伴随以柴油机为动力源的移动机械日益增加,柴油机排放的PM量越来越引起关注。柴油机颗粒物捕集器DPF作为高效控制柴油机PM排放的后处理装置,加装后会提高发动机的排气背压,影响发动机性能,因此降低DPF压降具有重要意义。本文开展DPF孔道流场速度与压降分析,基于分析结果开展孔道结构参数优化设计,旨在降低DPF压降。本文主要研究内容、研究方法如下:(1)DPF孔道流场仿真分析本文基于CFX建立DPF孔道三维流场模型,研究DPF孔道内流场分布,测算碳烟沉积分布,为DPF的压降优化设计提供参考方向。得出结果结论如下:(a)发现过滤壁面和碳烟饼层是DPF孔道压降的主要贡献者,孔道沿程阻力对孔道压降贡献较小,降低过滤壁面厚度和碳烟饼层厚度大小可以有效降低孔道压降。灰烬饼层沉积状态孔道内压降大于灰烬堵头沉积状态。(b)DPF进口孔道内速度场由入口处的均匀分布,沿孔道轴向逐渐发展为不均匀,最后在进口孔道堵头处或灰烬堵头处速度降为零;出口孔道内速度场由出口孔道堵头处位置的零流速开始沿轴向向下游方向升高,逐渐发展为不均匀。(c)洁净状态下的过滤壁面,沿孔道径向方向气体流速降低,沿孔道轴向方向气体流速升高。碳烟深床捕集过程中,过滤壁面内气体流速沿孔道轴向均匀分布,碳烟沿轴向位置均匀沉积。饼层捕集过程中,碳烟饼层上表面的气体流速沿孔道轴向基本均匀分布,碳烟基本沉积均匀;沿孔道径向方向,碳烟饼层两表面交界处气体流速最高,碳烟颗粒容易沉积在碳烟饼层两表面交界处。(d)灰烬沉积堵头长度范围内,进口孔道和过滤壁面内气体流速基本为零,出口孔道内流场基本不变;非灰烬堵头长度范围内,进、出口孔道流场与洁净状态相似,过滤壁面内气体流速沿轴向方向呈现两端高,中间低分布,且最高流速相比洁净状态高,过滤壁面捕集碳烟量增大。灰烬饼层沉积状态的DPF孔道内流场与碳烟饼层沉积相似。(2)DPF孔道结构参数优化设计本文基于GT-Power建立一维整体DPF仿真模型,研究非对称孔道结构、孔密度和过滤壁厚对DPF性能的影响,运用数值优化算法进行DPF非对称孔道边长比、孔密度和过滤壁厚组合优化分析,得出最佳非对称进出口孔道边长比、孔密度和过滤壁厚,在不牺牲捕集效率的前提下实现DPF压降的降低。研究主要结果结论如下:(a)进口孔道尺寸大于出口孔道的非对称结构相比进出口孔道尺寸相同的对称孔道可以降低碳烟饼层捕集过程中的压降,但提高深床捕集过程的压降,并降低DPF的捕集效率。提高孔密度可以在一定范围内降低DPF的压降,同时提高DPF的捕集效率;降低DPF过滤壁厚可以有效降低碳烟捕集过程的压降,但会降低DPF的捕集效率。(b)以DPF的进出口孔道边长比值、孔密度值和过滤壁厚值为设计参数,DPF洁净状态的捕集效率为约束,碳烟沉积量为再生阈值为6g/l时的DPF压降为优化目标进行近似建模优化,采用NIPQL优化算法得出方型的进出口孔道边长比值为1.0241,孔密度为400cpsi、过滤壁厚为0.333mm时,在控制捕集效率不变的前提下,DPF压降降低。