柴油机DPF内碳烟加载与热再生过程的数值模拟研究

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柴油机的排气颗粒物是引起雾霾天气的主要成因之一,随着我国对机动车排放污染物控制越来越严格,柴油机颗粒物捕集器(Diesel particulate filter,DPF)应运而生。DPF是一种柴油机后处理装置,能捕集排气中的颗粒物,其研究难点是再生技术。  本文以碳化硅材料的壁流式蜂窝陶瓷过滤体的DPF为研究对象,运用FIRE软件的后处理模块建立了DPF碳烟捕集与热再生的数值模型,并搭建试验台架,对比试验结果与模拟结果,验证DPF数值模型的有效性。运用FIRE软件模拟DPF的碳烟加载过程,研究碳烟加载过程中影响DPF压降特性的因素,结果表明:在一定加载时间内,CPSI(孔目数)越大,过滤体壁厚越薄,DPF压力损失越小,DPF的压降上升越平缓;而排气流量越大,DPF的总压降越大;排气碳烟量越大,DPF压降上升越快,当压降超过一定限值,需要尽快再生以降低发动机排气背压。  针对DPF的热再生过程,不同时刻DPF模型的不同截面温度场,发现后端温度相对于前端温度升高,并且过滤体的最高温度出现在过滤体中轴线上;DPF过滤体径向中心部位的碳烟先发生氧化反应,并且在DPF前端与最后端边角区域最容易出现碳烟残留;再生过程中的高温区即是DPF最高温度梯度出现的地方。运用FIRE软件研究不同因素对DPF热再生过程的影响,结果表明:排气温度在873K时比773K时再生时间缩短,但温度超过973K则易使DPF发生热损坏;再生过程中控制DPF入口气体的氧含量在合适范围很有必要,当氧含量超过17%过滤体会因为温度梯度超过安全值而容易发生损坏;碳烟沉积量过大会导致DPF再生时颗粒物燃烧释放的热量多,过滤体温度过高致使过滤体热损坏;DPF加热温度上升速率主要影响再生起始时刻,对整个再生周期长短影响不明显;带有催化剂的CDPF再生时间较短,安全可靠性也优于DPF。
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