我国即将实施的国Ⅵ排放标准除规定了极低的颗粒物(Particulate Matter,PM)限值外,还增加了粒子数量(Particulate Number,PN)的限值要求。氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst,DOC)和催化型颗粒捕集器(Catalytic Diesel Particulate Filter,CDPF)结合使用,不仅可以保证CDPF连续可靠的工作,减少90%以上的颗粒物排放,并同时改变颗粒物粒径分布,还能有效降低HC和CO排放,被公认为目前降低柴油机PM和PN排放最有效的手段之一。随着柴油机的持续运行,CDPF会因排气中PM的不断捕集而被堵塞,导致发动机排气背压升高、性能下降,因此CDPF需要有良好的再生能力和可靠性以去除PM,故对CDPF进行压降及再生特性研究,以评估载体的性能水平十分重要。围绕国Ⅵ柴油机颗粒捕集器低背压、高捕集效率以及高效可靠再生的技术开发目标,本文搭建了D30柴油机与加装DOC+CDPF的试验台架,针对三种不同结构的薄壁、多目数新型国Ⅵ碳化硅CDPF即低孔隙率对称、高孔隙率对称以及低孔隙率非对称CDPF,开展了CDPF不同碳载量对发动机性能的影响及其压降特性台架试验。结果表明:外特性工况下,加装新鲜载体CDPF时,柴油机性能降低,高孔隙率对称CDPF的压降最低,低孔隙率非对称CDPF压降最高。低孔隙率非对称与高孔隙率对称CDPF碳载量分别为2g/L、4g/L、6g/L、7g/L、8g/L以及10g/L时,柴油机性能差异较小,两种载体压降均随转速和空速升高而增大。不同转速与空速下,CDPF压降随碳载量的增加而增大,碳载量较低如2g/L与4g/L时,孔道压降占主导地位,低孔隙率非对称CDPF压降高于高孔隙率对称CDPF;碳载量高于4g/L时,碳烟层压降占主导地位,低孔隙率非对称CDPF压降低于高孔隙率对称,且转速越高,两者差值越大,在碳载量为8g/L与10g/L时较为明显。转速为1000r/min时,低孔隙率非对称与高孔隙率对称两种载体无压降交点,1200r/min的压降交点对应的碳载量为3.2g/L,其余转速下的压降交点对应的碳载量均在4.5~5g/L内且差异较小。在转速为2000r/min工况,试验得出高孔隙率对称CDPF的再生平衡点温度为310℃。针对DPF微观孔道模型气流运动与颗粒运动的研究表明:DPF进气孔道中的气流速度沿轴向先增大后减小,在孔道末端降至零,排气孔道中的速度从零逐渐增加,在孔道末端达到最大。进气孔道中的静压沿轴向方向先减小后增大,排气孔道中的静压沿轴向方向减小。低孔隙率与高孔隙率对称孔道速度与静压的变化趋势及大小基本一致,非对称孔道速度及压降较高。颗粒速度沿孔道轴向逐渐降低至零,颗粒在孔道内呈现出明显的前多后少的不均匀分布,非对称孔道内的颗粒速度与浓度均明显均高于对称孔道。针对不同结构CDPF,采用燃烧器点火再生与喷油助燃催化再生,研究不同入口温度条件时的不同碳载量的再生过程,结果表明:(1)基于高孔隙率对称CDPF,采用喷油助燃催化再生,CDPF入口温度为500℃时,碳载量为2g/L、4g/L、6g/L以及8g/L的再生过程中的温度分布趋势一致:CDPF轴向温度分布呈现出越靠近CDPF后端温度越高的规律,不同碳载量的最高再生温度均出现在CDPF后端径向中间位置处;CDPF的径向温度分布呈现出中圈温度最高、中心温度次之、外圈温度最低的规律。CDPF再生峰值温度、最大温度梯度以及随碳载量的增加基本呈线性增加,但数值均较小。再生压降随碳载量增加而升高,再生效率随碳载量升高而降低,分别为93.3%、45.56%、43.33%和29.02%;(2)采用燃烧器再生的方式,将高孔隙率对称CDPF入口温度升高至600℃进行再生。CDPF再生温度场分布与入口温度为500℃时一致,4g/L与6g/L碳载量下的再生效率较500℃分别升高了94%与48.4%,最高再生温度、再生温度梯度与温度上升速率均较高;(3)采用喷油助燃催化再生的方式将低孔隙率非对称CDPF入口温度提升至600℃进行再生。4g/L、6g/L与8g/L碳载量的温度场分布一致且较为均匀,载体中间位置再生峰值温度最大,最高再生温度梯度出现在载体中段中心与中段中圈之间,分别为21.4℃/cm、23.5℃/cm与25.3℃/cm。最高再生压降随碳载量升高而增大,再生效率分别为100%、92.78%与88.25%,即实现了高效可靠再生,且安全再生允许的碳载量可达8g/L,载体性能较优。灰分沉积对DPF压降与再生特性的数值模拟研究表明:(1)DPF内无灰分沉积时,非对称结构DPF压降仅在碳载量小于5g/L时高于对称结构,有灰分沉积时,非对称结构DPF压降低于对称结构,且随碳载量的增加差距越大。无灰分沉积时,三种结构DPF捕集效率均最高,对称结构捕集效率高于非对称结构,低孔隙率捕集效率高于高孔隙率;(2)灰分分布系数越大即壁面灰分层质量占灰分总质量比例越大,DPF压降越大,三种结构DPF相比,灰分分布系数对非对称结构DPF压降的影响较小;(3)灰分分布系数越小,DPF容灰能力越大,在相同限值背压条件下,非对称结构DPF容灰能力远高于对称结构。灰分分布系数0.6为非对称结构容灰能力提高比例的稳定点;(4)碳载量为6g/L、灰分分布系数为1时,DPF的再生压降与载体最高温度随灰分量的增加而增大,低孔隙率非对称孔道压降与载体最高温度最低。碳烟再生速率随灰分量增加而升高,碳烟剩余量随灰分量升高而降低;(5)碳载量为6g/L时,灰分分布系数与灰分量对DPF再生过程中不同位置温度的影响较小。载体径向温度呈中心高、边缘低的规律,轴向上呈越靠近载体后端温度越高且峰值温度出现越晚的规律。载体内部不同位置温度分布呈后段中心最高、中段中心次之、外圈温度最低的规律;(6)碳载量为6g/L、灰分量为40g/L时,随灰分分布系数增加,不同结构DPF载体再生压降与载体最高温度降低,碳烟再生速率升高,剩余碳烟量减少。三种结构载体DPF的灰分最佳分布形式均为灰分均匀分布在孔道壁面上,当灰分量与灰分分布系数一致时,低孔隙率非对称DPF的再生性能最优。