DPF對柴油機(jī)性能影響的仿真研究

唐成章，畢玉華，徐松，申立中，雷基林

(昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點實驗室，云南 昆明 650500)

柴油機(jī)以其良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和低CO2排放而日益受到重視。在全球范圍內(nèi),柴油機(jī)被廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械等領(lǐng)域[1-2]。然而，由于柴油機(jī)排氣中含有大量的顆粒(PM)，這些顆粒粒徑小、質(zhì)量輕，能長時間懸浮在大氣中，容易被人體吸入并沉積在肺泡中，對人類健康造成極大的危害，且隨著城市柴油車保有量的持續(xù)增加，柴油機(jī)排放的顆粒成為城市中的一個重要污染源[3-4]。為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，需要進(jìn)一步降低柴油機(jī)顆粒排放，以減輕對大氣環(huán)境和人類健康造成的危害[5-6]。因此，嚴(yán)格控制柴油機(jī)顆粒物的排放已成為當(dāng)務(wù)之急。

從技術(shù)層面上看,僅靠改進(jìn)機(jī)內(nèi)過程和燃油品質(zhì)等措施來降低柴油機(jī)PM的排放量會趨于極限,并且很多降低PM排放的機(jī)內(nèi)措施會導(dǎo)致氮氧化物(NOx)排放量上升[7-8]。因此,必須對柴油機(jī)排出的PM采取機(jī)外后處理技術(shù)，才能滿足未來更為嚴(yán)格的排放法規(guī)。目前，使用柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)對炭煙顆粒進(jìn)行捕集是減小尾氣中顆粒物最有效、最便捷的方法。目前，國內(nèi)外對顆粒捕集技術(shù)的研究主要集中在過濾材料、顆粒捕集性能以及DPF再生方法和再生特性的研究[9-10]，針對DPF對柴油機(jī)性能影響的研究很少。一般認(rèn)為，當(dāng)DPF產(chǎn)生的柴油機(jī)排氣背壓超過20 kPa時，柴油機(jī)的性能將顯著惡化，因此將捕集器再生時排氣背壓的上限限定為20 kPa[11]。本研究通過使用GT-Power軟件對DPF和D19柴油機(jī)進(jìn)行建模分析，研究了DPF對D19柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性等方面的影響，研究結(jié)果可以為DPF在D19柴油機(jī)上的正確使用和再生控制策略研究提供依據(jù)。

1 DPF數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

對柴油機(jī)DPF展開一維與三維的仿真研究，首先要明確其結(jié)構(gòu)特點與捕集原理，其次要遵循流體力學(xué)與化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等基本理論，選擇合適的捕集與再生模型，準(zhǔn)確可靠的數(shù)學(xué)模型是性能預(yù)測的堅實基礎(chǔ)[12-13]。

1.1 柴油機(jī)DPF的捕集模型

在GT-Power中，通過對捕集模型進(jìn)行合理設(shè)置可以準(zhǔn)確預(yù)測到載體捕集的顆粒物數(shù)量。對于壁流式柴油機(jī)DPF，其捕集機(jī)理主要涉及擴(kuò)散、攔截與慣性碰撞等，因此，對炭煙顆粒捕集可以看成是以上3種捕集機(jī)理的協(xié)同作用[14]。

圖1示出了DPF捕集模型的簡化圖。當(dāng)排氣進(jìn)入多孔區(qū)域后，由于孔道出口處有規(guī)律性的間隔封堵，排氣只能通過過濾壁從相鄰孔道排出，排氣中攜帶的炭煙顆粒由于直徑較大，無法通過過濾壁，因而被截留在孔道壁面上。

一般來說，柴油機(jī)DPF的捕集效果可用下式表達(dá)：

Q=f(ηf,Co,Vo,Df)。

(1)

