柴油機(jī)顆粒物捕集器再生性能仿真分析

孟忠偉，張　靖，閆　妍

(西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，汽車(chē)測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川汽車(chē)關(guān)鍵零部件協(xié)同創(chuàng)新中心，四川 成都 610039)

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柴油機(jī)顆粒物捕集器再生性能仿真分析

孟忠偉，張靖，閆妍

(西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，汽車(chē)測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川汽車(chē)關(guān)鍵零部件協(xié)同創(chuàng)新中心，四川 成都 610039)

摘要：基于GT-Power軟件對(duì)柴油機(jī)顆粒物捕集器(DPF)再生性能進(jìn)行仿真，分析不同流量、不同微粒擔(dān)載量條件下DPF的再生性能，重點(diǎn)關(guān)注其過(guò)濾壓降、載體溫度、溫度梯度和再生效率。結(jié)果表明：DPF的壓降隨著流量與微粒擔(dān)載量的增加近似呈線性增加的趨勢(shì)；再生過(guò)程中最高溫度和最大的溫度梯度都出現(xiàn)在載體末端；隨著流量的增加，最高溫度、最大溫度梯度和再生效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；隨著擔(dān)載量的增加，最高溫度和最大溫度梯度逐漸增加，而在較大擔(dān)載量時(shí)增加逐漸趨于平坦，再生效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)顆粒物捕集器(DPF)；再生性能；過(guò)濾壓降；溫度梯度；再生效率

近年來(lái)，汽車(chē)尾氣對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越明顯，其中柴油機(jī)排放的顆粒物越來(lái)越受到人們的重視[1-2]。柴油機(jī)顆粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)是目前公認(rèn)的對(duì)于柴油機(jī)顆粒物進(jìn)行處理的較為有效的方式之一，它對(duì)于顆粒物的凈化效率可達(dá)到90%以上。目前，由于再生技術(shù)尚不成熟，使得DPF的應(yīng)用受到限制，因此DPF的再生性能成為研究的熱點(diǎn)[3-5]。目前，對(duì)DPF的再生研究大多采用數(shù)值模擬的方法來(lái)開(kāi)展[6]：在國(guó)內(nèi)，姜大海等[7]從發(fā)動(dòng)機(jī)性能出發(fā)研究了DPF的再生時(shí)機(jī)，侯獻(xiàn)軍等[8]和馬義[9]研究了基于DOC提溫的再生技術(shù)，龔金科等[10]和孟忠偉等[11]研究了不同再生條件下DPF內(nèi)顆粒層變化和溫度分布，樓狄明等[12-13]研究了DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)捕集效率和過(guò)濾壓降的影響；在國(guó)外，Mengting Yu等[14]研究了DPF內(nèi)部的燃燒狀況，Sang-Jin Lee等[15]研究了不同條件下DPF的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)再生過(guò)程的影響，Ming Zheng等[16]研究了逆流再生時(shí)DPF的再生性能，包括溫度和顆粒層厚度變化。上述研究對(duì)深入了解DPF的再生性能奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；但是為了使DPF與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行匹配，研究再生流量(轉(zhuǎn)速)、再生微粒擔(dān)載量(再生周期)對(duì)DPF再生性能的影響則凸顯其重要性，而目前這方面的研究尚不完善，有待進(jìn)一步深入探索。本文基于商用軟件GT-Power對(duì)DPF的再生過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究不同流量和不同擔(dān)載量條件下DPF的再生性能，為DPF再生時(shí)機(jī)的選擇提供必要的理論參考。

1模型的建立和驗(yàn)證

1.1模型建立

本文基于GT-Power軟件建立了壁流式柴油機(jī)顆粒物捕集器的仿真模型，如圖1所示，Inlet指進(jìn)入DPF的廢氣狀態(tài)，Exhambient指DPF的出口環(huán)境，Inlet_Gas_Temp(入口溫度)、Wall_Temp(壁面溫度)、Outlet_Gas_Temp(出口溫度)、Pressure_Drop(壓降)、Soot_Mass_Retain(實(shí)時(shí)微粒質(zhì)量)均為運(yùn)算過(guò)程中需監(jiān)控的DPF再生性能參數(shù)[8,12,17]。壁面溫度計(jì)算時(shí)選擇均勻分布于DPF壁面軸向的11個(gè)位置，工作原理與測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖1　仿真模型

