基于柴油发动机碳烟过滤装置的性能仿真研究的文献综述

1前言

因为其在动力性和经济性上的优势，柴油发动机受到了广泛的应用。但是柴油机PM排放量大，成为了它很大的缺点，其微粒排放量严重影响着环境发展和人们的健康。随着人们对生活和健康越来越重视，通过专业人员的不断探索， DPF（柴油颗粒捕集器）技术由此产生。颗粒捕集器是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉，颗粒捕集器能减少发动机运行时产生的高达90%的烟灰，将收集到的废气中的微粒排放物质在车辆运转时燃烧殆尽。柴油发动机排放出废气，经过专门的通道进入发动机的尾气微粒捕集器，然后再通过内部的过滤器后将炭烟微粒吸附于金属纤维毡制作而成的过滤器上；当吸附量到一定的程度后，尾部燃烧器就会自动点火进行燃烧，将附在上面的炭烟微粒烧掉，变成二氧化碳再排放出来。DPF是车用柴油机达到排放法规要求的重要举措，也是解决柴油发动机排气颗粒污染的最有效技术之一。

2正文

2.1研究背景

柴油发动机以前在农业机械等方面应用广泛，现代的柴油机一般用于电控喷射、涡轮增压中冷等技术方面，并且在重量、噪音、烟度等方面取得了不小的成就，在能够达到法律法规和国际标准在排放和噪音等方面的要求下，广泛应用于汽车领域。柴油发动机扭矩大、经济性能好的优点也让其在大型柴油设备中大显身手。工信部发布的最新数据表明，整个2017年，全国的内燃机累销量达千万台，呈平稳增长的趋势，从数据来看，柴油机的增长速度明显高于汽油机。^（1）柴油机如果仅靠着前处理和机内处理微粒的方法根本无法满足法律规定的严格的排放要求，所以研究重点要放在后处理技术在捕集微粒方面，因此柴油机微粒捕集器成为了如今热门的研究内容。而捕集器的核心技术就在于对过滤材料的选择和再生技术问题，其中整个结构中最关键的部分就是过滤体，因为它决定了捕集器的压力损失、捕集效率、使用寿命、工作可靠性以及再生好坏的关键，所以对过滤材料的研究设计重点要放在提高捕集效率、降低排气的阻力、简化制造工艺、缩小热膨胀系数、提高抗震性能、容易再生、延长使用寿命上。 经过国内外专业机构对过滤材料的不断研究，目前市场上对过滤材料的制造工艺已经有了很大的提高。当前捕集器的过滤材料应用比较广泛的主要有金属基、陶瓷基和复合基，其过滤效率取决于孔径大小和颗粒的成分，基本可达 85% 以上，经过捕集器后的气体能够与环境空气中的PM水平相近。^【2】DPF在应用中需要注意的最大的问题是过滤后的PM的再生。学术上习惯将 DPF的再生分为主动再生和被动再生。^【3】主动再生指用外部的能量提高排气或过滤体的温度，将炭烟氧化掉，如进排气节流、推迟喷油的时间、缸内后喷、燃烧器、电加热、微波加热等主动再生技术。被动再生一般指在过滤体的表面涂上催化剂或在燃油中添加催化剂来降低碳烟的氧化反应温度。^【4】

2.2国外研究现状

通过增加DPF的有效过滤面积，在同样的碳烟量情形下，积于 DPF 过滤壁面的碳烟厚度就会减小。日本揖斐电公司在DPF结构设计等方面做了很多研究，其中最具代表性的是创造“OS”孔结构的DPF，入口和出口分别是八边形和正方形。这种结构清灰里程要比传统的对称孔结构长30%左右。美国康宁（Corning）公司和日本NGK公司作为 DPF 市场的主要参与者，也研究开发了类似孔结构的堇青石、钛酸铝、复合碳化硅等材料的DPF。德国清洁柴油陶瓷公司（Clean Diesel Ceramic Gmb H） 也开发出了三角形孔结构的DPF，过滤面积与方形孔对称结构 DPF 相比，增加了14%。法国Saint-Gobain开发出的波浪形非对称结构碳化硅DPF，能有效缩短DPF长度。

国外在上个世纪 80年代就开始对DPF的流动进行研究，利用各种方法对其流动进行数值模拟。2011 年，S.Bensaid 和D.L.Marchisior 等人创建了关于DPF的几何模型，通过计算分析出不同渗透率以及微粒物直径下DPF内部的流场分布和微粒层的沉积过程。^【5】Kazuhiro Yamamoto和Shingo Satake等人在柴油机DPF的微粒物加载过程和其内部的流场分布方面进行研究，从微观结构方面入手，研究灰积灰沉积对DPF内流场的影响。^【6】