柴油機(jī)微粒捕集器中微粒物分布特性研究★

侯獻(xiàn)軍，張 新，杜松澤，李孟孟，許 京（1. 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢理工大學(xué)），武漢 430070；2. 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

柴油機(jī)微粒捕集器中微粒物分布特性研究★

侯獻(xiàn)軍1，2，張 新1，2，杜松澤1，2，李孟孟1，2，許 京1，2
（1. 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢理工大學(xué)），武漢 430070；2. 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

為分析微粒在柴油機(jī)微粒捕集器中的分布特性，建立微粒捕集器內(nèi)部過濾體微元通道模型，利用STAR-CCM+軟件對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行仿真分析。得出微元通道內(nèi)微粒物的濃度及壓力場(chǎng)分布，根據(jù)進(jìn)口和出口端面上的平均微粒物濃度可以求解過濾通道的捕集效率，根據(jù)進(jìn)口和出口端面的平均壓力可以求解微元通道的背壓。并研究進(jìn)出口孔穴形狀及孔隙率對(duì)通道背壓和捕集效率的影響。結(jié)果表明，正方形孔穴比正八邊形孔穴的捕集效率和背壓綜合性能指標(biāo)更佳；隨著過濾層孔隙率的增加，捕集效率和背壓均有所下降。

微粒捕集器；過濾體；微元通道；捕集效率

侯獻(xiàn)軍

畢業(yè)院校于武漢理工大學(xué)，博士研究生學(xué)位，現(xiàn)任武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院教授。主要研究方向：汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)CAD/CAE，發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制及

1　引言

柴油機(jī)微粒捕集器（DPF）是微粒凈化后處理技術(shù)中最為直接有效的方式，具有良好的商業(yè)應(yīng)用前景［1］。DPF的核心部件是過濾體，其主要的設(shè)計(jì)要求是具有較高的過濾效率和較低的排氣阻力［2］。研究DPF過濾體內(nèi)微粒物的分布特性對(duì)過濾體的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。國(guó)外在20世紀(jì)80年代就開始對(duì)微粒捕集器的流動(dòng)進(jìn)行研究，利用CFD方法對(duì)微粒捕集器的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬日趨活躍［3-5］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)微粒捕集器的研究日漸深入。

2008年，譚丕強(qiáng)和胡志遠(yuǎn)［6］等人闡述了微粒捕集器對(duì)微粒物過濾機(jī)理，并建立了整體的微粒捕集器的過濾模型，研究過濾體長(zhǎng)度和微粒直徑等因素對(duì)微粒物過濾效率的影響；

2011年，孟忠偉和宋薔［7］等人通過建立一維非穩(wěn)態(tài)模型來描述柴油機(jī)微粒捕集器的工作捕集過程中流場(chǎng)和微粒物分布，利用數(shù)值分析的方法，研究了不同過濾層滲透系數(shù)的條件下，微粒層加載厚度的變化情況及其均勻性分布；

2011年，S.Bensaid和D.L.Marchisior［8］等人建立了微粒捕集器的幾何模型，計(jì)算分析了不同滲透率和微粒物直徑下微粒捕集器內(nèi)部的流場(chǎng)分布和微粒層的沉積過程；

2012年，Kazuhiro Yamamoto 和 Shingo Satake［9］等人從微觀結(jié)構(gòu)方面研究了柴油機(jī)微粒捕集器的微粒物加載過程和微粒捕集器內(nèi)部的流場(chǎng)分布，研究了灰分的沉積對(duì)微粒捕集器的內(nèi)流場(chǎng)的影響。

本文利用數(shù)值模擬的方法來研究微粒捕集器內(nèi)部微粒物的濃度分布及壓力分布，為微粒捕集器的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)，從而減少試驗(yàn)工作量，縮短設(shè)計(jì)周期。

