摘 要

随着国民经济的不断发展，汽车使用量急剧增加，汽车尾气排放污染问题日益严峻，尤其是柴油机的颗粒排放问题，很难达到我国即将实行的国六排放标准。而柴油机颗粒捕集器（DPF）作为一种降低颗粒物排放的排气后处理装置，对于减少排气中的颗粒物有着显著的效果，成为了现阶段排放控制技术中的研究热门。因此，本文对某款轻型柴油机的颗粒捕集器进行设计和性能分析，其工作能够为DPF的优化提供参考，具有一定的工程应用价值。

本文首先通过查阅相关文献了解了柴油机主要污染物的组成和形成原因，并阐述为解决柴油机排放污染问题的几种排放控制技术。然后详细介绍本课题所选择的柴油机颗粒捕集器装置，讲述其工作原理和常用结构。

其次，根据前人的理论基础对比并分析陶瓷基过滤体和金属基过滤体这两种过滤体结构的优劣势，并选择耐高温、机械性能良好的壁流式蜂窝陶瓷，根据轻型柴油车的工作环境，选择碳化硅作为载体的材料。然后根据过滤体结构与捕集效率的影响关系选择合适的结构尺寸，使其在满足国六排放标准的条件下，尽量降低压力损失和对柴油机性能的影响；分析对比主动和被动两类再生技术，选择结构简便并且适合轻型柴油车工作环境的催化再生方式，完善DPF的结构装置。

最后，运用GT-power建立DPF仿真模型和发动机工作过程与DPF耦合分析模型，分析发动机运转条件下DPF捕集效率的变化；基于建立的DPF仿真模型，通过改变过滤壁渗透率、过滤壁厚度和通道密度等结构参数对其与捕集效率和压降的影响关系进行分析，其结果可为优化DPF结构提供依据。

关键词：颗粒捕集器；GT-power;捕集效率；压降；催化再生

Abstract

With the continuous development of the national economy, the use of automobiles has increased drastically, and the problem of automobile exhaust emissions has become increasingly severe. Especially for particulate emissions from diesel engines, it is difficult to meet the national six emission standards to be implemented in China. The diesel particulate trap (DPF), as an exhaust after-treatment device for reducing particulate emissions, has a significant effect on reducing the particulate matter in exhaust gas, and has become a hot topic in current emission control technologies. Therefore, this article carries on the design and the performance analysis to the particle trap of a certain light diesel engine, its work can provide the reference for the DPF optimization, has the certain engineering application value.

In this paper, we first understand the composition and formation reasons of the main pollutants in diesel engines by referring to the relevant literature, and elaborate several emission control technologies to solve the emission problems of diesel engines. Then, the diesel particulate trap device selected in this topic is introduced in detail, and its working principle and common structure are described.

Secondly, based on the previous theoretical basis, the advantages and disadvantages of the two filter structures, ceramic-based filter and metal-based filter, were compared and analyzed. Wall-flow honeycomb ceramics with high temperature resistance and good mechanical properties were selected according to light diesel vehicles. The working environment, the choice of silicon carbide as a carrier material. Then choose the appropriate size according to the relationship between the structure of the filter and the collection efficiency; consider the function and capture performance, design a reasonable structural device; analyze and contrast the two types of active and passive regeneration technology, select the lower ignition temperature Continuous regeneration method, and according to this regeneration method perfect DPF structure device.

Finally, based on GT-Power software to analyze the trapping efficiency and pressure drop by changing the structural parameters, to achieve the DPF structural parameters and capture The research on the effects of collection efficiency and pressure drop provides the basis for optimizing the DPF structure and meeting the national emission standards.

