后端的排气温度趋势一致且相差较小。综合分析在不同转速恒扭矩CDPF再生过程中,燃用D80P20综合性能相对较好。根据D30高压共轨柴油机主要技术参数,通过Converge仿真软件耦合所构建的乙醇/生物柴油机理,模拟研究不同EGR率(0%、25%、45%)和不同掺混比下对压燃式发动机燃烧与排放特性的影响。研究表明:在等EGR率下随着乙醇掺混比的增加,缸内最高爆发压力呈现升高的趋势,Soot的排放有所降低。当EGR率较大时,NO的排放终值降低,而Soot排放有所升高。在等掺混比时,随着EGR率的增加使得Soot的排放表现出逐步增加,NOx的排放表现出逐步下降,且NOx排放下降幅度比较显著。EGR率固定为45%,研究了在不同喷油时刻(0°CA BTDC、6°CA BTDC、12°CA BTDC、18°CA BTDC、24°CA BTDC和30°CA BTDC)下,两种不同理化特性的燃料随着喷油提前角的增大,使得燃烧期前移、滞燃期增大及预混更均匀,导致缸内瞬时放热率峰值以及缸内压力和温度均增大。根据不同喷油时刻下缸内燃烧产物的三维切片云图可知,随着喷油提前角的增大,不同掺混比混合燃料的缸内活性自由基(OH、O)浓度和CO增加,Soot生成量减少。随着喷油时刻的继续提前,燃料特性影响较小,所以当缸内温度和压力继续升高,NO排放上升。综合分析,在EGR率为25%乙醇掺混比为20%时(E20 EGR25)和喷油时刻为12°CA BTDC时柴油机的综合性能相对较好。

关键词：高原环境共轨柴油机燃料特性生物质含氧燃料催化型微粒捕集器 EGR

高原环境下DOC辅助CDPF工作特性与机理研究

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高原环境下DOC辅助CDPF工作特性与机理研究

作者：王凯昆明理工大学

学位级别：硕士

随着内燃机应用越来越广泛以及其保有数量的不断增加,对环境污染的影响日益严重。面对日益严格的节能减排要求,柴油机排放控制技术已成为国内外行业的研究热点,氧化催化器(DOC)和催化型微粒捕集器(CDPF)结合使用,不仅可以保证CDPF连续... 详细信息

