柴油机DPF压降、噪声特性及其关键影响因素研究

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柴油机工作过程存在着较高NOx、PM排放以及噪声问题。柴油机微粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)能有效降低排放颗粒物(Particulate Matter,PM)和粒子数量(Particle Number,PN),被视为至关重要后处理技术之一。加装DPF会造成排气背压升高,影响发动机动力、经济性;DPF的多孔介质结构理论上具备吸声降噪能力。因此,对DPF在排气压降及噪声特性的研究有重大意义。围绕揭示DPF排气压降及噪声特性,为低背压损失、低噪声排放的DPF结构设计提供工程参考价值。本文基于现有D30柴油机及DPF后处理装置技术参数,建立三维微观孔道模型和一维加装DPF整机模型,对DPF孔道流场和排气压降、噪声进行仿真分析。并搭建D25柴油机加装DOC+CDPF实验台架,对不同载体结构CDPF进行压降试验研究。孔道流场分析结果表明:1)流速在进气孔道内由中心沿径向递减,从入口沿轴向递减趋势,末端存在波纹状流速突变区;排气孔道内流速分布趋势与进气孔道相反;2)进气孔道压力分布较均;低流量下排气孔道压力分布在中后段呈轴向递减,高流量下在后段出现骤增;3)孔道中心颗粒运动速度较高,距离较远;4)小粒径颗粒分布倾向前少后多;同粒径颗粒浓度越大,更倾向于后段分布。DPF对原排噪声的影响结果表明:1)低转速下,DPF插入损失离散峰多且大于0 d B(A),离散谷量少且绝对值较小;高转速下与之相反,DPF再生噪声量大于低转速;2)低转速下,深层碳烟对DPF排气噪声衰减能力强于中、高转速;3)总噪声随饼层碳烟量增加,其降幅大于四、八阶噪声。碳烟、灰分对DPF压降及噪声的影响结果表明:碳载量越大,DPF排气噪声越小;碳载量4g/L内,深层过滤压降占主导,之后随碳载量增大,碳烟层压降所占DPF总压降比重越大;灰分量同灰分分布系数对DPF影响效果相似,皆随数值的增长,DPF压降越大,对排气噪声衰减能力越强。载体结构参数对DPF压降及噪声的影响结果表明:1)同碳载量,RCD在1.0~1.1较1.1~1.4区间,每增长0.1的压降差异更小;2)RCD越大,不同灰分下压降差异越大,且四、八阶次噪声衰减程度越大;3)孔密度越大,DPF压降越低;孔密度越大,12.5 g/L灰分量下噪声量越大,在25 g/L则反之;4)壁厚值越大,压降越大,噪声量越低。不同结构CDPF压降试验研究结果表明:1)加装不同结构CDPF洁净载体,对称结构相较非对称,在发动机进气流量、扭矩、功率输出都具有一定优势性;非对称结构的CDPF前、后端温度、压力值及压降方面均较高;2)高碳载量下,加装对称CDPF,其发动机进气量、功率、扭矩低于非对称CDPF;非对称CDPF前端压力及压降值均低于对称结构;3)碳载量4 g/L内,非对称CDPF压降高于对称;碳载量4~8 g/L,对称CDPF压降高于非对称;非对称CDPF孔道碳烟层更薄,压降随碳烟量增长更缓;当转速2400 r·min-1,碳载量8 g/L时,对称CDPF压降值高于非对称近75%;4)转速1200~2400 r·min-1,高孔隙对称与低孔隙非对称CDPF压降交点均在4~5 g/L碳载量范围内,当超过压降交点值,非对称结构对于降低DPF压降更有优势。
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