式中：Q為單位時間內(nèi)柴油機(jī)DPF捕集到的顆粒物總數(shù)；ηf為載體的捕集系數(shù)，其取值大小與擴(kuò)散機(jī)理、攔截機(jī)理與慣性碰撞機(jī)理各自所占的比例有關(guān)；Co為排氣中顆粒物的濃度；Vo為排氣的流速；Df為載體的微孔直徑。從經(jīng)驗公式中可以看出，柴油機(jī)DPF能夠捕集到的顆粒物數(shù)量，在一定程度上與進(jìn)入載體的排氣流速、排氣中顆粒物的含量、不同捕集機(jī)理所占的比重以及DPF自身結(jié)構(gòu)之間存在某種函數(shù)關(guān)系。柴油機(jī)DPF的捕集效率可用以下式表達(dá)：

η=1-exp(-α),

(2)

(3)

式中：ε為載體的孔隙率；ω為過濾體壁厚；Df為載體的微孔直徑；δf為載體的綜合捕集系數(shù)。

圖1 DPF捕集模型簡化

1.2 柴油機(jī)DPF的壓降模型

對于孔道均勻分布的柴油機(jī)DPF來說，其壓降損失主要由7個部分組成(見圖2和式(4))。

圖2 DPF內(nèi)部壓力損失

(4)

式中：Δp1為由收縮而引起的壓力損失；Δp2為入口通道內(nèi)因摩擦而引起的壓力損失;Δp3為通過煙灰濾餅層而引起的壓降損失；Δp4為通過煙灰層的壓降損失；Δp5為通過載體壁面的壓降損失；Δp6為氣體在出口通道處由摩擦而造成的壓力損失；Δp7為氣體的膨脹損失。

1.3 柴油機(jī)DPF的再生模型

柴油機(jī)顆粒捕集的再生模型采用一維模型，同時將再生期間孔道及過濾壁上的流場視為非均勻分布。求解過程涉及兩步法，在每一個時間步長內(nèi)，求解器首先基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)來計算多孔區(qū)域內(nèi)流場的運(yùn)行情況，一旦獲得流場的壓力、溫度、速度場函數(shù)，就使用標(biāo)準(zhǔn)的ODE求解器來計算多孔區(qū)域內(nèi)截留的炭煙顆粒，每一步的計算結(jié)果將作為下一個時間步長的初始條件。

2 模型的建立及驗證

2.1 DPF仿真模型的建立及驗證

基于擴(kuò)散、攔截與慣性碰撞機(jī)理對柴油機(jī)DPF的捕集效率進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；基于達(dá)西準(zhǔn)則對柴油機(jī)DPF的壓降模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；基于質(zhì)量、能量和化學(xué)動力學(xué)的流動系統(tǒng)控制方程對柴油機(jī)DPF的再生過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。參照DPF的相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用GT-Power軟件構(gòu)建DPF的一維仿真模型(見圖3)。

圖3 DPF一維仿真模型

由圖3可見，在建立的仿真模型中，除定義系統(tǒng)入口與出口處的邊界條件外，還專門設(shè)置了顆粒物噴射裝置，用以模擬真實發(fā)動機(jī)中排氣管內(nèi)炭煙顆粒的含量，將此噴射裝置布置于DPF前端管道內(nèi)，并依據(jù)柴油機(jī)排放試驗數(shù)據(jù)結(jié)合所要仿真的工況點，設(shè)置合理的噴射量，最大程度上還原DPF真實工作時的情況。

通過仿真軟件模擬DPF再生，將所得的計算結(jié)果與臺架試驗數(shù)據(jù)相對比，驗證及校準(zhǔn)模型的準(zhǔn)確性。圖4示出了DPF再生過程中模擬計算的壓力損失與臺架試驗數(shù)據(jù)的對比。從圖中可以看出，仿真模擬的壓力曲線與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，兩者最大誤差不超過5%，因此，本研究所建立的DPF一維仿真模型精度滿足計算要求。

