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柴油机工作产生的主要污染物之一是PM,为了减小PM对环境的污染,必须采取一定的措施,去除柴油机产生的PM。从当前的研究成果来看,应用比较广泛的PM机外后处理技术是柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)技术。DPF结构对其自身性能和发动机性能存在较大影响,且过滤体结构参数之间也存在耦合关系,这对DPF的结构设计提出了多目标优化的要求。本文在前人研究的基础上应用试验设计方法(Design of Experiments)计算分析了在不同排气流量条件下DPF过滤体结构参数(通道密度(CPSI)、过滤壁面微孔直径、过滤体孔隙率、过滤壁面厚度、渗透率)对其捕集效率和压降的影响规律,并采用多目标优化方法对结构参数进行了优化。结果表明:优化后的过滤体结构参数能够使DPF的捕集效率达到95%以上,捕集效率比优化前提高了0.52%~16%,压降比优化前减小了30%~50%。DPF总体结构对流动性有较大影响,为探究相关规律,基于多孔介质理论和计算流体力学理论并应用多相流模型对DPF内部流动特性进行了数值计算。计算结果表明:DPF扩口角越小,压降增长越小,气体在DPF内部流动越均匀,有利于DPF对尾气中颗粒的捕集;载体长径比越小,气体通过过滤体的压降增长幅度越小,长径比对流动均匀性影响较小;此外,过滤体进、出口通道结构对称性对压降也会产生一定的影响:与进、出口通道孔径相等时产生的压降相比,进口通道孔径小于出口通道孔径时,压降小40%左右,进口通道孔径大于出口通道孔径时,压降大20%~30%。柴油机工作时,碳烟在颗粒捕集器中不断累积,排气背压不断升高,当碳烟积累到一定量时会严重影响发动机的经济性和动力性,因此需要定期清除DPF中的碳烟,即DPF再生。针对DPF再生问题,本文研究了排气流量、DPF碳载量、尾气中氧气质量分数、DPF入口尾气温度4个参数对再生的影响规律。计算结果表明:在大负荷条件下再生有利于再生节能;碳载量在10g/L左右时再生效率最高;此外,发动机尾气中的氧气质量分数(0.07~0.10)是适合再生的含氧量范围,不需要额外增加供氧设备辅助再生;当进入DPF的尾气温度在500℃左右时,可实现安全、高效再生。