摘 要

环境污染问题的日益严重，而柴油机排气造成的污染是空气污染的重要来源。柴油机后处理装置DOC与CDPF组合后具有较好的尾气净化效果，其在柴油机上的应用具有广阔前景。后处理装置工作性能可能因工况的改变或者其他影响因素而出现下降，从而对环境造成污染。因此，对后处理装置性能估计的研究就十分必要。

本文通过分析后处理装置的工作机理，运用学科基础知识，建立了后处理装置的温降压降微分方程并在MATLAB/SIMULINK中建立了后处理装置的温降压降模型。根据给定参数，建立了后处理装置的GT-Power仿真模型。

使用所建立的仿真模型，选取九个稳态工况下的排气数据作为排气入口数据进行了仿真分析。基于仿真结果，提出了后处理装置工作性能的估计方案，对某一工况下后处理装置的工作性能分析方法进行了介绍。

本文采用在用柴油车排放后处理装置改造项目中获得的数据，通过对后处理装置两端参数的分析，得到后处理装置性能估计的依据。

论文开展的柴油机后处理装置稳态工况下的性能估计工作，有助于对柴油机动态工况下性能估计的研究。本文基于数据对柴油机后处理装置性能估计的研究可为后处理装置性能估计的进一步研究提供一定的依据。

关键词：柴油机；DOC CDPF后处理装置；模型；数据；性能估计

Abstract

The problem of environmental pollution is becoming more and more serious, and the pollution caused by diesel exhaust is an important source of air pollution. The combination of diesel engine after-treatment device DOC and CDPF has better exhaust gas purification effect, and its application in diesel engines has broad prospects. After-treatment device’s performance maybe reduce during working due to changes in engine operating conditions or other factors, and thus cause environmental pollution. Therefore, it is necessary to study the performance estimation of after-treatment device.

In this paper, by analyzing the working mechanism of after-treatment device and using the basic knowledge of subjects, the differential equation of temperature and pressure drop of after-treatment device is established and the temperature and pressure drop model of after-treatment device is established in MATLAB/SIMULINK. Based on the given parameters, an after-treatment device GT-Power simulation model was established.

This article uses the data obtained in the alteration project of a diesel vehicle exhaust after-treatment device. Through the analysis of the parameters at both ends of the after-treatment device, the basis for the performance evaluation of the after-treatment device is obtained.

The performance estimation work of the diesel engine after-treatment device under steady-state operation conditions carried out in this paper is helpful to the study of the performance estimation of the diesel engine under dynamic conditions. The study of the performance of the diesel engine after-treatment device based on data can provide some basis for further research on the performance evaluation of the after-treatment device.

Key Words：diesel engine；DOC CDPF after-treatment device;model;data; Performance estimation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 柴油机后处理技术 2

1.2.1 PM排放控制技术 2

1.2.2 NO_X排放控制技术 3

1.3 柴油机后处理装置性能估计方法研究现状 4

1.4 研究内容及研究方法 5

第2章 DOC CDPF后处理装置模型的建立 6

2.1 DOC CDPF温降与压降模型的建立 6

2.1.1 DOC温降压降模型 6

2.1.2 CDPF温降压降模型 10

2.2 DOC CDPF仿真模型的建立 12

2.3 本章小结 14

第3章 基于模型的性能估计方法 15

3.1 后处理装置影响因素及规律分析 15

3.2 性能估计方案的提出 20

3.3 性能估计方案的分析 21

3.4 本章小结 22

第4章 基于数据驱动的后处理装置性能估计 23

4.1 数据采集系统与数据预处理 23

4.2 基于温度幅值域的性能估计方法 24

4.3 本章小结 26

第5章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着我国经济水平的不断提高，我国的汽车产业也迅速发展。从2009到2017年我国汽车的产、销量一直保持在世界第一。从销量上来看，2017年我国汽车产销量分别为2901.5万辆和2887.9万量。公安最新部公告显示，截止到2017年底，全国汽车保有量已达2.17亿辆，我国汽车产业的规模达到了新的高度。

