轿车柴油机微粒捕集器工作过程数值模拟及再生控制策略研究

【摘要】：柴油机具有动力性好、燃油经济性好、可靠性高等优点,是目前世界上最节能的主流动力机械装置。但是微粒排放问题已经成为制约轿车柴油机进一步发展的瓶颈,同时也是由尖锐的能源需求与能源供给矛盾引发能源安全与环境污染问题的一个缩影,因此有效地解决柴油机微粒排放问题无疑具有十分重要的学术、经济与国防意义。 微粒捕集器(DPF)是目前公认的降低柴油机微粒排放的最有效排气后处理技术。DPF再生过程中,若DPF内沉积的微粒过多,极易造成载体内的燃烧温度过高、导致载体因过热损坏；若微粒过少,又会因为频繁再生造成DPF载体老化,再生经济性恶化。从这个角度来说,建立一种微粒评价模能够对DPF载体内微粒状态进行实时评价同时监控并适时调整以保证DPF工作状态安全正常是很有实际意义的,而这也正是本研究的切入点。 本研究采用数值模拟和试验相结合的方式对后处理系统的工作过程尤其DPF再生过程进行了研究。 首先,分析柴油机后处理系统各部分工作机理,提出了DOC总反应速率的确定方法,确定了DPF综合捕集效率,对DPF再生化学反应进行数学描述,完成了基于DOC与催化涂覆DPF的轿车柴油机后处理系统三维数值模型的构建,并设置模型虚拟采样点。 其次,使用台架和配套的数据采集系统作为平台进行了柴油机后处理系统特性(DOC温升特性和DPF特性)试验研究。结果显示在本试验条件下,当其他因素保持不变时,在HC转化限值范围内无论是随着HC浓度还是随着排气流量的增加,温升幅值和温升速率都增加；在DPF入口高温升速率较高的情况下,随着DPF入口温度的上升,DPF压降快速下降,DPF载体内微粒迅速燃烧,且在DPF载体的最高温度区域温度值较高,DPF安全可控的再生载体入口温度应该在450℃-500℃之间；提出了拟合温度-压降趋势曲线求导确定DPF平衡点温度的方法,本试验所用DPF平衡点温度为358.7℃。通过试验所得数据对轿车柴油机后处理数值模型进行有效性验证,为后处理系统仿真分析提供试验基础。 再次,对柴油机后处理系统工作过程尤其DPF再生过程进行了数值模拟研究,可以得出： 1)扩张管使得DOC入口排气发生弥散,而DOC对排气有着很好的整合作用使得DPF入口排气流场变得均匀,从而为DPF再生过程的进行提供了有利条件。 2)其他因素保持不变的情况下,DPF再生过程中,随着DPF载体微粒密度、排气流量、再生入口温度和再生温升速率等任一因素的增加,再生载体峰值温度、载体最高局部温度和载体平均温度升高,微粒的燃烧速率越大；同样保持其他因素不变的情况下,当DPF再生中止时,排气温度下降排气流量上升,DPF载体局部最高温度和平均温度迅速下降,可见排气流量增加会将DPF载体内的热量快速带走使载体内微粒的燃烧速率变慢并最终停止,DPF再生过程安全稳定,在本研究条件下,最佳的再生入口温度为480℃。同时,当再生入口温度较低(480℃)时,如果突然再生中止,发动机排气流量升高可以抑制DPF载体内微粒的燃烧,而当再生入口温度较高(580℃),虽然排气流量的增加但已无法抑制DPF载体内的微粒的燃烧。 3)提出了一种确定安全DPF载体微粒密度的方法保证被动再生安全进行,在本试验条件下,安全DPF载体微粒密度值为8g/L。 最后,在上述试验和数值模拟研究的基础上,1)建立了工况-压降法DPF载体微粒评价模型。基于对柴油机工况排放和DPF微粒捕集机理的分析,得出了DPF捕集效率与其载体内微粒加载密度之间的数学关系即DPF微粒捕集数学模型并确定了其判断流程,在此基础上联合DPF压降判断载体微粒的方法建立了工况-压降法DPF载体微粒评价模型。在后处理系统运行过程中,该模型可以实现对DPF载体微粒密度的实时评价同时监控DPF运行状态,及时发现DPF的损坏或异常。2)建立了后处理系统控制策略。建立了基于工况-压降法DPF载体微粒评价模型的后处理系统控制策略,通过自检保证后处理系统良好可用；时监控DPF载体内微粒密度,并根据DPF载体微粒密度作出相应判断,避免因微粒累积引起DPF再生热量积聚,导致DPF的烧蚀、损坏。3)构建了DPF再生控制控制策略。基于工况-压降法DPF载体微粒评价模型提出了强制再生、主动再生和被动再生三种DPF再生模式,并构建了DPF再生控制控制策略,同时确定了再生过程中基于微粒燃烧率对DPF载体微粒密度进行评价的方法,避免再生过程中出现DPF载体初始温度过热和再生飞温,保证再生过程安全、稳定。