圖4 DPF再生過程中壓降損失仿真與試驗對比

2.2 D19柴油機(jī)模型的建立及驗證

在GT-Power平臺上建立了D19TCI整機(jī)模型，主要包含進(jìn)排氣系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)以及燃燒模型、流動模型等。D19TCI柴油機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 D19柴油機(jī)基本參數(shù)表

在建立的D19整機(jī)模型中，假設(shè)進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體為理想氣體，各連接管路與閥口處均無彈性形變。缸內(nèi)燃燒模型選擇韋伯燃燒模型，即由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)推導(dǎo)出的半經(jīng)驗公式。整個燃燒過程用三元韋伯函數(shù)來表示，3條韋伯函數(shù)曲線相互疊加，將燃燒過程分為預(yù)混燃燒、主燃燒以及后燃燒；將進(jìn)排氣管內(nèi)流體的流動設(shè)置為一維非定常流動，并采用顯式求解。整個發(fā)動機(jī)模型中無其他額外附屬機(jī)構(gòu)(如發(fā)電機(jī)、真空助力泵等)，因此可忽略由驅(qū)動附屬機(jī)構(gòu)而造成的功率損失。圖5示出裝配柴油機(jī)DPF的D19仿真模型。

圖5 D19搭載DPF仿真模型

對D19原機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)行與調(diào)試，將仿真結(jié)果與臺架試驗數(shù)據(jù)相對比，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型參數(shù)，提高其精度。選取1 000～4 000 r/min轉(zhuǎn)速時，柴油機(jī)外特性下的功率、扭矩、燃油消耗率以及缸內(nèi)最高燃燒壓力的試驗數(shù)據(jù)與仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比(見圖6)。

圖6 外特性下D19柴油機(jī)試驗值與仿真值對比

由圖6可以看出，不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)外特性功率、扭矩、燃油消耗率、缸內(nèi)壓力的仿真值與試驗值基本吻合，最大誤差不超過5%，由此可見，所搭建的柴油機(jī)一維模型精度較高，能夠滿足對柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性的仿真要求。

3 DPF對D19柴油機(jī)性能的影響

為了明確DPF對D19柴油機(jī)性能的影響，對原機(jī)(不安裝DPF)、加裝干凈DPF以及炭煙加載量為10 g/L時的柴油機(jī)進(jìn)行仿真分析，并對比仿真結(jié)果。

3.1 對排氣壓力的影響

圖7示出了柴油機(jī)DPF對發(fā)動機(jī)排氣壓力的影響。從圖7中可以看出，裝載干凈的DPF載體后，排氣管內(nèi)壓力相比于原機(jī)略有升高；當(dāng)載體內(nèi)炭煙加載量達(dá)到10 g/L時，排氣管內(nèi)平均壓力急劇升高，在大轉(zhuǎn)速工況下，這種升高趨勢尤為明顯，相比于原機(jī)升幅甚至達(dá)到30%左右。這是由于轉(zhuǎn)速增加時，排氣流速也在增加，DPF載體對氣流的阻礙效果增強(qiáng)，因而使得排氣背壓升高，管道內(nèi)平均壓力也隨之升高。

圖7 發(fā)動機(jī)排氣平均壓力對比

DPF的壓力損失主要包括載體通道內(nèi)的摩擦損失，載體壁面的壓力損失以及入口與出口收縮與膨脹而造成的壓力損失。當(dāng)DPF載體工作一段時間后，由于炭煙顆粒的堆積導(dǎo)致載體壁面的滲透率下降，排氣背壓升高，使得排氣管內(nèi)平均壓力升高。

3.2 對缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響

圖8示出了柴油機(jī)DPF對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響。從圖8中可以看出，柴油機(jī)DPF對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響較小，僅在中等轉(zhuǎn)速時最高燃燒壓力略有降低，這是由于缸內(nèi)最高燃燒壓力一般與點火時刻、噴油量、燃燒室形狀以及燃燒控制策略有關(guān)。對于加裝柴油機(jī)DPF的發(fā)動機(jī)，可能會由于排氣背壓的升高而使得充量系數(shù)降低，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力略有降低。