随着汽车产业的迅速发展，汽车所带来的能源安全与环境污染问题也日益突出。一方面我国对进口石油的依赖度进一步增大，给我国经济的发展带来了巨大的成本和风险。另一方面汽车保有量的增加，使得汽车尾气排放成为空气污染的重要来源。环境保护部在2017年6月发布的《中国机动车环境管理年报(2017)》^[1]中公布了2016年全国机动车环境管理情况。年报显示2016年, 全国机动车排放污染物初步核算为4472.5万吨，其中，一氧化碳（CO）3419.3万吨，碳氢化合物（HC）422.0万吨，氮氧化物（NO_X）577.8万吨，颗粒物（PM）53.4万吨。其中汽车是污染物排放总量的主要贡献者，其排放的CO和HC超过80%，NO_X和PM超过90%。柴油车排放的NO_X接近汽车排放总量的70%，PM则超过90%。年报还显示机动车污染不仅是我国空气污染的重要来源，而且是造成颗粒物及光化学污染的重要原因。随着汽车保有量的增加，我国部分城市空气开始呈现出煤烟和机动车尾气复合污染的特点，对群众健康造成直接影响。近年来汽车产业的迅速发展带来的环境污染与人民对提高生活环境质量的愿望之间的矛盾日益尖锐。因此，需要对汽车尾气进行更严格的处理来满足愈发严格的法规要求，从而减少环境污染特别是城市中的空气污染。

与汽油车相比，柴油机空燃比大，属于稀燃混合气燃烧，有热效率高、燃油经济性好和可靠性高等优点。柴油机在节能与CO₂排放方面的优势使其在数十年来得到新的发展。自20世纪后期，欧洲和日本就基本实现了大型客车与货车的柴油机化。目前，欧洲轿车年产量中已有40%采用柴油机而且在欧洲、日本等发达国家，柴油机在商用车领域也得到了大规模的使用^[2]。由于受限于柴油品质问题，在我国，柴油机只在商用车、工程机械等方面得到了大规模的应用。与此同时，柴油机带来的尾气污染物排放问题成为影响其推广应用的重要因素。由于采用直接喷射和空燃比较大的稀燃燃烧，使得燃油雾化不良且在排气中出现富氧状态，因而产生了较高的PM和NO_X排放，而HC与CO的排放则处于较低水平。经证实颗粒物排放中的 SOF(Soluble Organic Fractions，可溶性有机物)具有诱变作用，其中的PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，多环芳香性化合物)具有致癌和促癌作用^[2]。由于排放出的微粒直径很小，可以长时间的悬浮在空气中从而被人体肺部吸入，对人体的健康造成极大危害。NO_X具有毒性和刺激性，可对人的呼吸道及肺造成损害，在光照下会与HC作用产生光化学烟雾。此外NO_X还对纤维、橡胶、塑料、电子等材料具有不良影响^[3]。

随着机动车排气对环境污染的日益严重与人们环保意识的增强。世界各国制定了严格的标准和排放法规。随着欧洲在2005年实行欧四排放法规，2008年开始执行欧五排放法规，目前的发动机排放法规已经相当严格，美国2010年的排放法规被认为是柴油机的最终法规要求。我国的排放法规采用了欧洲体系，只是在实施时间上较晚^[4]。

近年来，我国对环境污染的重视程度越来越高，排放法规的要求也日益严格。研究高效的催化转化器来降低柴油机的排气污染，不仅有利于提高环境质量和减少排气污染对人民健康的影响同时有利于提高我国汽车产业的技术水平减小与发达国家的差距^[5]。