Key words：Particle trap；GT-power；Capture efficiency；Pressure drop；Catalytic regeneration

目录

摘要 III

Abstract IV

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2柴油机主要污染物组成及危害 1

1.3柴油机颗粒排放控制技术 2

1.4国内外研究现状 4

1.5软件介绍 5

1.6本文主要研究内容 6

第2章 柴油机颗粒捕集器的工作原理及结构设计 8

2.1柴油机颗粒捕集器工作原理及结构介绍 8

2.2柴油机颗粒捕集器过滤材料介绍 9

2.3柴油机颗粒捕集器的再生技术选择 10

2.4柴油机颗粒捕集器的结构尺寸设计 11

2.5本章小结 12

第3章 柴油机颗粒捕集器分析模型的建立 14

3.1 仿真模型的建立 14

3.2 发动机工作过程模型的建立 16

3.3 不同转速时捕集效率的影响分析 16

3.4本章小结 17

第4章 分析结构参数对捕集性能的影响 19

4.1过滤壁渗透率对捕集性能的影响 19

4.2通道密度对捕集性能的影响 21

4.3过滤壁厚度对捕集性能的影响 23

4.4本章小结 25

第5章 结论和展望 26

5.1结论 26

5.2展望 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

柴油机具有较高的热效率、经济性和动力性，目前不仅在重型车辆上应用，也逐渐应用到轻型车辆中，是车辆的主要动力来源。但柴油机具有严重的污染问题，其与同等功率的汽油机相比，颗粒（PM）和氮氧化物（NO _X ）是柴油机排放中污染更严重的两种污染物，尤其是颗粒排放是汽油机的30～80倍^[8]，会长时间悬浮在空中，严重污染环境，影响人类的健康。因此，柴油机的颗粒排放已经引起了各国政府的极大关注，并制定了柴油机颗粒排放控制的法规。由于目前的排放法规对颗粒物的要求越来越严格，如中国国六排放具体指标如图1-1所示，柴油机仅依靠机内优化措施已无法满足排放要求，所以柴油机颗粒捕集器DPF被广泛应用。 柴油机颗粒捕集器能有效降低柴油机颗粒物的排放，具有很高的经济性和应用价值，本课题将设计满足国六排放标准的柴油机颗粒捕集器。^[1]

图1-1国六排放标准

1.2柴油机主要污染物组成及危害

柴油机的主要污染物由氮氧化物、一氧化碳和颗粒物（PM）组成，均对人体健康和环境有一定的影响。

1.2.1氮氧化物的形成及影响

柴油机的燃料是在压缩过程接近结束时由喷油装置喷入气缸，此时气缸内空气温度非常高，喷入的柴油会与高温空气迅速混合从而发生自燃。因此，与汽油机相比较，柴油机油气混合均匀度不高，尽管混合气中存在大量空气，但仍然存在着局部温度过高的问题，从而导致氮氧化物(NOx)大量生成。氮氧化物会对人体的呼吸道产生损害，还会影响植物的生长。

1.2.2一氧化碳及碳氢的形成及影响

柴油机尾气中的CO主要是碳氢燃料不完全燃烧或燃烧过程中局部受热分解的产物，未燃烧或未完全燃烧的润滑油蒸汽和燃油是HC的主要成分，二者均对人类健康和环境有极大的危害。

1.2.3颗粒物的组成及危害

柴油机排气的主要污染物就是颗粒物（PM），目前全球大多数国家均默认美国环境保护局对柴油机排气过程中颗粒物的定义标准，其标准中将柴油机排气稀释51.7度以下后通过含有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，残留在滤纸表面的固液混合物定义为颗粒物^【8】。当尾气温度在500度以上时，PM的存在形态主要为碳烟，当尾气温度较低时，碳烟将会形成有机可溶物质。以碳烟形态存在的PM，主要是由烃类燃料在高温缺氧的环境下裂解形成的。尾气中大部分颗粒物直径较小，进入人体内会威胁人体健康。

