多孔質フィルター内の排気ガスの流れと微粒子の吸着・燃焼過程の解析

多孔过滤器中废气流动和颗粒吸附/燃烧过程的分析

基本信息

批准号：
15760131
负责人：
山本和弘
金额：
$ 2.24万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15760131/
关键词：
多孔質体燃焼すす粒子数値解析格子ボルツマン法微粒子

项目摘要

ディーゼルエンジンは高い熱効率を持っているが、NOx、CO、HCとすすなどの粒子状物質(PMと略される)が有害成分として、ガソリンエンジンよりも多く排出されるという問題がある。PMはフィルター(ディーゼルパーティキュレートフィルター、DPF)を用いることで吸着・除去することが可能であるが、その大きさが数ミクロンからサブミクロンオーダにわたるため、効率的にPMを捕集することは容易ではない。また吸着した粒子を焼却するフィルターの再生過程が必要であるが、その最適化はできていない。現状では、多孔質のセラミックでできたDPF内のガス流動・反応を直接解析する方法がなく、主に試作したDPFに排気ガスを通してその特性を収集することで製品の開発が行われてきた。しかし試作品を作って試行錯誤により現象を分析し、製品の設計を行うことは効率的ではない。DPF内の排気ガスの流れと微粒子の吸着・燃焼過程が模擬できれば、より詳細な現象の理解ができ、また効率のよいフィルター開発も可能となる。本研究では、これまで数値的に解析が不可能であったDPF内の流れと燃焼反応を模擬する方法を提案する。解析手法には格子ボルツマン法を用いた。この方法は従来の解析方法とは異なり、現象をよりミクロな視点からモデル化している。そのため境界条件の設定が容易であり、複雑な境界面を持つ多孔質フィルター内の流れを解析するのに適している。本研究では、(1)さまざまな大きさの障害物を配置した流路内流れ(多孔質壁の簡略化したモデル)、(2)3次元CTにより実際の多孔体構造を考慮した内部流れ、(3)二相流の分離を利用した計算により再現した仮想の多孔体内流れ、の3ケースにおいて、複雑流路内の流れ解析を行った。これにより、得られた結果は理論と非常に近い関係となった。また壁面に吸着したすすの燃焼計算を行うことで、フィルターの再生過程が模擬できた。

柴油机虽然热效率高，但存在比汽油机排放更多NOx、CO、HC、烟灰等有害颗粒物（简称PM）的问题。 PM可以使用过滤器（柴油颗粒过滤器，DPF）进行吸附和去除，但由于其尺寸从几微米到亚微米级，因此很容易有效地收集PM。此外，还需要过滤器再生过程来焚烧吸附的颗粒，但该过程尚未优化。目前，还没有办法直接分析由多孔陶瓷制成的DPF内部的气体流动和反应，产品开发主要是通过使废气通过原型DPF并收集其特性来进行的。然而，创建原型、通过反复试验分析现象，然后设计产品的效率并不高。如果可以模拟废气的流动和颗粒物在 DPF 中的吸附/燃烧过程，就可以更详细地了解这一现象，并开发出更高效的过滤器。在这项研究中，我们提出了一种模拟 DPF 内部流动和燃烧反应的方法，迄今为止还无法对其进行数值分析。分析方法采用格子玻尔兹曼法。该方法与传统分析方法的不同之处在于它从更微观的角度对现象进行建模。因此，边界条件设定方便，适用于分析具有复杂边界面的多孔过滤器中的流动。在这项研究中，我们研究了 (1) 具有不同尺寸障碍物的通道中的流动（多孔壁的简化模型），(2) 使用 3D CT 考虑多孔体的实际结构的内部流动，(3) 流动分析复杂通道在三种情况下进行：（3）通过使用两相流分离的计算来再现虚拟多孔体中的流动。因此，得到的结果与理论有非常密切的关系。此外，通过计算吸附在壁上的烟灰的燃烧，可以模拟过滤器的再生过程。