分会场

内燃机碳中和与排放控制

摘要

发动机在冷启动及加速等瞬态工况下，由于工作条件耦合变化极其复杂，即使配备了尾气后处理装置，颗粒物排放仍然十分严重。为了探究柴油机颗粒捕集器(DPF)在发动机启动工况时的瞬态过滤特性，基于颗粒捕集器瞬态过滤台架，模拟气体流量变化的试验条件。发现在相同来流颗粒浓度下，峰值流量更高对应的瞬时过滤效率更高。并基于球形填充床理论，使用瞬态过滤模型从来流颗粒数量流率(particle number flow rate, PNFR，#/(s· mL))，以及过滤速度两个方面，对来流流量对瞬态过滤特性的影响规律进行深入探究。进一步研究了微观结构参数对DPF瞬态过滤性能的影响，提出了DPF孔隙结构的优化方案，为降低发动机瞬态颗粒物排放提供了理论基础。 首先基于颗粒捕集器瞬态过滤台架，进行了不同来流流量下的模拟瞬态过滤实验，探究了在相同来流浓度下，来流峰值流量对DPF瞬态过滤效率的影响。DPF模拟瞬态过滤台架主要由瞬态流量、瞬态颗粒浓度、载体温度控制和瞬态颗粒检测四个部分组成。DPF模拟瞬态过滤台架和瞬态流量部分如附图1和附图2所示。实验发现在来流峰值颗粒浓度分别约为 2.0×105 #/cc、 2.0×106 #/cc 和 4.5×106 #/cc 条件下，峰值流量更高对应的瞬时过滤效率均更高。由于在相同来流峰值颗粒浓度条件下，来流流量的升高会产生两方面的影响。一方面，在相同浓度下更高的来流流量提高了单位时间内流过的总颗粒数量，即颗粒的数量流率，表示每秒内每毫升载体上流过的颗粒数量。另一方面，来流流量的升高也会同时引起过滤速度的变化，进而改变瞬时过滤效率。 其次基于瞬态过滤模型，分别探究了颗粒数量流率和过滤速度对DPF瞬态过滤效率与过滤压降的影响。研究发现颗粒数量流率的提高，DPF过滤效率和过滤压降都有所提高，过滤速度的增加会导致过滤效率降低。因此，提高PNFR成为提高DPF瞬时过滤效率的重要途径。随后进一步研究了微观结构参数对DPF瞬态过滤性能的影响。DPF微观结构参数包括孔隙率、平均孔径和孔径分布范围(3σ)。结果表明在来流参数不变的情况下，DPF的孔隙率越大，过滤效率和过滤压降越高。平均孔径越大，使得来流颗粒受到的流动阻力越大，进而过滤压降越大。而孔隙率和平均孔径一定时，3σ的减小使得DPF过滤效率提高，且过滤压降降低。随后探索了DPF过滤性能优化窗口，建立了表征DPF过滤性能的评价体系，并提出了2组DPF优化设计方案。结果表明孔隙率的过滤效率与过滤压降的评价指标之间呈负相关关系，可根据实际侧重进行优化。而平均孔径与3σ的两种评价指标的变化趋势都大体一致，可以直接参考综合指标进行优化。孔隙结构综合评价指标图像和优化设计孔径分布如附图3和附图4所示。

关键词

柴油颗粒捕集器;颗粒数量流率;球形捕集器;瞬时过滤效率;过滤压降;结构优化

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