重型柴油机碳烟捕集及主动再生特性的研究

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1、重型柴油机碳烟捕集及主动再生特性的研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：曹东晓指导教师：帅石金教授二○一五年五月StudyofSootFiltrationandActiveRegenerationCharacteristicsforHeavy-DutyDieselEnginesDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofEnginee

2、ringinPowerEngineering&EngineeringThermophysicsbyCaoDongxiaoDissertationSupervisor:ProfessorShuaiShijinMay,2015摘要摘要柴油机颗粒捕集器（DPF）是目前降低柴油机颗粒物（PM）排放最有效的后处理装置，但PM在DPF内累积到一定量后需要进行再生，通过在柴油机氧化催化器（DOC）上游排气管喷射柴油，利用柴油氧化释放的热量将DPF中PM氧化的主动再生技术，已经成为柴油机满足未来严格排放法规的关键技术之一。本研究借助试验和数值模拟手段，

3、针对DPF碳烟捕集及压降特性、排气管柴油喷雾特性、DOC内柴油氧化特性、DPF主动再生温度特性等开展了一系列的研究工作。通过发动机台架试验、数值模拟等手段研究了DPF的压降特性，并建立了DPF碳烟捕集模型。研究表明，空载DPF的压降随着排气温度的增加呈线性增长，当排气温度过高时，压降增加呈现出非线性；在深层捕集阶段，DPF压降上升较快，在表面捕集阶段，DPF压降上升较慢；在碳烟捕集过程中，DPF碳烟分布呈现两端多中间少，中心多边缘少的规律，随着碳载量的增加，碳烟分布不均匀性降低。通过发动机台架试验，分析了DOC内柴油氧化特性。试验结果表

4、明，通过管路喷油的方式，可以有效地提高DOC出口处排气温度；空速、柴油喷射策略、DOC入口温度等参数，对DOC内的柴油氧化特性以及温度特性影响明显；DPF主动再生对DOC的氧化性能要求较高。利用高速摄影和相位多普勒粒子分析（PDPA）的试验手段，分析了排气管柴油喷雾特性，并建立了相应的喷雾模型。研究表明，柴油喷雾贯穿距和喷雾锥角随着喷射速率的增加而增大；增加喷射速率会影响喷雾边缘形态；喷射速率对喷嘴出口处粒径分布有较大影响；沿喷雾轴线方向液滴的索特平均直径（SMD）随大粒径液滴数的变化而变化。利用数值模拟手段，解析了柴油喷雾氧化过程、D

5、PF内碳烟氧化过程以及温度特性。模拟结果显示，柴油喷雾特性决定排气管路和DOC入口处的碳氢（HC）分布；DOC出口处温度分布与DOC入口处HC分布具有密切的对应关系；碰壁及重力作用使HC向管路底部集中；管路底部柴油过浓使DOC出口截面底部对应区域温度较低；DPF主动再生时，高温区域分布在DPF底部和后端；空速和氧气浓度需控制在合适的范围内，空速过高或者氧气浓度过低会导致DPF再生不完全，空速过低或氧气浓度过高则会导致DPF温度过高。关键词：柴油机颗粒捕集器（DPF）；碳烟捕集；主动再生；试验研究；数值模拟IAbstractAbstrac

6、tDieselParticulateFilter(DPF)isthemosteffectiveaftertreatmentdevicetoreduceparticulatematter(PM)emissionsfromdieselengine.WhenthePMtrappedintheDPFreachesacertainamount，itneedstoberegeneratedtorecoveritsfiltrationefficiency.Usingtheheatreleasedbythedieselfuelinjectedintot

7、heexhaustpipeupstreamofDieselOxidationCatalyst(DOC)totriggertheDPFactiveregenerationhasbecomeoneofthekeytechnologiestomeetthestringentemissionregulationsinthefuture.ThisthesisstudiedtheDPFsootaccumulationprocessandpressuredropcharacteristics,thedieselspraycharacteristics

8、intheexhaustpipe,thedieseloxidationcharacteristicsandthetemperaturedistributionintheDOC,thetemperaturec