2　計(jì)算模型的簡(jiǎn)化及建立

DPF過濾體結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示，排氣氣流從入口端流入，流經(jīng)多孔介質(zhì)過濾層從相鄰?fù)ǖ懒鞒?。為減少計(jì)算量，只考慮一個(gè)單元的微元通道模型，簡(jiǎn)化如圖2所示，進(jìn)出通道均為正方形，邊長(zhǎng)為1.5mm，過濾層壁厚為0.55mm，孔隙率為0.4。

為更清晰的反映通道內(nèi)部微粒物分布狀況，只建立長(zhǎng)度為15mm的通道模型。微元通道體網(wǎng)格模型如圖3所示：

3　物理及邊界條件的設(shè)定

物理模型為三維流動(dòng)、定常氣體、分離求解、標(biāo)準(zhǔn)K-Epsilon湍流模型。微粒物為拉格朗日多相流，固體微粒為離散相。過濾層視作多孔介質(zhì)區(qū)域。

入口邊界條件：氣源相的入口條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量為0.001kg/m3。

出口邊界條件：取壓力出口，默認(rèn)值0 Pa，方向垂直于出口端面向外。

4　過濾體內(nèi)微粒物分布仿真分析

4.1微粒物濃度分布及分析

對(duì)所建微元通道模型進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，計(jì)算t=2h時(shí)刻的流場(chǎng)分布狀況。在相鄰的入流通道和出流通道上作縱剖面，觀察其微粒物濃度分布狀況，如圖4所示。上面部分的通道為入流通道，下面部分的通道為出流通道，中間為過濾層。由圖可知，整個(gè)入流通道內(nèi)微粒物濃度明顯高于出流通道，微粒物在入流通道尾端發(fā)生堆積，并有部分微粒物穿過過濾層從出流通道流出。求解進(jìn)口和出口端面上的平均微粒物濃度，可得進(jìn)口端面上平均濃度為12.82795×10-9，出口為2.29322×10-9，過濾通道的捕集效率為82.13%。

為進(jìn)一步清晰描述軸向（X方向）上入流和出流通道微粒物濃度的變化，分別截取X=3mm、X=7.5mm、X=14mm處的橫截面，其濃度分布如圖5所示。由圖可知，在通道前端部分，出流通道微粒物濃度基本為0，中間部分漸漸增大但分布不均勻，而在出流通道尾端部分微粒物濃度增加較大。這說明微粒物由通道尾端開始漸漸滲透穿過過濾層。

4.2過濾體內(nèi)壓力場(chǎng)分布及分析

同樣截取X=3mm、X=7.5mm、X=14mm處的橫截面，圖6所示為其壓力場(chǎng)分布。由圖可知，在過濾體前端和中端部分，入流通道和出流通道壓力分布均勻，這是由于此區(qū)域過濾層處無微粒物的穿過，只有純氣體流過過濾層時(shí)，壓降較小。而在過濾通道尾部，入流通道的壓力明顯高于出流通道壓力，其入流通道和出流通道在尾部橫截面的平均背壓約為115kPa。這是由于此區(qū)域內(nèi)微粒物發(fā)生堆積，并沉積在過濾層上，使氣體的流動(dòng)阻力增大。

此外，求得微元通道進(jìn)口端面和出口端面的平均壓力，可知整個(gè)微元通道的背壓為158kPa。相對(duì)于通道尾部橫截面出流和入流通道115kPa的背壓來說，整體背壓明顯增大，這是由于整體背壓損失不僅包括尾部微粒物沉積所引起的壓損，而且包括通道內(nèi)氣流的沿程阻力損失以及氣體流經(jīng)過濾層所引起的摩擦損失。

5　結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)微粒物分布的影響

5.1孔穴形狀變化對(duì)微粒物分布的影響

過濾通道孔穴形狀、邊長(zhǎng)和過濾層壁厚的變化將會(huì)對(duì)DPF捕集效率產(chǎn)生影響，本文設(shè)計(jì)5種孔穴形狀方案，如表1所示，其中方案一為原始結(jié)構(gòu)。

表1　5種孔穴形狀方案

分別建立各方案的幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到體網(wǎng)格模型如圖7-圖10所示：