随着内燃机应用越来越广泛以及其保有数量的不断增加,对环境污染的影响日益严重。面对日益严格的节能减排要求,柴油机排放控制技术已成为国内外行业的研究热点,氧化催化器(DOC)和催化型微粒捕集器(CDPF)结合使用,不仅可以保证CDPF连续可靠的工作,降低PM排放,还能有效降低HC和CO排放,其在满足日益严苛的排放法规的技术路线中发挥重要作用。我国高原占地面积广且国6排放法规中加入了对高原环境下柴油机的排放要求,这给高效低排放柴油机及其后处理开发带来更大挑战。本文在高原环境地区昆明,搭建了高原发动机台架,以D19共轨柴油机为研究机型,进行了原机万有特性试验。研究表明:随发动机转速和扭矩的不断升高,发动机进气流量和功率不断增大;比油耗先增大后减小,其油耗经济区主要集中在中等转速中高负荷;增压器在高转速时做功显著。不透光烟度较高区域主要在低转速中高负荷;NO排放随转速和扭矩的升高不断变大。排气氧浓度随转速升高不断增大,随负荷的升高不断减小,CO变化趋势则相反,CO随转速升高先减小后增大。在中低转速,排气温度随转速升高先减小后增大;在中高转速,变化趋势则相反。针对加装不同模式下后处理系统的外特性试验研究表明:加装后处理装置后,进气流量、扭矩和功率均有所下降,其中加装DOC+CDPF的下降幅度最大。三种后处理装置捕集碳烟的效果均比较高,DOC后端不透光度较高,NO排放有所下降,单独加装CDPF和DOC+CDPF的后端CO排放全部接近于零排放,CO排放在中低转速大幅升高。在低转速时,单独加装CDPF和DOC+CDPF后端的温度明显升高,在中高转速时,后端温度开始低于前端温度,DOC+CDPF前后端温度开始趋于平稳。随转速的升高,单独加装CDPF前后端压差不断增大,在高转速时逐渐平稳,DOC+CDPF方案下CDPF前后端压差先增大后趋于平稳再逐渐减小。不同目数的DOC对发动机的动力性、经济性和排放性影响较小。针对DOC+CDPF后处理系统的耐久性试验研究表明:发动机在2000r/min、2500r/min和3000r/min的100%负荷时,随耐久性测试循环的进行,发动机进气流量、扭矩、功率和小时油耗相对原机略有下降,且在第3个循环后开始趋于平稳,空燃比逐渐升高。发动机不透光烟度和CO排放仍然趋于零排放,后处理装置在经过耐久性试验后,仍然保持着较高的净化效率。从整个耐久性测试循环试验来看,DOC和CDPF前后端温度和压差的变化规律均保持一致。对比原机耐久性试验前后,发动机在经过耐久性试验后,发动机的性能有所下降。在经过两个阶段的测试循环后,DOC和CDPF在发动机外特性试验中其前后端温度和压差趋势变化一致,捕集效率和再生效率仍然保持在较高水平。本文采用GT-Power一维模拟软件以及AVL Fire三维模拟软件,以匹配了VGT的D19高压共轨柴油机为研究机型,构建了整机一维热力学仿真模型及DOC+CDPF三维仿真模型,开展了DOC+CDPF内部气流运动场分析和喷油策略耦合EGR对柴油机燃烧过程以及CDPF再生性能影响的数值模拟研究。针对喷油策略耦合EGR对柴油机燃烧过程以及CDPF再生性能的研究表明:气体在经过稳流器后,DOC载体内速度场分布较为均匀,载体中的速度矢量分布较为均匀。随主喷定时提前,BSFC呈先降后升,排气温度降低,排气流量与氧浓度变化则较小,排气中NO升高,CDPF再生速率逐渐降低,颗粒物残余量、压降与CDPF出口端NO同时增加;随EGR率增大,BSFC和排气温度升高,排气流量、排气氧浓度、排气中NO则同时减小。在主喷定时较晚时,随EGR率增大,CDPF再生速率先升后降,颗粒物残余量先降后略升高。在主喷定时较晚时,提高喷油压力导致BSFC和排气温度明显降低;在主喷定时较早时,提高喷油压力导致BSFC反而快速增加。此外,随喷油压力提高,排气流量与氧浓度变化较小,排气中NO增加,CDPF再生速率逐渐减小,颗粒物残余量、压降和CDPF出口端NO排放同时升高。总体上,相比喷油压力,主喷定时对CDPF再生过程影响更大。采用后喷后,进气流量增加,NO在一定范围内低于单次喷射。随后喷时刻的推迟或后喷油量的减少,后喷燃油放热量逐渐降低,主喷放热速率峰值逐渐增加,其着火相位提前且放热持续期延长。在EGR率为25%时,随后喷时刻推迟和后喷油量增加,有效热效率、传热损失率和摩擦损失率均降低,但排气损失率增大。后喷时刻较早时,增大后喷油量使排气温度升高,NO和排气氧浓度则降低;后喷时刻较晚时,增大后喷油量反而降低排气温度,但排气中氧浓度增加。在后喷油量较小时,推迟后喷时刻使CDPF残余颗粒物增加;在后喷油量较大时,后喷时刻在一定范围内推迟时,CDPF残余颗粒物则减少;随后喷时刻推迟,CDPF压降和出口端NO排放增大。与单次喷射相比,合理的后喷可有效提高CDPF的再生效率。

关键词：高原环境共轨柴油机催化氧化器催化型微粒捕集器再生过程喷油策略

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搭建了重型柴油机加装DPF,CDPF,DOC+CDPF的高原试验台架,研究分析了发动机性能、后处理装置的温度和压差。结果表明,加装3种后处理装置,发动机动力性和经济性均有不同程度下降,其中DOC+CDPF下降幅度最大;3种后处理装置排放性均有不同程度改善,其中碳烟捕集效果均比较高,加装CDPF和DOC+CDPF的后端CO排放均趋近于零;DOC+CDPF方案中,CDPF前端的温度明显升高,促进碳烟在CDPF中再生;随转速的升高,单独加装CDPF前后端压差不断增大,在高转速时逐渐平稳,DOC+CDPF方案中,CDPF前后端压差先增大后趋于平稳再逐渐减小,综合性能DOC+CDPF方案最好。

关键词：重型柴油机氧化催化器催化型微粒捕集器排放