圖2　DPF結(jié)構(gòu)與測(cè)點(diǎn)分布

DPF再生效率計(jì)算公式如下：

式中：η為DPF再生效率；m0為DPF內(nèi)初始質(zhì)量；mr為DPF再生完成剩余質(zhì)量。

DPF再生過(guò)程溫度梯度計(jì)算公式如下：

式中：Tg為溫度梯度； Ti+1為i+1位置處溫度；Ti為i位置處溫度；dl為i+1位置與i位置之間距離。

1.2計(jì)算參數(shù)

再生性能仿真中加熱脈沖參照前人的經(jīng)驗(yàn)選擇初始溫度為573 K，從第10 s開(kāi)始加熱并在第20 s達(dá)到873 K，波峰最高溫度維持60 s后在20 s內(nèi)降低到初始溫度573 K[18]；流量選取覆蓋中小型柴油機(jī)整個(gè)排氣流量范圍10 L/s到70 L/s的流量；擔(dān)載量從小到大選取了2 g/L到10 g/L的擔(dān)載量。DPF的基本參數(shù)如表1所示。

表1　DPF基本參數(shù)

1.3模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，利用本實(shí)驗(yàn)室搭建的DPF再生性能測(cè)試臺(tái)架對(duì)DPF的壓降和傳熱特性進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比如圖4和圖5所示。圖4中X/L表示DPF內(nèi)部位置，X/L=0表示入口，X/L=1表示出口，由圖可知：模擬值與實(shí)驗(yàn)值偏差較小，最大偏差約10%，說(shuō)明建立的模型可以很好地模擬DPF的工作狀況。

圖3　DPF再生性能測(cè)試臺(tái)架

圖4　DPF載體內(nèi)部溫度曲線(流量10 L/s)

圖5　DPF載體壓降曲線(流量10 L/s)

2仿真結(jié)果與分析

2.1DPF的過(guò)濾壓降

圖6示出計(jì)算得到的DPF不同流量和不同微粒擔(dān)載量條件下的過(guò)濾壓降?？芍涸谕环N流量條件下，過(guò)濾壓降隨著擔(dān)載量的增加近似呈線性增加；在同一種微粒擔(dān)載量的條件下，DPF的過(guò)濾壓降隨著流量的增加也近似呈線性增加，兩者對(duì)DPF過(guò)濾壓降的影響基本一致，當(dāng)兩者都較大的時(shí)候過(guò)濾壓降達(dá)到較大值。其原因是由于DPF的過(guò)濾壓降主要由沉積的微粒層引起，流量、擔(dān)載量越大，微粒層的過(guò)濾壓降就越大。

圖6　不同微粒擔(dān)載量與不同流量條件下的過(guò)濾壓降

2.2流量對(duì)DPF再生性能的影響

在研究不同流量對(duì)再生過(guò)程影響的時(shí)候選擇了中等擔(dān)載量6 g/L，分別計(jì)算了不同流量條件下再生過(guò)程中的溫度分布(見(jiàn)圖7)、溫度梯度分布(見(jiàn)圖8)、最高溫度和最大溫度梯度(見(jiàn)圖9)和再生效率(見(jiàn)圖10)，其中溫度分布和溫度梯度分布以三維坐標(biāo)的方式表示，橫坐標(biāo)代表再生時(shí)間，縱坐標(biāo)代表軸向位置，顏色的深淺代表溫度和溫度梯度的大小，具體結(jié)果如圖7所示。

圖7　不同流量條件下再生過(guò)程溫度分布(6 g/L)

由圖7可知越靠近前端溫度越早升高到最大值。這是因?yàn)镈PF的前端最直接受到來(lái)流的加熱，與溫度脈沖的一致性保持較好。熱量不斷被氣流帶向末端，在前端不會(huì)產(chǎn)生高溫區(qū)。后端波峰較為尖銳且較高，說(shuō)明再生過(guò)程中熱量在不斷往后端聚集。隨著流量的增加顏色較深的紅色區(qū)域向后端聚集，這是因?yàn)樵龃罅髁吭黾恿藷崃肯蚝蠖藗鬟f的速度。