保持與方案一相同的邊界條件，在同一時(shí)刻t=2h對(duì)不同方案進(jìn)出口截面上微粒物濃度分布及通道尾端入出流通道背壓進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示：

表2　不同方案計(jì)算結(jié)果

在方案二中，過濾層壁厚減小時(shí)，微元通道對(duì)微粒捕集效率減小，背壓減小。過濾層對(duì)氣體的流動(dòng)阻力減小，因而通道尾部橫截面入出流通道的背壓降低。此外，在通道前端部分也由于過濾層厚度減小對(duì)排氣中氣體的流動(dòng)阻力減小，因而通道的整體背壓也有所減小。背壓越小，可以延長(zhǎng)DPF再生間隔時(shí)間，從而延長(zhǎng)其使用壽命。

在方案三中，當(dāng)出流通道形狀不變邊長(zhǎng)變小時(shí)，其微粒捕集效率低，而且背壓卻大幅增長(zhǎng)。此時(shí)過濾層的過濾面積減小，因此捕集效率減小。同時(shí)由于出流通道面積減小，對(duì)氣流的流動(dòng)阻力加大，因而背壓增大。通道整體背壓升高至748kPa，背壓過高會(huì)影響微粒捕集器的工作效率，乃至影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

在方案四中，當(dāng)進(jìn)出口形狀都為正八邊形時(shí)，其捕集效率減小，背壓減小。雖然正八邊形總邊長(zhǎng)與原模型即方案一的總邊長(zhǎng)相等，但正八邊形的有效過濾邊長(zhǎng)卻只有一個(gè)邊的長(zhǎng)度即0.75mm，只為正方形有效過濾邊長(zhǎng)的一半，但此時(shí)過濾厚度有所增加，會(huì)引起捕集效率增加，但此增加幅度沒有有效過濾邊長(zhǎng)減小所引起的效果顯著。因此其總體的捕集效率降低。而在對(duì)背壓的影響上，過濾層壁厚的增加對(duì)其影響占主要地位，引起背壓降低。

在方案五中，當(dāng)進(jìn)口形狀為正八邊形，出口形狀為正方形時(shí)，其捕集效率最低，背壓最高。與方案一的模型相比，其過濾效率下降，在同等流量的狀況下，排氣的流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致背壓增高。

綜合考慮微粒捕集器的捕集效率和背壓，方案一和方案二效果最佳，即進(jìn)出口形狀都設(shè)計(jì)為同等邊長(zhǎng)的正方形。

5.2孔隙率變化對(duì)微粒物分布的影響

在同一時(shí)刻t=2h，進(jìn)行計(jì)算，在其他邊界條件保持不變的基礎(chǔ)上，僅改變孔隙率的大小，分析其對(duì)過濾通道進(jìn)出口微粒物濃度、捕集效率及通道尾部背壓和通道整體背壓的影響，結(jié)果如表3所示：

表3　不同過濾層孔隙率下計(jì)算結(jié)果

隨著孔隙率的增大，捕集效率和背壓都減小。這是由于過濾層孔隙率增加，過濾層微孔直徑增加，對(duì)固體微粒物的過濾效果減弱，更多細(xì)小微粒物不能被捕集而隨氣流直接流出，因此出口端面微粒物平均濃度增大。沉積的微粒物減少，對(duì)排氣氣流的流動(dòng)阻力減小，因而背壓減小。

6　結(jié)論

（1）建立了DPF微元通道模型，完成其物理及邊界條件設(shè)計(jì)；

（2）對(duì)DPF過濾體內(nèi)微粒物分布進(jìn)行仿真分析，根據(jù)進(jìn)口和出口端面上的平均微粒物濃度得出微元通道的捕集效率，根據(jù)進(jìn)口和出口端面的平均壓力得出微元通道的背壓；

（3）對(duì)DPF過濾體進(jìn)出口孔穴形狀及過濾層厚度對(duì)通道背壓和捕集效率的影響進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明正方形孔穴比正八邊形孔穴的捕集效率和背壓綜合性能指標(biāo)更佳；

（4）隨著過濾層孔隙率的增加，DPF捕集效率和背壓下降。

［1］姚春德， 邵玉平， 張春潤(rùn)， 等. 柴油機(jī)壁流式過濾體內(nèi)的流動(dòng)分析及模擬計(jì)算［J］. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2009，22（6）： 504-509.

