微粒捕集器炭煙加載和再生特性仿真分析

李成元，劉 宇，李 君，秦 巖，張衛(wèi)國(guó)

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

柴油機(jī)微粒捕集器（DPF）是目前公認(rèn)的能夠有效消除柴油機(jī)排放微粒的后處理裝置，利用載體的多孔介質(zhì)特性對(duì)排放的微粒進(jìn)行物理捕集，使微粒在載體內(nèi)逐漸積累，以達(dá)到消除微粒的目的。為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，對(duì)于滿足國(guó)Ⅳ排放法規(guī)的柴油機(jī)，后處理系統(tǒng)加裝DPF是一個(gè)很好的途徑。在實(shí)際應(yīng)用中，DPF再生的控制是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題［1］。本研究利用AVLFire三維仿真軟件建立了DPF模型，并對(duì)炭煙加載過(guò)程和再生過(guò)程進(jìn)行闡述和分析。

1 DPF模型的建立與校準(zhǔn)

由于DPF為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且在仿真計(jì)算中氣體流動(dòng)一般忽略重力的影響，本研究為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，根據(jù)載體相關(guān)參數(shù)（見(jiàn)表1）建立了DPF 1／4模型（見(jiàn)圖1）。網(wǎng)格總數(shù)為13.2萬(wàn)個(gè)，且壞網(wǎng)格數(shù)為0。

表1 DPF載體相關(guān)參數(shù)

本研究中，DPF的再生方式為主動(dòng)再生，DPF入口再生溫度標(biāo)定為600℃。在再生過(guò)程中主要關(guān)注炭煙的氧化所帶來(lái)的溫度變化。以DPF出口的溫度為依據(jù)來(lái)校準(zhǔn)模型。式（1）為DPF再生過(guò)程中主要的化學(xué)反應(yīng)方程式，根據(jù)阿累尼烏斯方程，把反應(yīng)前因子K和化學(xué)反應(yīng)活化能E作為標(biāo)定參數(shù)。

由于考慮到DPF再生的臺(tái)架試驗(yàn)和仿真計(jì)算的差別，僅對(duì)不同炭煙加載量的再生過(guò)程DPF出口處的最高溫度進(jìn)行標(biāo)定，得出準(zhǔn)確的K和E。本研究所用的發(fā)動(dòng)機(jī)為GW4D20轎車柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)再生工況為1800r／min，45N·m?；陂_(kāi)放ECU，通過(guò)減小增壓壓力、DPF前加裝DOC和兩次燃油后噴等措施，使排溫由288.6℃上升到600℃，并穩(wěn)定在600℃進(jìn)行再生。再生的初始炭煙加載量分別為18g，21g和24g。分別取若干組K和E的值進(jìn)行仿真計(jì)算，得出最佳值：K0＝5×1081／ks，E0＝1.5×105kJ／kmol。結(jié)果見(jiàn)圖2，DPF出口最高溫度試驗(yàn)值與仿真值的誤差在允許范圍內(nèi)，認(rèn)為K0和E0合理。

2 DPF炭煙加載過(guò)程分析

2.1 炭煙在載體內(nèi)的積累過(guò)程

為了闡明加載過(guò)程中炭煙在DPF載體內(nèi)的分布情況，選擇排氣流量為26.1kg／h，排氣溫度為500K，排氣中炭煙相對(duì)質(zhì)量為0.0012kg／kg的工況進(jìn)行炭煙加載仿真計(jì)算。截取載體軸向中心截面，結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖中可以看到，每個(gè)圖中都是載體左上角的炭煙質(zhì)量濃度最低，通過(guò)分析可知，載體內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在此處出現(xiàn)渦流，使得氣體在此區(qū)域產(chǎn)生回流現(xiàn)象，造成該區(qū)域炭煙質(zhì)量濃度較低；炭煙首先在DPF出口附近堆積，之后逐漸向DPF入口方向堆積；載體中心的炭煙濃度要高于兩側(cè)的炭煙濃度，這也是與氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符合的。

2.2 炭煙在載體壁面的積累過(guò)程

Shigeki Daido等人對(duì)堇青石和碳化硅材質(zhì)的DPF進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，準(zhǔn)確地描述了壁流式DPF的炭煙加載過(guò)程和壓降特性。圖4示出DPF載體壁面的剖視圖，從圖中可以看出，炭煙的捕集過(guò)程按先后順序分為3個(gè)階段：①深床過(guò)濾階段（炭煙在壁中積累）；②深床過(guò)濾與餅狀層過(guò)濾階段（炭煙在壁面中和炭煙層中積累）；③餅狀層過(guò)濾階段（炭煙在炭煙層中積累）［3］。也就是說(shuō)，對(duì)于新鮮DPF載體或者再生完成后的DPF載體，炭煙首先在壁中積累；隨著壁中炭煙量的增加，載體入口通道壁面上開(kāi)始出現(xiàn)炭煙層，這時(shí)載體壁面和炭煙層共同完成炭煙的捕集；當(dāng)載體壁面中炭煙達(dá)到飽和狀態(tài)，炭煙不能夠繼續(xù)在壁面中積累，這時(shí)炭煙層開(kāi)始單獨(dú)起作用。

3 DPF再生過(guò)程分析

為了闡明DPF再生過(guò)程中的炭煙減少情況和載體內(nèi)部溫度分布情況，選擇表2所示再生工況進(jìn)行仿真計(jì)算。在所選用的工況下發(fā)動(dòng)機(jī)排溫為319℃，而標(biāo)定的DPF再生溫度為580～620℃，本研究選擇600℃作為DPF入口再生溫度，所以采取燃油后噴的升溫措施，由DOC氧化未燃碳?xì)溥_(dá)到溫升的目的。將排氣流量和DPF入口溫度作為邊界條件，初始炭煙加載量設(shè)定為5g／L，進(jìn)行DPF再生仿真計(jì)算。

