基于PM与NOx协同作用的现代柴油机DPF主被动复合再生及微粒捕集、再生微观理化特性基础理论研究

Nowadays diesel engine is in wide application around the world due to its high compression ratio, strong power output, high combustion efficiency, low specific fuel consumption and low CO and HC emissions. However, diesel engine suffers high level PM emission, which is extremely harmful to human body. This project plans to develop an active-passive combinational regeneration strategy. By analyzing the coupled reaction between PM and NOx during the soot loading process with micro-scaled physicochemical property investigation, the reaction kinetics model and thermodynamics model is established. Through simulation and physicochemical characteristic analysis, the coupled reaction mechanisms and relative parameters are investigated. Passive regeneration is applied, combined with active regeneration by adding diesel oxidation catalyst and pipeline fuel injection. The combination of diesel engine and novel diesel aftertreatment system is optimized to attain active-passive combinational regeneration. The project focuses on the basic theory and mechanism research of DPF regeneration, which will provide theoretical foundation for the development and application of DPF technology. Finally, the research will serve as a grounded theory support to meet the more and more stringent diesel emission regulations in China.

柴油机由于压缩比大、动力性强、燃烧效率高、比油耗低以及CO、HC排放较少等特点，其应用十分广泛。但其PM排放较高，对环境和人体危害很大。DPF作为一种能够有效去除PM的手段而具有很高的研究价值，其再生问题更是研究的重点和难点。本项目拟采用一种DPF的主被动协同再生方法，从微观理化特性入手，通过分析PM捕集再生过程中NOx与PM的协同作用，建立相关化学反应动力学和热力学模型，利用数值模拟、理化分析等手段探究NOx催化去除PM的协同作用机理和规律及影响因素，实现DPF被动再生；同时辅以DOC和排气管燃油喷射等，实现DPF主动再生；优化柴油机与新型复合后处理催化系统的耦合，达到柴油机DPF主被动协同循环再生的目的。本项目深入开展柴油机DPF再生的基础理论和基本规律研究，为研制和推广柴油机应用DPF技术提供重要的理论基础，为我国柴油车尾气排放满足日益严格的排放法规要求提供坚实的理论基础和应用保障。

柴油机在世界范围内应用越来越广泛，但其碳烟颗粒物排放对环境污染日益严重并威胁人类健康。柴油机微粒捕集器DPF（Diesel Particulate Filter）是去除碳烟颗粒物排放最有效的后处理技术之一。随着排放法规的日益严格和人类对环境保护意识的不断增强，其应用前景将越来越广。DPF的再生问题一直是其研究中的重点和难点。如何高效节能地完成DPF再生一直是国内外学者们力求达到的目标。本研究开展柴油机DPF主被动复合再生及微粒捕集与再生微观理化特性相关基础理论研究，可为DPF高效实用提供理论基础和技术支撑。. 对微粒捕集器DPF的深层过滤、滤饼过滤压降和二者交点对主动再生时刻、影响因素、变化规律和DPF总压的组成以及DPF相关物性参数等进行了研究。分析了DPF孔道形状、壁面渗透率、碳烟渗透率对主动再生频率和主动再生最高温度的影响。针对不同壁面渗透率及滤饼层厚度，模拟计算了对称孔道内部气体与微粒的流动。计算了非对称孔道内的流动和压降特性，分析了非对称孔道内碳烟微粒的沉积过程，比较了不同壁面渗透率和碳载量下对称孔道与非对称孔道中的压降特性，并对交点的意义进行了研究。构建了DPF内部NOx-PM反应机理，详细描述了柴油机排气进入DPF之后，NOx和PM及CO之间的耦合反应过程，并研究了不同入口条件下NOx和PM的反应过程。研究了灰分分布对进口孔道流速、孔道壁面渗流速度、碳烟沉积和最高再生温度的影响。研究了几何参数对单级双载体DPF的流场均匀性的影响。构建了甲烷-氢气混合气以及以正庚烷-甲苯混合物在DOC中燃烧的简化机理，并对C2H3+CH3CH2OH反应以及C2H3+CH3CHO的反应机理进行了探究。研究了非热等离子体技术对碳烟颗粒排放和理化性质的影响。. 引入α、β两参数分别表示进入DPF内的NO2占NOx总含量的比值和NOx摩尔数和PM中碳的摩尔数比值，二者可通过DOC、EGR控制大小，通常通过控制DOC、EGR使α=0.7~0.8，β≈1并耦合DPF可以实现NOx-PM的共同去除。本研究为DPF实现主被动协同再生及柴油机低排放技术提供理论支撑。