1.3柴油机颗粒排放控制技术

柴油机颗粒排放控制技术目前分为前处理技术，机内净化技术和机外净化技术三种，本课题研究的柴油机颗粒捕集器属于机外净化技术中的排气后处理技术。

1.3.1前处理技术

前处理技术主要是在空气和燃料进入发动机之前对其进行处理的技术，前处理技术的主要目标是通过改善燃油品质来减少颗粒物的排放，缺点是部分代用的燃料所占体积过大，影响效率所以应用范围并不广。

1.3.2机内净化技术

机内净化技术归纳后分为以下几种方案：优化燃烧室结构参数；优化进气系统和燃油喷射系统；对燃烧方式的改进和优化和电控技术等。其主要技术是通过先进的燃烧理论，使缸内的混合气能够避开有害气体的产生范围，从而减少颗粒物的排放^[8]。

1.33机外净化技术

1.3.3.1静电分离法

柴油机颗粒中大部分的颗粒是带电粒子，每个带电粒子都有1～5个正电荷或负电荷。柴油机颗粒的电阻率会在106～108Ω/cm之间变化^[6]，所以该技术利用电场对柴油机颗粒进行静电吸附，以达到颗粒净化的目的。即在排气通道中建立一个高压强电场，当排气气流经过电场时，带电粒子会被异性电极吸附。静电分离技术目前面临的主要问题是设备体积过大、结构较为复杂、成本高和气流流速对静电分离效率的影响比较大。

1.3.3.2颗粒捕集技术

现阶段对多种捕集柴油机颗粒途径及方法的研究显示，可行性较高的方案是使用过滤材料对柴油机排气进行过滤捕集，即颗粒捕集器法。颗粒捕集器是一种很有效的柴油机排放颗粒后处理技术，它主要用蜂窝陶瓷过滤体、陶瓷纤维编织物、金属蜂窝过滤体和金属编织物等作为过滤材料，安置在排气管中，当排气气流经过时，过滤体会将排气中的颗粒捕集过滤，从而降低颗粒物的排放，其装置外形如图1-2。但是过滤体内积累的颗粒物逐渐积累将会导致排气背压升高，影响到柴油机的动力性能和经济性，所以必须要通过燃烧等各种方式将颗粒物清除，该过程即为颗粒物捕集器的再生过程。颗粒捕集器的关键技术是过滤材料的选择、结构装置的设计和过滤体的再生技术。柴油机颗粒的各种净化技术都各有优缺点，要想有效地降低柴油机颗粒排放，应合理地结合各项技术的优点，从燃烧、进气、喷油以及后处理等各个方面充分降低颗粒排放。

图1-2柴油机颗粒捕集器

1.3.3.3等离子净化技术

等离子净化技术是使发动机尾气经过等离子反应器，此过程中NO会被氧化，所生成的NO₂与排气中的含碳颗粒物又进行反应，产生碳的氧化物和氮气的方法。此方法的优点是在减少颗粒物排放量的同时也降低了NOx的排放，但是需要额外添加等离子反应装置，结构复杂。

1.4国内外研究现状

现阶段国内外对于柴油机颗粒物捕集器的研究内容主要是关于过滤材料选择、如何提高捕集性能及过滤体再生的相关技术研究。

在过滤材料方面，田彤等人^[8]对于过滤材料选择的发展和需要满足的条件进行了分析总结。对于过滤材料的主要要求就是：高颗粒过滤效率、低排气流动阻力和较高机械强度。国内外常用的过滤材料主要有：泡沫陶瓷、壁流式蜂窝陶瓷、编织陶瓷纤维和烧结金属丝网过滤体。泡沫陶瓷颗粒过滤效率一般在40%至70%之间，结构为多孔结构，有利于再生，但缺点是结构疏松，在机械振动下容易损坏。壁流式蜂窝陶瓷是现阶段综合性能较好的过滤体，过滤效率可达90%以上，且耐高温性能良好，缺点是在蜂窝孔结构内颗粒会结成板状结构，不利于再生过程中进行燃烧。编织陶瓷纤维具有高度表面积化和良好的耐高温性，过滤效率在90%以上，但在编织和使用过程中容易损坏，且生产工艺也比较复杂。烧结金属丝网过滤体的机械强度和加工能力远远高于陶瓷过滤材料，但是其耐高温性能不如陶瓷材料。