［2］龔金科， 賴天貴， 董喜俊， 等. 車用柴油機(jī)微粒捕集器流場(chǎng)的數(shù)值模擬與分析［J］. 汽車工程， 2006， 28（2）：129-133.

［3］Yi， Y. Simulating the soot loading in wall-flow DPF using a three-dimensional macroscopic model ［C］. SAE Paper 2006-01-0264， 2006.

［4］Wu， G， A. V. Kuznetsov， Warren J. Jasper. Distribution characteristics of exhaust gases and soot particles in a wall-flow ceramics filter ［J］. Journal of Aerosol Science， 2011， 42（7）： 447-461.

［5］William Wangard， A. E. a. H. M. CFD simulations of transient soot trapping and regeneration in a diesel particulate filter ［C］. SAE Paper 2004-01-2658.

［6］譚丕強(qiáng)， 胡志遠(yuǎn)， 樓狄明， 等. 柴油機(jī)捕集器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同粒徑微粒過濾特性的影響［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2008， 44（2）： 175-181.

［7］孟忠偉， 宋薔. 柴油機(jī)顆粒捕集器內(nèi)顆粒層不均勻分布的數(shù)值研究［J］. 西華大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 30（1）： 1-4.

［8］V. Bermudez， J. R. Serrano， P. Piqueras， et al. Assessment by means of gas dynamic modeling of a preturbo diesel particulate filter configuration in a turbocharged HSDI diesel engine under full-load transient operation Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ［J］.Journal of Automobile Engineering， 2011. 225（9）： 165-170.

［9］Kazuhiro Yamamoto， Masamichi Nakamura. Simulation of heat conduction and soot combustion in diesel particulate filter Progress in computational fluid dynamics ［J］. Journal of Automobile Engineering， 2012，12（4）： 143-147.

專家推薦

逯海：

通過模擬計(jì)算結(jié)果可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)“顆粒捕集器（DPF）”內(nèi)部結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝要求來達(dá)到理想的捕集效率和背壓要求。數(shù)值模擬分析，其準(zhǔn)確性、計(jì)算效率大大提高，可以代替試驗(yàn)裝置和初步性能預(yù)測(cè)作用。文章數(shù)值模擬分析方法有較好理論性和實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)指導(dǎo)DPF的工藝設(shè)計(jì)實(shí)踐有一定參考價(jià)值，同意全文發(fā)表。

Research on Distribution of Particulates Filter in Diesel Engine

HOU Xian-jun1，2， ZHANG Xin1，2， DU Song-ze1，2， LI Meng-meng1，2， XU Jing1，2
（1.Hubei Key Laboratory ofAdvanced Technology for Automotive Components （Wuhan University of Technology）， Wuhan 430070， China； 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology， Wuhan 430070， China）

The paper sets up the micro channel geometry model of the filter body in diesel particulate filter， using STAR-CCM + software for simplified model simulation analysis. It is concluded that the concentration of the particles and the pressure field distribution in the micro channel. The capture efficiency of filtering channel can be solved according to the average concentration of particles on the import and export. The back pressure of micro channel can be required according to the average pressure of the import and export. Then the paper studies the influence of import and export cavity shape and porosity on the efficiency of the channel back pressure and capture efficiency. The results show that the square cavity is better than octagon cavity， concluding capture efficiency and back pressure comprehensive performance. The capture efficiency and back pressure were decreased with the increase of the porosity of filter layer.

diesel particulate filter； filter body； micro channel； capture efficiency

TK422

A

1005-2550（2015）05-0009-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.002

2015-07-02

★湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2013CFA104）資助。