随着汽车保有量的逐年增加,人们对汽车尾气排放污染问题日益重视,越来越严格的排放标准、法规逐渐付诸实施,柴油机微粒(Particulate Matter,PM)的排放已经成为了开发高效低排放柴油机急需解决的关键问题之一。目前,采用柴油机微粒捕集器(DPF)来降低或者消除柴油机的微粒排放,被认为是当前柴油车中最简单有效的微粒后处理方法之一。但在柴油机微粒捕集器使用过程中,其核心部件多孔介质过滤体经常处于高温和热冲击的恶劣环境中,并同时受到灰烬沉积的作用,容易导致其性能发生劣化和失效,制约着柴油机微粒捕集器的进一步推广应用。为此,本文通过数值仿真和试验,并结合相关理论和算法进行柴油机微粒捕集器性能劣化辨析和优化研究。研究成果不仅为柴油机微粒捕集器的设计和应用提供了理论依据,还对提高车用微粒捕集器的综合性能和治理环境污染有着重要的理论和现实意义。本文的主要研究工作如下:(1)考虑灰烬沉积对DPF性能的影响,以采用铈-锰燃油催化添加剂与微波加热复合再生技术的DPF为研究对象,对DPF进行了复合再生理论建模,并通过试验对复合再生数学模型进行了验证,为DPF性能劣化影响因素分析和多学科设计优化提供了理论支撑。(2)提出了一种用于评价各种因素对DPF性能劣化影响的方法;利用正交试验设计方法获取了仿真试验的各个参数组合(工况),减少了试验时间和成本;以压降和最大壁面温度作为DPF劣化的评价指标,并基于复合再生数学模型计算了各工况对应的压降和最大壁面温度;最后采用模糊灰色关联分析方法并结合模糊层次分析法对DPF性能劣化的各影响因素进行了分析和综合评价,并获得了影响DPF劣化的主要参数。(3)将灰烬沉积质量和压降看成是随时间变化的时间序列,并根据它们自身的特点分别采用模糊自适应变权重组合预测方法和基于商空间粒度计算理论的灰色模型与覆盖算法组合模型对灰烬沉积质量和压降进行了预测,且预测精度较高,为DPF失效辨识提供了分析数据。(4)利用灾变理论将基于灰烬沉积的DPF过滤体的压降模型微分同胚变换为DPF失效尖点突变模型的正则函数形式,分别求解了 DPF失效尖点突变模型的临界点和奇点集,从而得到了 DPF失效尖点灾变模型的判别式,并用于DPF多孔介质过滤体的失效辨识,最后通过试验对DPF失效行为的辨识结果进行了验证。研究结果表明,基于灾变理论的DPF失效辨识方法是有效的。(5)基于多学科设计优化理论,以柴油机微粒捕集器过滤体再生效率、微波能量消耗、压力损失和抗热冲击性能为目标函数建立了多学科设计优化模型,并基于自适应变尺度混沌优化算法对DPF进行了多学科设计优化;最后通过试验对优化结果进行了验证,并对优化前后的DPF进行了性能对比。研究结果表明,优化后DPF复合再生过程的整体性能得到了较大的优化,为高性能的DPF开发提供了理论设计方法。