柴油機DPF的設計與仿真

杜明軒，景露霞，閆旭

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

引言

隨著更加嚴格的排放法規(guī)的頒布實施，更多的汽車廠商選擇在后處理系統(tǒng)中加裝顆粒捕集器，顆粒捕集器能夠很好地過濾柴油機排放中產(chǎn)生的顆粒物。我國將于2020年實施國六排放標準，屆時顆粒捕集器必將成為柴油機后處理系統(tǒng)的標配。本文依據(jù)道依茨一款柴油機的參數(shù)，設計了與之配套的顆粒捕集器的結(jié)構，并進行了CFD仿真，仿真結(jié)果表明本文設計的顆粒捕集器結(jié)構滿足其功能要求。

1 柴油機顆粒捕集器的總體設計

本文依據(jù)道依茨F3L2011款柴油機設計了一款串聯(lián)式柴油機顆粒捕集器，發(fā)動機的基本參數(shù)及顆粒捕集器的基本參數(shù)如下所示：

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1.1 濾芯尺寸的確定

顆粒捕集器濾芯容量與柴油機排量有很大的關系。若濾芯容量過大，則會使有效過濾面積減小，增加整個后處理裝置成本；若容量過小，則容易使濾芯前部排氣背壓過高，影響發(fā)動機正常工作。根據(jù)本柴油機的排量，從國內(nèi)較為標準的規(guī)格中選取尺寸為￠150*150mm規(guī)格的濾芯。

圖1 顆粒捕集器結(jié)構

1.2 加熱器的設計

加熱器安裝在排氣管道內(nèi)，不能影響整個排氣管道氣流的正常流通。本次設計中加熱器選取堇青石作為整個加熱器的材料。加熱器的功率設計可以按照空氣加熱器的功率設計公式進行計算。經(jīng)過計算，本次顆粒捕集器所需要的加熱器功率為 2.4KW，采取埋入式方法在加熱器上布置電阻絲，電阻絲材料選取為表面負荷能力較高的0Cr27Al7Mo2材料。

1.3 內(nèi)襯及調(diào)節(jié)閥門的選擇

在管道內(nèi)加裝內(nèi)襯，可以起到保溫作用，同時降低安裝誤差對DPF使用的影響。本設計采取全隔熱方式安裝，選取Interam550系列的襯墊，并且選擇名義厚度為5mm的規(guī)格。經(jīng)過計算，襯墊總長度為210mm。

調(diào)節(jié)閥門根據(jù)發(fā)動機排氣管尺寸及閥門的流量系數(shù)進行選擇，流量系數(shù)的計算公式如下：

Qg------氣體流量m3/h t----氣體溫度 ℃

G-------氣體比重（空氣等于1） Z-------高壓氣體的壓縮系數(shù)，本式取1.

經(jīng)過計算后的最大流量系數(shù)為40，閥門開度為70%左右時達到最大流量，符合閥門選擇要求。

2 柴油機顆粒顆粒捕集器建模與仿真

2.1 仿真模型設計與選擇

本設計中除去濾芯內(nèi)部的范圍，其他區(qū)域采用的湍流模型為為流體分析中常用的 k-ε標準雙方程模型，k表示湍動能，ε表示湍動能耗散率，具體的計算方程如下：

式中：Cμ：經(jīng)驗常數(shù)，多取為 0.09 ui：坐標中的速度分量

式中k，ε的運輸方程為：

式中：C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗常數(shù)。

Sk，Sε用戶定義的源項。

本文的仿真模擬重點考慮流場的均勻性，不考慮排氣在濾芯內(nèi)部的顆粒過濾過程，為了簡化計算，將濾芯整體考慮為多孔介質(zhì)模型。

依據(jù)前文所述顆粒捕集器尺寸進行仿真建模，分別選取60°，70°，80°，90°擴張角時顆粒捕集器模型進行分析。網(wǎng)格的劃分運用workbench的網(wǎng)格劃分模塊，采用自動劃分網(wǎng)格的形式，以70°擴張角的模型為例，劃分網(wǎng)格后的幾何模型為：

圖2 模型網(wǎng)格劃分

劃分后的總網(wǎng)格數(shù)為165624，其他幾何模型的設置方法與此相同。

本文模擬計算所采用的離散化方法為有限體積法，采用壓力與速度耦合的SIMPLE算法，空間離散化設置梯度設置為least Squares Cell Based,壓力設置為Standard,其余各項均設置為Second Order Upwind.收斂精度設置為0.001，進行標準初始化。

2.2 不同擴張角下仿真結(jié)果分析

在所有解算中，結(jié)果都能很好收斂，如60°擴張角時，運算在220步時收斂，從速度云圖中可以看出，速度分布的基本特點是氣流進入入口以后，在排氣管部分速度呈現(xiàn)出均勻分布；當氣流進入擴張管部分后，在之前速度分布的影響下，會在中部與排氣管幾何尺寸相當?shù)牟糠中纬蓢娚淞?，呈現(xiàn)出中部速度大于邊緣速度的分布；在擴張管接近邊緣的部分，速度很小，從速度矢量圖上可以看出，這一部分出現(xiàn)了漩渦回流；氣流進入多孔介質(zhì)區(qū)域后，呈現(xiàn)出中部速度大于邊緣速度的分布特征；氣流流過多孔介質(zhì)區(qū)域后，速度呈現(xiàn)階梯型增加的趨勢，到出口處速度略大于入口速度。我們還可以觀察到，雖然擴張管邊緣附近出現(xiàn)了渦流，但在多孔介質(zhì)后的收縮管部分卻沒有出現(xiàn)渦流。

為了更加精確分析速度情況，在多孔介質(zhì)區(qū)域的中間截面上沿徑向方向建立一條直線，分析直線上的速度分布情況，即可以代表這一截面的徑向速度分布?？v坐標取速率，橫坐標取沿z軸方向相對位置，得到xy坐標散點圖。

圖3 60°擴張角速度分布云圖

圖4 速度矢量局部放大圖

從散點圖中可以得到，60°擴張角時的流動均勻性好于其他角度，當擴張角小于60°時，相同的濾芯尺寸下擴張管軸向尺寸會加長，這也是不好的，因此，60°是比較合適的擴張角度。

2.3 不同氣體流速下仿真結(jié)果分析

在這種設置下，從速度分布散點圖上可以看出，在10m/s的工況下，最高速度為1.2m/s，最低速度為1m/s；30m/s時最高速度為 4.25m/s，最低速度為 3m/s?？梢钥闯?，管道氣體流速越低，則管道內(nèi)部的流動均勻性越好。

本文依據(jù)特定的柴油機，根據(jù)柴油機的相關參數(shù)，設計了柴油機顆粒捕集器的結(jié)構參數(shù)，并根據(jù)設計的結(jié)構進行了CFD仿真實驗，該顆粒捕集器的設計過程及思路對其他類型顆粒捕集器的設計有很好的指導意義。

3 結(jié)束語