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原文传递多孔介质微观结构对柴油机颗粒捕集器性能影响模拟探究

论文题名：	多孔介质微观结构对柴油机颗粒捕集器性能影响模拟探究
关键词：	汽车柴油机;颗粒捕集器;概率密度函数;颗粒沉积;捕集效率
摘要：	随着汽车保有量的不断攀升和排放法规的日趋严格，柴油车尾气污染防治特别是颗粒物的排放控制已经成为一系列环境治理行动的重中之重。壁流式柴油机颗粒捕集器(DieselParticulateFilter,DPF)因其对PM和PN都具有较高的过滤效率已经成为柴油车必不可少的后处理装置。但高捕集效率往往会带来较高的排气背压和较低的燃油经济性，为了优化DPF的性能，有必要展开对DPF多孔介质层微观尺度的研究。　　本文基于柴油机微粒捕集器的工作原理建立了二维DPF微观孔道模型，通过孔径概率密度函数和孔隙率分布函数表征多孔介质结构的非均质性；该二维模型克服了以往数学模型中存在的对DPF轴向流场分布情况考虑不周全的问题，考虑了颗粒沉积对多孔介质微观结构的影响。计算结果均基于DPF的动态捕集过程，其间多孔介质层的孔径大小、孔隙率和渗透率都随着捕集颗粒质量的增大而减小。　　本文首先针对捕集器多孔介质结构对不同粒径颗粒捕集效率的影响展开了研究，结果表明：多孔介质微观结构的变化对10nm颗粒的过滤效率影响不大且当流速为1m/s时10nm颗粒的捕集效率始终维持在88%以上，100nm颗粒的初始捕集效率最低，1000nm颗粒捕集效率受孔径大小的影响最大，随着孔径的增大过滤效率降低幅度达到70%。多种粒径大小颗粒的捕集效率随着粒径的增大呈现出先增大后减小的U型分布情况，但U型图的拐点位置会随着多孔介质平均孔径和孔隙率的增大向大粒径方向移动。　　本文在入口流速对深床过滤过程影响的研究中发现：随着入口流速的增大，在不同多孔壁中颗粒的初始捕集效率均会降低，但高入口速度下由于在单位时间内沉积颗粒更多，多孔介质孔隙结构改变更快，100nm和1000nm颗粒的过滤效率在达到饱和之前的某一个时间点会超过低速工况。随着入口流速的增大，DPF的压降整体增大，且孔径和孔隙率越小压降增幅越大，压降最小值出现的位置更靠近入口端。　　孔径分布的非均质性（孔径分布函数方差）对颗粒的沉积分布情况、过滤效率和载体的压降性能有很大影响：随着孔径方差的增大，深床过滤第一阶段结束时沉积在多孔介质壁的1/5壁厚狭小孔隙处颗粒的比例也随之增大，尤其是对具有较强穿壁能力的100nm颗粒提升更加明显；孔径方差增大会使得DPF初始压降值的显著增大和轴向分布均匀性变差，过滤器在捕集过程结束的压降也会随着孔径方差的增大出现严重恶化。DPF入口流速的增大会强化颗粒的穿透能力，该影响会随着孔径方差的增大逐渐减弱，另外孔径方差增大所带来的捕集效率的提升幅度会随着入口流速的增大而增大，说明大孔径方差的多孔介质壁对高流速工况下的颗粒捕集情况具有更好的改善作用。
作者：	李智洋
专业：	动力工程
导师：	李志军;李振国
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2022