汽油机沸石分子筛碳氢捕集器冷起动碳氢捕集机理及其热-流-力学耦合协同优化研究

The ignition temperature of the three-way catalyst is not gotten in the cold start stage of the gasoline engine, which casues 50%～80% HC and CO emissions produced in the stage. In order to improve the hydrocarbon capture regeneration efficiency of the hydrocarbon adsorption of zeolite molecular sieve gasoline engine during cold starting process, adopting the method of combined numerical simulation and experiment, this work based on the effects of cold start working conditions on the adsorption performance of micro-mesoporous zeolites and the hydrocarbon separator performance of the hydrocarbon capture with zeolite molecular sieve. In addition, the Field Synergy Principle was adopted to ensure consistent multi-physics field which based on the minimum entropy production law and hydrocarbon capture performance of the hydrocarbon capture with zeolite molecular sieve under the cold start condition. Thus, the thermal physical mechanism which based on the optimization of cooperating multi-physics field was proposed, it could improve the hydrocarbon capture performance of the hydrocarbon capture with zeolite molecular sieve under the cold start condition, and it will also provide a theoretical method for the design and application of the hydrocarbon capture. This project not only has important theoretical and application value for controlling HC emissions from the gasoline engine, but also has significant referencevalue for reducing mobile pollution sources and smog phenomenon.

汽油机冷起动时三效催化剂未达到起燃温度而导致50%～80%的HC和CO排放。为提高汽油机沸石分子筛碳氢吸附器冷起动碳氢捕集再生效率，采用数值仿真优化与实验相结合的方法，在辨析汽油机冷起动工况沸石分子筛微孔碳氢吸附性能的影响规律和汽油机沸石分子筛碳氢捕集器碳氢脱附性能的影响规律的基础上，采用场协同理论确保基于系统最小熵增下多物理场与汽油机沸石分子筛碳氢捕集器冷起动碳氢捕集性能提高协同优化一致，从而提出一种能从多物理场协同优化来有效提高汽油机沸石分子筛碳氢捕集器冷起动碳氢捕集性能的热物理机理，为碳氢捕集器的设计及应用提供理论方法。项目研究成果不仅对汽油机碳氢排放控制具有重要的理论与应用价值，而且对治理移动污染源和雾霾现象具有重要的参考价值。

由于使用三效催化转化器后，50%～80%的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放是在汽油机冷起动过程中产生的，因此，控制汽油机冷起动过程的排放已经成为一个非常重要的问题。本项目提出采用沸石分子筛碳氢捕集器来控制发动机冷起动期间的碳氢排放。采用了实验与仿真相结合的方法，分别从宏观与微观角度研究了不同沸石在吸附不同的碳氢化合物的吸附与脱附性能。实验方面，对不同金属离子改性的沸石分子筛进行了穿透实验与程序升温脱附实验，得到了不同分子筛对不同碳氢化合物混合物的吸附与脱附性能。基于这些结果，制造了具有不同的沸石分子筛材料的碳氢捕集器，在发动机台架上进行冷起动实验，得到了碳氢捕集器在实际应用的数据。仿真方面，在微观上，建立了不同的沸石分子筛吸附不同碳氢化合物的分子模型，结合巨正则系综蒙特卡洛法，密度泛函理论，爱因斯坦扩散方程等得到了不同温度下，不同碳氢化合物在不同沸石上的吸附等温线，吸附能，以及分子筛内碳氢化合物的扩散特性。根据分子模拟结果，结合宏观的流体力学，热力学等构建了碳氢捕集器模型，得到了碳氢捕集器在冷启动过程中的温度场，流速场，压力场，浓度场的多场耦合协同优化情况。并成功预测沸石分子筛碳氢捕集器冷起动碳氢捕集效率。将分子模拟与计算流体力学模拟相结合，通过评估碳氢吸附效率，碳氢脱附温度，最大吸附量等关键因素，得到了一套完整的设计冷起动碳氢捕集系统评价体系。