在捕集器捕集效率方面，楼狄明^[2]等学者使用GT-power软件建立了柴油机颗粒捕集器（DPF）的仿真模型，通过仿真计算结果分析研究了颗粒捕集器自身的结构参数（通道密度、过滤壁渗透率、过滤体材料孔隙率、过滤体微孔直径和过滤壁厚度）对捕集效率与压降的影响。齐英杰^[6]等学者通过填充床等捕集理论建立了捕集效率的数学模型，通过分析颗粒粒径与捕集系数的关系得出结论：布朗扩散是颗粒捕集过程中初期主要的捕集机理，随排气颗粒粒径的增加，布朗扩散捕集系数会减小，而直接拦截捕集系数会增大；减小排气流量以及提高排气温度都能提高布朗扩散捕集系数和综合捕集系数，而排气流量和排气温度对直接拦截捕集机理的影响不大。姜大海^[12]等学者在柴油机颗粒捕集器压力损失的试验中使用排气模拟试验台，他们首先对比了模拟实验值与实测值是否符合，确定模型有效。并依次分析了过滤体主要结构参数如直径，过滤体长度，过滤体长径比，过滤体壁厚，过滤体目数，以及运行参数如颗粒物累积量，排气流量和排气温度对压力损失的影响。根据结果分析得到：直径、长度和过滤体目数增大使压力损失降低，而过滤壁厚增大会提高压力损失；随颗粒物累积量增加，压力损失上升，呈比线性稍快的趋势，而排气流量和温度提高也会增加压力损失。

在过滤体再生技术方面，孟忠伟^[5]等人对捕集器的再生性能进行仿真分析。他们使用GT-power软件建立壁流式柴油机的仿真模型，根据对结果的分析得出不同流量和不同颗粒担载量下再生性能的变化关系。姜大海^[11]等人在关于捕集器再生时机的研究中提出了确定DPF再生时机的主要原理，并比较了不同的再生时机判断方法的特点，对过滤体的压力损失进行了数值模拟和试验研究；并基于过滤体压力损失模型的颗粒物累积量计算方法，以排气流量、排气温度和排气背压作为主要参数，计算后得到实际颗粒物沉积量，从而选择合适的再生时机。

国外学者Saito^[13]等人研究了一种新型的柴油机颗粒捕集器中烟灰颗粒的捕集和连续再生机理，他们进行了关于颗粒充电对捕获效率影响的实验；并通过摄影观察实验研究了在电子柴油机颗粒捕集器（E-DPT）中的烟尘颗粒的累积和燃烧机理，以及研究了粒子充电对捕获效率的影响。

1.5软件介绍

GT-POWER是GT-SUITE下的发动机性能分析模块，能有效模拟计算发动机的功率、扭矩、比油耗等参数，为发动机的性能优化和改进提供方向，减少大量的试验工作，节省时间。其操作界面如图1-3所示，本文需要对DPF进行仿真建模并分析，而GT-POWER自带大量模型数据库，如图1-4，有着优秀的建模前处理功能，能够辅助建模，操作简洁并且能够准确计算各种数据，所以本课题将运用GT-POWER进行建模与分析。

图1-3GT-power界面

图1-4GT-power模型库

1.6本文主要研究内容

在我国即将实行的国六排放标准中，柴油机的排放污染物受到严格限制，而柴油机颗粒捕集器（DPF）是减少柴油机排气污染物的主要技术。本课题将设计一款某轻型柴油机的颗粒捕集器，达到有效减少颗粒物的目的。主要进行以下研究内容：

首先查找和阅读DPF相关资料，了解柴油机主要污染物的组成和为解决柴油机排放污染的几种排放控制技术，学习本课题选用的柴油机颗粒捕集器（DPF）技术的工作原理。

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