微粒（PM）是柴油机排放的主要污染物，随着排放法规的日益严格，柴油机必须搭载后处理系统才能够达到国Ⅳ以后排放法规的要求。柴油机微粒捕集器（DPF）是目前国际公认的消除柴油机微粒排放最有效的后处理设备之一。车辆在运行过程中，排气中的微粒逐渐在DPF载体中积累，当微粒积累到一定程度会造成排气阻力增大，对发动机的动力性和经济性产生不良影响，需要定期对DPF进行再生，消除载体中累积的微粒。所以对DPF工作特性进行研究以及探讨更适用的再生控制策略具有非常重要的意义和工程实用价值。本文以国家“863”课题“高压共轨轿车柴油机开发”为依托，搭建了发动机试验台架，并建立了DOC和DPF一维和三维仿真模型，对DPF工作特性和再生控制策略进行了仿真和试验研究。研究内容主要包含4个部分：DPF捕集效率、压降特性和DPF再生过程的理论描述和数学建模；DPF内部气流运动均匀性分析；DPF捕集效率和压降特性仿真分析； DPF再生控制策略试验研究与制定。结合Shigeki Daido等人对DPF微粒加载和再生过程的可视化试验，本文对DPF的捕集效率和压降特性进行了理论描述，阐明微粒加载过程的三个阶段和DPF压降随之变化的历程；并对DPF再生过程微粒的变化过程和压降的变化过程进行了详细的描述。基于微粒捕集理论和达西定律分别对捕集效率和压降进行了数学建模；基于质量、能量和化学动力学平衡方程对DPF再生过程进行了数学建模。这部分工作为下文的捕集效率和压降特性分析以及再生过程分析提供了理论依据。利用AVLFire软件建立DPF三维仿真模型，并引入均匀性系数方程，对DPF内部气流运动规律进行了研究分析。并通过模拟计算研究了DPF入口扩张管锥角、载体长宽比、前端DOC和发动机稳态工况对气流运动均匀性的影响，得出：扩张管锥角越小、载体长宽越接近于1，流动均匀性就越好；前端DOC载体为多孔介质对气流起到弥散作用，使DPF内部气流运动均匀性得到很大改善；发动机稳态工况下的排气流量和温度对气流运动均匀性几乎无影响。利用GT-Power软件建立DPF一维仿真模型，研究DPF的捕集特性和压降特性。首先对新鲜DPF进行了压降较核，得出壁面渗透率k0=9.4e-14。通过仿真分析，阐明了DPF捕集效率和压降随微粒加载的变化历程以及壁面、PM层等部分对二者的贡献度。对进气道目数、孔隙率、微孔直径、壁厚、初始微粒加载量对捕集效率和压降特性的影响进行了仿真分析，并得出各因素的合理范围。以上两部分的仿真分析为DPF的优化设计奠定了基础，为开发更高性能的DPF装置提供了技术储备。搭建发动机试验台架，完成了后处理系统控制的相关试验。由DOC起燃温度试验和DPF平衡点温度试验得出所需的DOC对HC的转化温度T90为330℃，DPF平衡点温度为375℃，DPF再生所需入口温度为530～560℃。随后又分别完成了增压压力、燃油主喷正时、EGR率和燃油后喷等因素对排气温度的影响试验、DOC温升特性试验、微粒加载特性和再生特性研究，并以此为基础研究制定了包含DPF再生时机判定、温升策略和DPF再生过程控制的DPF再生控制策略。本文提出“多层次再生时机判定”，实现PM加载数学模型、油耗法和压降法三种模型的耦合，提升再生时机判断的准确度；提出全工况区域再生的概念，以车辆的行驶工况为依据，对发动机全工况区域进行分区，针对于不同工况区采用与此工况区域相适应的温升方法，使得发动机在绝大部分工况下排气温度能够达到DPF再生的要求；从初始过热、飞温和局部过热三种DPF损坏模式入手，分析如何通过控制再生过程的温度和氧气来实现再生过程的控制。特别是对再生过程发动机突然降到怠速问题的分析，提出通过调节EGR率、发动机转速并结合进气节流等措施完成对DPF再生过程的控制。另外通过改善气流运动均匀性来改善DPF温度和微粒加载的均匀性，抑制局部过热现象的产生。