載體內(nèi)部的溫度梯度分布如圖8所示，可知：在每一種流量條件下都出現(xiàn)了一正一負(fù)2個(gè)波峰。這是因?yàn)镈PF在再生過(guò)程剛開(kāi)始時(shí)溫度脈沖加熱DPF載體和微粒層，使之達(dá)到再生溫度，此時(shí)前端溫度高，則溫度梯度呈現(xiàn)負(fù)值，而溫度脈沖結(jié)束后微粒層開(kāi)始燃燒，微粒層和載體溫度將大于氣流溫度并逐漸向后端傳遞，此時(shí)后端溫度高，使得溫度梯度呈正值；最高的正波峰和最低的負(fù)波峰都出現(xiàn)在DPF的最后端，說(shuō)明DPF的后端溫度梯度最大，最容易受到損壞；隨著流量的增加代表正向最大值的紅色區(qū)域和代表負(fù)向最大值的藍(lán)色區(qū)域都在往后端聚集，因?yàn)榱髁康脑黾邮沟幂d體內(nèi)部溫度分布趨于均勻，所以溫度梯度也逐漸減小，但載體后端任然是最大溫度梯度出現(xiàn)的地方。

圖8　不同流量條件下再生過(guò)程溫度梯度分布(6 g/L)

如圖9所示，再生過(guò)程的最高溫度隨流量的增加呈先快速增大后緩慢下降的趨勢(shì)，在中等偏大流量(50 L/s)條件下達(dá)到最大。其原因是：流量增大有利于載體內(nèi)部微粒的燃燒，使得載體溫度升高；若流量過(guò)高，來(lái)流的冷卻作用也增大，使得載體最高溫度緩慢下降。載體溫度的升高容易造成載體的熱熔失效，因此小流量再生有利于降低DPF載體的最高再生溫度。

圖9　不同流量條件下再生過(guò)程最高溫度

載體內(nèi)溫度梯度極值隨流量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大溫度梯度極值出現(xiàn)在中等流量(40 L/s)條件下。其原因是：流量較小時(shí)，不利于微粒的燃燒，DPF載體溫度較低，溫度梯度極值也較??；而流量較大時(shí)，微粒在載體內(nèi)部燃燒充分，但來(lái)流的冷卻作用也明顯，載體溫度較高但趨于均勻，使得溫度梯度極值隨之減小。因此，在中等流量條件下出現(xiàn)最大的溫度梯度極值。

同理，如圖10所示，再生效率在中等流量條件下達(dá)到最大值，因此為了避免DPF載體的熱應(yīng)力損壞，應(yīng)選擇較低的流量進(jìn)行再生；但為了保證較高的再生效率，應(yīng)選取中等流量，所以在中等擔(dān)載量(6 g/L)時(shí)，應(yīng)選擇20 L/s的流量較為合適，在20 L/s時(shí)最高溫度和最大溫度梯度極值較低而再生效率相比最高，再生效率下降較低。

圖10　不同流量條件下再生效率(6 g/L)

2.3擔(dān)載量對(duì)DPF再生性能的影響

根據(jù)上面選擇的最佳流量(20 L/s)，研究不同擔(dān)載量對(duì)再生過(guò)程的影響。DPF載體的溫度分布和溫度梯度分布如前所述，深入分析得到擔(dān)載量不同時(shí)的最高溫度(見(jiàn)圖11)、最大溫度梯度(見(jiàn)圖11)和再生效率(見(jiàn)圖12)。

圖11　不同擔(dān)載量條件下再生過(guò)程最高溫度(20 L/s)

圖12　不同擔(dān)載量條件下再生效率(20 L/s)

如圖11所示，最高溫度隨著微粒擔(dān)載量的增加而增加，在流量一定的條件下最高溫度完全取決于氧化反應(yīng)釋放出的熱量，隨著微粒擔(dān)載量的增加，參與反應(yīng)的微粒量增大，釋放出更多的熱量，因此最高溫度與再生時(shí)候的微粒擔(dān)載量呈現(xiàn)一種正相關(guān)的關(guān)系，而在較大擔(dān)載量時(shí)，最高溫度的增加趨勢(shì)將逐漸趨于平坦。

