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原文传递微粒捕集器灰烬沉积影响特性辨析及其性能优化研究

论文题名：	微粒捕集器灰烬沉积影响特性辨析及其性能优化研究
关键词：	汽车柴油机;微粒捕集器;灰烬沉积;性能优化
摘要：	随着我国大范围雾霾天气日益严重，柴油机微粒排放问题受到越来越广泛的关注。柴油机微粒捕集器作为公认的最为有效的控制柴油机微粒排放的后处理装置一直是研究的热点。近年来，随着微粒捕集器捕集和再生技术研究的逐渐成熟和完善，柴油机微粒捕集器开始在国内外的柴油轿车和商用车上得到广应用。车载微粒捕集器在使用过程中，由于柴油机排放微粒中存在少量的不可燃灰烬物质，其不能通过再生清除，在经过成百上千次的循环再生后灰烬累积在过滤体孔道内影响微粒捕集器的工作特性以及耐久性，从而制约着微粒捕集器的发展和推广应用，因此，研究微粒捕集器的灰烬沉积问题具有重要的现实意义。　　柴油机排气微粒中灰烬来源于润滑油添加剂、燃油添加剂、柴油机各零部件磨损以及排气系统的腐蚀，主要成分为无机金属元素组成的硫酸盐、磷酸盐和氧化物。灰烬累积在过滤体内会增加后处理装置的流动阻力，增加发动机工作的排气背压，恶化发动机的动力性和经济性，阻碍后处理装置正常工作。此外，我国燃油品质不高，杂质尤其是硫含量较高，致使排气微粒中灰烬比例增加，微粒捕集器更容易受到沉积灰烬的影响。本文以国家自然科学基金项目“柴油机微粒捕集器多孔介质过滤体失效辨析及抗失效机理研究[51276056]”和“微粒捕集器过滤体复合再生与多场协同机理及其优化研究[511076045]”以及广东省产学研项目“柴油机减排关键技术研发及产业化[2011B090400112]”为课题来源，分析灰烬在过滤体内的沉积特性，研究沉积灰烬对微粒捕集器流动特性和再生特性的影响，并基于此，对过滤体结构设计和再生控制策略展开优化研究，以期减少沉积灰烬对发动机性能和微粒捕集器工作特性的影响，延长其车载使用寿命。论文的主要研究工作如下：　　（1）基于灰烬颗粒的沉积机理分析了排气流量、温度以及颗粒粒径等对灰烬沉积的影响，得到了沉积灰烬层渗透率特性随排气流量、温度以及颗粒粒径等变化的规律，为流动和再生模型的研究提供了很好的理论基础。　　（2）基于过滤体内灰烬沉积特征建立了微粒捕集器孔道内流动模型，并对微粒捕集器的压降损失数学模型进行了修正，利用台架试验验证了微粒捕集器的流动模型和压降损失模型，分析了沉积灰烬对过滤体孔道内气流速度的影响，得到了灰烬深床沉积阶段壁面微观结构随灰烬沉积变化的规律，以及灰烬沉积对压降特性的影响。　　（3）考虑沉积灰烬层对再生过程中排气流动及传热特性的影响，建立了灰烬沉积状态下的微粒捕集器热再生模型，并利用发动机台架试验对其进行了验证，分析了不同微粒和灰烬沉积量下微粒捕集器再生时过滤体内流场和温度场的变化规律，揭示了过滤体进口孔道流速、壁面渗流速度、微粒氧化速率以及再生过程中壁面温度随沉积灰烬及其形态的变化规律，获得了不同沉积灰烬量下过滤体的最大微粒承载量。　　（4）根据过滤体的孔道结构及其灰烬沉积特征，设计了一种非对称八边形孔道结构的过滤体，通过增加进出口孔径比例增加进口孔道的容积，达到了增加过滤体灰烬承载量，延长微粒捕集器的使用寿命的目的；同时，分析了非对称孔道孔径比例对微粒捕集器流动和再生特性的影响，揭示了非对称孔道比例对灰烬最大承载量的影响。　　（5）针对灰烬沉积改变微粒捕集器流动和再生特性，提出了一种实时更新再生控制系统中的再生时机和终止判断 MAP图以及控制程序的思路，对微粒捕集器的整个再生控制流程进行了优化，使其能在再生时做到再生时机判断精准，过程控制精细，终止判断及时，防止再生失控导致微粒捕集器失效以及不必要的能量消耗。　　本文主要研究了沉积灰烬对微粒捕集器工作特性的影响，并基于此，对其结构设计和再生控制策略进行了优化研究。本文的研究工作不仅能为准确预测微粒捕集器的流阻性能和再生性能提供理论依据，同时为微粒捕集器结构和主动再生控制策略的优化研究提供了重要的理论指导，对微粒捕集器的车载推广应用具有重要的理论指导价值和现实意义。
作者：	陈韬
专业：	车辆工程
导师：	龚金科
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文