圖8 發(fā)動機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力對比

3.3 對功率與扭矩的影響

衡量發(fā)動機(jī)動力性能，2個最重要指標(biāo)是功率與扭矩。圖9示出了柴油機(jī)DPF對發(fā)動機(jī)動力性能的影響。

圖9 發(fā)動機(jī)功率與扭矩對比

圖9a可以看出，當(dāng)原機(jī)加裝干凈的DPF裝置后，有效功率變化并不大，僅在高轉(zhuǎn)速時略有下降，降幅不足1%；但當(dāng)DPF接近滿載時，即炭煙加載量為10 g/L時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動機(jī)的有效功率降低趨勢明顯，在高轉(zhuǎn)速時降幅一度達(dá)到4%左右。這是由于當(dāng)DPF接近滿載時，排氣背壓急劇升高，排氣過程本身所消耗的功率也在增加，同時排氣背壓的升高使得缸內(nèi)殘余廢氣增多，發(fā)動機(jī)充量系數(shù)下降，燃燒惡化，發(fā)動機(jī)動力性下降。

從圖9b中可以看出，3條扭矩曲線趨勢基本一致，隨著轉(zhuǎn)速的增加，有效扭矩都先增加后降低，在2 200 r/min時，發(fā)動機(jī)輸出的扭矩最大。與原機(jī)相比，加裝干凈DPF裝置的柴油機(jī)扭矩僅略有下降，但當(dāng)DPF內(nèi)炭煙加載量達(dá)到10 g/L時，柴油機(jī)的扭矩下降較為明顯，尤其在中等轉(zhuǎn)速2 200 r/min附近，這是因為隨著DPF內(nèi)炭煙顆粒加載密度的增加，排氣背壓逐漸升高，發(fā)動機(jī)的動力性下降，有效功率與輸出扭矩均有不同程度的損失。

3.4 對燃油消耗率的影響

圖10示出柴油機(jī)DPF對發(fā)動機(jī)燃油消耗率的影響。從圖10中可以看出，相比于原機(jī)，當(dāng)載體內(nèi)炭煙加載密度達(dá)到10 g/L時，發(fā)動機(jī)的燃油消耗率顯著增加，在中等轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速下燃油消耗率增幅為3%左右。D19柴油機(jī)為電控高壓共軌式柴油機(jī)，其噴油量由噴油壓力以及噴油針閥的開啟時間決定，排氣背壓的增加并不能直接影響噴油量，但燃油消耗率是指燃油消耗量與功率的比值，隨著排氣背壓的升高，發(fā)動機(jī)輸出功率下降，因而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃油消耗率上升。除此之外，排氣背壓的升高使得缸內(nèi)殘余廢氣增多，燃燒惡化，燃料的熱效率下降，也會使燃油消耗率增加。

圖10 發(fā)動機(jī)燃油消耗率對比

4 結(jié)論

a) 柴油機(jī)加裝DPF后，排氣管內(nèi)平均壓力升高，隨著DPF載體內(nèi)炭煙顆粒的累積，排氣背壓逐漸增大，在高轉(zhuǎn)速下增幅達(dá)到30%左右；

b) 柴油機(jī)加裝DPF后，柴油機(jī)輸出功率與扭矩降低，當(dāng)DPF載體內(nèi)沉積的顆粒物較多時，這種下降趨勢更為明顯，在高轉(zhuǎn)速下降幅可達(dá)4%左右；

c) 柴油機(jī)加裝DPF后，柴油機(jī)燃油消耗率上升，整機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降，并且隨著DPF載體內(nèi)顆粒物數(shù)量的增加，燃油消耗率增加明顯，在中高轉(zhuǎn)速下燃油消耗率增幅在3%左右；

d) 加裝DPF對柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力影響較小。

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