最大的溫度梯度極值隨著微粒擔(dān)載量的增加而增加，在流量一定的條件下最大溫度梯度完全取決于最高溫度。最高溫度越大，溫度梯度極值也越大；但在較高的微粒擔(dān)載量時(shí)，微粒層厚度增大，使得載體內(nèi)部溫度趨于均勻，從而使得溫度梯度極值的增加也趨于平坦。

如圖12所示，再生效率在6 g/L左右達(dá)到最大值，在較小擔(dān)載量時(shí)，前端微粒最先氧化燃燒；但是因?yàn)槲⒘Ａ可籴尫诺臒崃枯^少，不能有效地促進(jìn)后端微粒的氧化，因此再生效率較低。隨著擔(dān)載量的增加氧化的微粒量增多，放出的熱量增加，再生效率增加；但是在擔(dān)載量過(guò)大時(shí)，由于流量和溫度脈沖一定，則能氧化的微粒量也一定，達(dá)到極值后，再生效率將隨擔(dān)載量的增加反而呈下降趨勢(shì)。

本文研究中由于受溫度脈沖的限制，最高的再生效率約為60%。改變溫度脈沖可明顯地改變?cè)偕阅?再生效率)，溫度脈沖變化對(duì)再生性能的工作將在后續(xù)的研究中展開(kāi)。

3結(jié)論

本文基于GT-Power的DPF再生模型研究了不同流量和微粒擔(dān)載量條件下的過(guò)濾壓降和再生性能，模擬的結(jié)果如下。

1)柴油機(jī)顆粒物捕集器的壓降隨流量與微粒擔(dān)載量的增加近似呈線性增加的趨勢(shì)，兩者對(duì)過(guò)濾壓降的影響基本一致。

2)再生過(guò)程中最高溫度和最大溫度梯度出現(xiàn)在柴油機(jī)顆粒物捕集器的后端位置。

3)隨著流量的增加，最高溫度、最大溫度梯度和再生效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，最佳的流量窗口為中小流量(本文中為20 L/s)。

4)隨著擔(dān)載量的增加，最高溫度和最大溫度梯度逐漸增加，但在較高的擔(dān)載量時(shí)增加趨勢(shì)逐漸趨于平坦；而再生效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，最佳的擔(dān)載量窗口為中等擔(dān)載量(本文中為6 g/L)。

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(編校：夏書(shū)林)

Numerical Investigation on Regeneration Performance of DPF

MENG Zhongwei, ZHANG Jing, YAN Yan

(SchoolofAutomobileandTransportation,XihuaUniversity,VehicleMeasurement,ControlandSafetyKeyLaboratoryofSichuanProvince,SichuanCollaborativeCenterforAutomotiveKeyComponents,Chengdu610039China)

Abstract:A regeneration model of the Innovation diesel particle filter (DPF) is established by GT-Power software. The influence of flow rate and soot loading on the DPF regeneration performance is numerically investigated. The performance parameters include: filtration pressure drop, substrate temperature, temperature gradient and regeneration efficiency. The results show that: with the increase of flow rate and soot loading, the pressure drop nearly increases linearly; the maximum temperature and maximum temperature gradient are appeared in the end place of DPF channel in middle zone of filter; with the increase of flow rate, the maximum temperature , maximum temperature gradient and regeneration efficiency increase firstly and then decrease; with the increase of soot loading, the maximum temperature and maximum temperature gradient increase rapidly in low soot loading and then increase slowly in high soot loading, while the regeneration efficiency increase firstly and then decrease with the increase of soot loading.

Keywords:diesel particulate filter; regeneration performance; pressure drop; temperature gradient; regeneration efficiency

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.02.009

中圖分類(lèi)號(hào)：TK421+5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-159X(2016)02-0044-6

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51106130)；教育部“春暉計(jì)劃”合作科研項(xiàng)目(Z2014058)；發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電控系統(tǒng)及尾氣后處理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)集群項(xiàng)目(成財(cái)教[2013]265)；四川省重點(diǎn)科技項(xiàng)目(2011JYZ014)；西華大學(xué)重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(Z1120319)。

收稿日期：2015-05-20

第一作者：孟忠偉(1980—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)顆粒物捕集器。

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