表2 DPF再生所選用發(fā)動(dòng)機(jī)工況

圖5示出仿真過(guò)程中DPF載體最高溫度變化。從圖中可以看出，在100s左右載體最高溫度上升到600℃左右，開(kāi)始再生；在350s左右，DPF最高溫度穩(wěn)定在600℃左右，說(shuō)明再生過(guò)程已經(jīng)結(jié)束。所以整個(gè)再生過(guò)程為100s到350s，DPF在再生過(guò)程中的最高溫度為1000K左右。

3.1 DPF再生炭煙燃燒過(guò)程分析

圖6示出DPF再生過(guò)程中載體中炭煙隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，由于DPF入口處的炭煙最先接觸到高溫排氣，所以入口處首先達(dá)到燃燒溫度并開(kāi)始氧化。在軸向方向，炭煙沿排氣流動(dòng)方向逐漸向后氧化；而在徑向方向，越靠近中心的炭煙越早被氧化，這種現(xiàn)象在305s的截圖中可以清晰看到，載體中心的炭煙已幾乎氧化完，而外側(cè)的炭煙質(zhì)量濃度還有2g／L左右。這是載體內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)不均勻造成的結(jié)果，由之前的分析可知，載體內(nèi)部氣流速度總體呈沿徑向方向由中心向兩側(cè)遞減的趨勢(shì)，載體中心部位流速較大，攜帶的熱量相對(duì)較多，就使得中心部位的炭煙較外側(cè)的炭煙優(yōu)先發(fā)生氧化。

3.2 DPF再生過(guò)程溫度分布分析

圖7示出DPF再生過(guò)程中載體溫度隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，與再生過(guò)程炭煙的氧化順序相對(duì)應(yīng)，在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，發(fā)生炭煙氧化部位的溫度相對(duì)其他部位要高些，而且也呈現(xiàn)沿排氣流動(dòng)方向逐漸升高的趨勢(shì)。為了更準(zhǔn)確地描述再生過(guò)程中載體的溫度分布情況，在DPF載體的入口部位、中間部位和出口部位分別截取3個(gè)截面，并在每個(gè)截面的徑向方向等間隔設(shè)置3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)再生過(guò)程中的溫度變化（見(jiàn)圖8）。

圖9至圖11分別示出DPF再生過(guò)程中載體入口截面、中間截面和出口截面的測(cè)點(diǎn)溫度分布。從圖中可以很容易看到，在DPF從再生開(kāi)始到結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)，在載體的徑向方向溫度由中心向兩側(cè)逐漸降低，這與上文中對(duì)再生過(guò)程中的炭煙分布情況的分析是相吻合的［4］。

圖12示出測(cè)點(diǎn)1－1，2－1，3－1的溫度對(duì)比，從圖中可以看出，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度峰值分別為880.1K，948.5K和979.3K，由此可以得知沿廢氣流動(dòng)方向溫度峰值逐漸增大。另一方面，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度快速上升時(shí)刻分別為50s，100s和150s左右，所以越靠后方的測(cè)點(diǎn)溫度上升時(shí)刻就越延遲。綜合本節(jié)的分析可知，在DPF再生過(guò)程中，載體最高溫度的出現(xiàn)點(diǎn)位于靠近載體出口的中心位置。這個(gè)結(jié)論對(duì)實(shí)現(xiàn)DPF再生過(guò)程中溫度的良好控制是十分有意義的，因?yàn)樵谠偕^(guò)程中需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題是DPF的“超溫”問(wèn)題［5］。在實(shí)際的操作中可以把溫度的關(guān)注重點(diǎn)放在出口附近位置，使得控制策略得以簡(jiǎn)化。

4 結(jié)論

a）炭煙在加載過(guò)程中首先在DPF出口附近堆積，之后逐漸向DPF入口方向堆積；載體中心的炭煙濃度要高于兩側(cè)的炭煙濃度；

b）炭煙在壁面中的積累過(guò)程依次為深床過(guò)濾階段、深床過(guò)濾與餅狀層過(guò)濾階段、餅狀層過(guò)濾階段；

c）DPF再生過(guò)程中，在軸向方向，炭煙沿排氣流動(dòng)方向逐漸向后氧化；而在徑向方向，越靠近中心的炭煙越早被氧化；

d）DPF再生過(guò)程中，沿廢氣流動(dòng)方向溫度峰值逐漸增大，且越靠后方的測(cè)點(diǎn)溫度上升時(shí)間就越延遲，從而得出，在DPF再生過(guò)程中，載體最高溫度的出現(xiàn)點(diǎn)位于靠近載體出口的中心位置。

［1］張 輝.轎車柴油機(jī)微粒捕集器工作過(guò)程數(shù)值模擬及再生控制策略研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

［2］秦 巖.GW4D20轎車柴油機(jī)微粒捕集器內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)分析［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013（2）：40－43.

［3］Evdoxia A，Kladopoulou.A Study Describing the Performance of Diesel Particulate Filters During Loading and Regeneration－A Lumped Parameter Model for Control Applications［C］.SAE Paper 2003－01－0842.

［4］Shigeki Daido.Visualization of the PM Deposition and Oxidation Behavior Inside the DPF Wall［C］.SAE Paper 2009－01－1473.

［5］Alessandro Cozzolini.Advanced Modeling of Diesel P－articulate Filters to Predict Soot Accumulation and Pressure Drop［C］.SAE Paper 2011－24－0187.