随着全球汽车工业的飞速发展,柴油机得到了广泛的应用。相对于汽油机,柴油机具有转矩大、燃油经济性高、未燃碳氢化合物排放低等优点。然而,柴油机由于燃油特性以及点火方式的原因,碳烟颗粒（PM）排放量远高于汽油机。柴油机产生的PM是大气雾霾以及众多呼吸道疾病的诱因之一。为了降低PM排放,许多缸内净化技术被应用,例如电控共轨、进气增压技术等。随着日益严格的排放法规（国VI、欧VI以及TIER2）对PM排放质量与数量的严格限制,柴油机后处理技术的应用成为必需,其中微粒捕集器（DPF）是最为有效的PM后处理设备。微粒捕集器热再生系统通过在柴油催化转化器（DOC）前端喷入燃料,提高排气温度,最终燃烧沉积在微粒捕集器中的碳烟颗粒,达到再生目的。通过数值模拟的方法,研究对比柴油及其他常见气体燃料在DOC微孔道内的燃烧特性,沉积碳烟在微粒捕集器内的催化燃烧过程,提出完善可靠的建模方法与耦合算法、PM加载量估计算法以及合理的微粒捕集器再生控制策略,对微粒捕集器喷油再生系统优化设计具有重要的理论意义与实用价值。本文首先建立了柴油替代物正十二烷(n-C12H26)在微孔道内催化燃烧的计算流体力学模型。模型包含详细气相反应机理和分层表面反应机理。分解产物甲烷使用详细表面反应机理,其余含碳分解产物使用表面分子动力学理论定义其表面反应速率,形成的吸附态碳、氢、氧原子继续按照详细表面机理路径参与反应。实验验证了数值模型准确性,对比了常见气体燃料,诸如氢气、甲烷、丙烷在微孔道内的催化燃烧特性。计算结果表明,正十二烷在低速入口条件下,稳燃区间较宽,随着入口速度的增加,稳燃区间迅速缩小,同时,在高速入口时,壁面最大温度梯度较小,另外选取正十二烷作为燃料,需要解决排放相关问题。该部分工作,为复杂燃料的催化燃烧数值建模提供了理论指导。其次,建立了完整的包含壁面多孔涂层的计算流体力学甲烷微孔道催化燃烧模型,对于纯流体与多孔计算域,分别使用分子扩散与有效扩散传质模型。利用该模型探讨了气相反应（HR）与表面反应（HTR）在不同孔道直径下的相互耦合效应;定量分析了多孔涂层内部扩散限制效应以及贵金属催化剂整体利用率;对多孔涂层的孔隙率、平均孔径、弯曲度特征参数进行了影响研究。数值模型准确预测了多孔涂层内部的速度场与组分分布以及多孔材料特征参数对燃烧特征的影响规律。该研究内容是对微孔道催化燃烧数值建模工作的完善与补充,同时对于贵金属催化涂层的制造与参数选取具有重要指导意义。微粒捕集器再生过程中,碳烟层的厚度由于碳烟氧化不断减小,而通常动网格不能模拟此类非均匀的计算域尺度变化。为了仿真再生过程中碳烟层的厚度变化,开发了多孔计算域的塌陷算法,并将其与微粒捕集器再生数值建模耦合。即在每个时间步迭代结束之后,以孔隙率为判断标准,交换相邻网格层之间的碳烟质量,以达到模拟燃烧过程中碳烟层塌陷的目的。计算结果表明,耦合了塌陷算法的数值模型能够预测再生过程中当地碳烟浓度、燃烧温度的变化,碳烟催化速率将导致不同的再生模式。这一部分研究内容为微粒捕集器再生过程的数值模拟提供了新思路。针对微粒捕集器再生过程中的最高温度、最高温升速率与再生开始时机很大程度上受到碳烟加载量这一参数影响的事实,提出了碳烟加载量估计算法。算法包含碳烟沉积层佩克莱数判断、碳烟沉积层微观结构参数计算、碳烟层厚度与密度计算。该算法使得再生时机判断更为可靠,对延长微粒捕集器寿命,降低再生能耗有重要意义。最后本文提出了微粒捕集器再生系统的控制策略。控制策略包含再生终止MAP图更新、再生时机判断、实时诊断以及再生终止判断四个功能模块。该控制策略考虑不可燃烧灰烬沉积的影响,对进气孔道尺寸进行更新,在工程上有较强的应用价值。