1.2 柴油机后处理技术

柴油机排放物的净化是一个系统工程，应将燃油品质、机内净化和机外后处理三者有机结合^[2]。21世纪以来，欧美等发达国家对燃油品质提出了更高的要求。2005年，欧洲排放法规中出现了硫含量低于15mg/L的超低硫含量燃油。与国外的燃油品质相比，我国在该方面的控制较宽松，因此对催化器的抗中毒性能提出了更高的要求。机内净化技术主要包括新型燃烧技术、提高喷射压力、废气再循环、优化喷油规律等。目前，在柴油机常用的工况内，仅采用机内净化已经趋于极限，只有对柴油机尾气进行高效的后处理才能满足愈发严格的排放法规^[5]。下文对目前主流的柴油机PM和NO_X后处理技术进行简要介绍。

1.2.1 PM排放控制技术

（1）柴油机颗粒补集器DPF

2000年，法国标致公司开发出第一代商用柴油机 DPF(Diesel Particulate Filter，颗粒补集器)，并用于柴油轿车。2004年DPF开始逐渐在中重型柴油车上的运用。柴油机颗粒补集器一般由壳体、衬垫和壁流式滤芯构成。颗粒物的捕集需要将柴油机排气中的颗粒同气流分离，DPF采用的壁流式滤芯结构过滤层的通道中，将滤芯两端中的任意一端堵塞，从而强迫废气通过多孔壁面来实现对颗粒物的捕集^[3]。目前，DPF的研究主要集中于过滤材料和过滤体再生两大关键技术。根据再生方式的不同，过滤体再生可分为主动再生和被动再生，催化型颗粒补集器CDPF耦合DOC (Diesel Oxidation Catalyst，催化氧化器)，利用DOC将排气中的NO氧化成NO₂从而有效利用了NO₂的被动再生作用，降低了DPF再生的温度要求^[6-7]，减少了有源再生的次数，因此是非常具有前景的技术，其中DOC氧化NO为NO₂最佳温度为320到330摄氏度^[8]。目前，DPF还存在可靠性不高，包括出现堵塞或高压降现象以及再生过程中的放热使DPF损坏等问题，因此，未来需要开发更高效、安全、可靠的柴油机后处理系统来降低排放。

（2）催化氧化器DOC

催化氧化器DOC用来氧化HC、CO、NO以及可溶性有机物SOF，其采用P_t、P_d等贵金属作为催化剂来降低氧化反应所需的活化能，使这些物质在较低的温度下就可以发生氧化反应。DOC主要以蜂窝陶瓷或蜂窝金属为载体，催化剂涂覆在载体表面，蜂窝状结构使废气与催化剂接触面积大大增加，同时气流的压降减小^[3]。影响DOC性能的主要因素有：一是催化剂，贵金属种类及含量、载体材料及燃油中的硫含量等。其中燃油中的硫会引起催化剂中毒，使DOC性能下降，因此必须提高燃油品质，才能更好的发挥DOC的作用^[9]；二是发动机的工况。工况不同，排气的温度、成分等也会发生较大变化，从而影响DOC的工作性能；三是DOC的结构因素，如外形等。

1.2.2 NO_X排放控制技术

（1）选择性催化还原技术SCR

20世纪70年代，日本首先以液态氨为还原剂将SCR (Selective Catalyst Reduction，选择性催化还原技术)技术用于锅炉上。80年代，SCR技术开始用于柴油发动机，目前欧洲的大部分重型车已经安装了SCR系统^[3]。SCR系统的工作原理是在一定的温度范围内，还原剂在催化剂的作用下，有选择性的将排气中的NO_X还原为N₂和水。按照还原剂的不同SCR可分为NH₃-SCR和HC-SCR。NH₃-SCR还原效率高、活性温度宽、抗硫化物性能好。因此NH₃-SCR是更适合用于重型柴油机的NO_X后处理技术。该技术被认为是未来重型柴油机符合更严格排放法规的主要技术路线，我国科研机构对该技术的研究已取得一些成果，但是与发达国家的技术水平还有较大差距。

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