基于boost的發(fā)動(dòng)機(jī)排放后處理一維仿真分析研究

侯亦波，雷蕾，陸榮榮，胡宏德

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基于boost的發(fā)動(dòng)機(jī)排放后處理一維仿真分析研究

侯亦波，雷蕾，陸榮榮，胡宏德

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章基于AVL-BOOST軟件，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)排放后處理仿真模型，通過多個(gè)方案的仿真計(jì)算，對比分析在國五排放系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了DPF，研究DPF的加入對整個(gè)系統(tǒng)的影響、DPF不同的布置位置對系統(tǒng)的影響、DPF在空載和滿載情況下對整個(gè)系統(tǒng)的影響以及不同的催化器尺寸對排放的影響。實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用一維仿真方法對排放后處理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)及優(yōu)化，大大縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)周期、節(jié)省了大量試驗(yàn)資源。

排放；boost；仿真

1 前言

近年來，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排的重要性已經(jīng)被提到前所未有的高度，這不僅要求限制有害污染物的排放，而且要求限制CO2排放和降低油耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率[1]。如何合理選擇后處理路線及后處理系統(tǒng)集成，讓發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平滿足法規(guī)要求，既保持較高的熱效率，又保護(hù)環(huán)境；成為汽車工程師們越來越關(guān)心的問題。傳統(tǒng)的后處理系統(tǒng)開發(fā)重心在于試驗(yàn)開發(fā)，主要在試驗(yàn)階段通過不同的后處理系統(tǒng)選擇和標(biāo)定手段來滿足法規(guī)要求。但隨著市場競爭的加劇，工程師必須在開發(fā)時(shí)采用更有針對性的措施來縮短開發(fā)周期；另外由于排放法規(guī)[2~3]的日趨嚴(yán)苛，后處理系統(tǒng)的開發(fā)難度大幅度上升。

CAE分析是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的重要手段之一，它使得發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者能更早的了解產(chǎn)品的性能表現(xiàn)，針對可能出現(xiàn)的問題采取針對性措施，從而有效提高產(chǎn)品質(zhì)量并縮短開發(fā)周期。鑒于后處理系統(tǒng)開發(fā)的重要性和難度，相關(guān)的CAE分析已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中CAE分析一項(xiàng)重要內(nèi)容，且隨著時(shí)間推移，相關(guān)CAE分析的比例呈上升趨勢[4]。

本文主要研究內(nèi)容包括：在原排放系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了DPF，研究DPF的加入對整個(gè)系統(tǒng)的影響、研究DPF不同的布置位置對系統(tǒng)的影響。

2 分析模型

預(yù)測仿真分析模型由ATB1（進(jìn)口）、CAT1（DOC）、CAT2（一級SCR）、CAT3（二級SCR）、PF1（DPF）、ATB2（出口）以及連接線（ATP1、ATP2、ATP3、ATP4）組成。其中，DPF位置嘗試了兩種不同位置方案：置于SCR后、中置于DOC和SCR之間。模型如下圖1所示：

圖1 BOOST分析模型

3 計(jì)算邊界

DPF部件結(jié)構(gòu)尺寸需要包括：長度、容積、CPSI、壁厚、載體物性（密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱）以及進(jìn)出入口長度等。

進(jìn)出口邊界主要依據(jù)測試數(shù)據(jù)：隨著時(shí)間變化的進(jìn)口流量、進(jìn)口氣體溫度、尿素水溶液的噴射量、物質(zhì)成分的(ppm)：C3H6，CO，CO2，NO，NO2，H2O，O2，N2，HNCO，NH3，N2O。

4 結(jié)果分析

4.1 模型標(biāo)定結(jié)果

排放仿真結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物臺(tái)架排放測試結(jié)果進(jìn)行對比,各排放組分（CH、CO、NOx）轉(zhuǎn)化效率在數(shù)值上差距較小、且曲線趨勢一致。具體見表1和圖2。

表1 仿真與試驗(yàn)轉(zhuǎn)化效率對比

4.2 加入DPF對排放系統(tǒng)影響

在系統(tǒng)中加入DPF，分析DPF分別在SCR后和SCR前對整個(gè)排放系統(tǒng)的影響。主要對比分的是各排放組分轉(zhuǎn)化效率以及背壓變化情況。

研究DPF不同的布置位置對系統(tǒng)的影響

（1）DPF布置在SCR后對計(jì)算結(jié)果的影響

圖3 DPF布置在SCR后

表2 原方案與DPF后置方案排放組分轉(zhuǎn)化效率對比

DPF布置在SCR后，該方案在CH、CO、NOx的轉(zhuǎn)化效率上較原方案均有所提高，見表2（圖3為DPF后置模型圖）。同時(shí)，排放系統(tǒng)出口處CH等物質(zhì)質(zhì)量流量也有所降低，見圖4。

（2）DPF布置在SCR前對計(jì)算結(jié)果的影響

DPF布置在SCR前，該方案在CH、CO、NOx的轉(zhuǎn)化效率上較原方案均有所提高,見表3（圖5為DPF后置模型圖）。同時(shí)，排放系統(tǒng)出口處CH等物質(zhì)質(zhì)量流量也有所降低，見圖6。

表3 原方案與DPF前置方案排放組分轉(zhuǎn)化效率對比

5 結(jié)束語

（1）與原排放系統(tǒng)相比，加入DPF后的排放系統(tǒng)各排放組分轉(zhuǎn)化效率均有提高。

（2）DPF中置和后置均能提高各排放組分轉(zhuǎn)化效率。

從仿真結(jié)果來看，優(yōu)化方案的發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)排放物各物質(zhì)組成成分的轉(zhuǎn)化效率均有所提高；該模型可用于預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)駕駛循環(huán)工況。

[1] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2] 廖祥兵,戴啟清,胡小平等.汽車不同行駛模式下的經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2003,21( 1):62-64.

[3] 劉敬平,李迎春,夏孝郎等.對應(yīng)于整車行駛循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)簡化工況點(diǎn)確定方法的研究[J].汽車工程,2003,33(7):563-568.

[4] BOOST User'Guide,AVL公司.

Turbocharger Plateau Matching and Analysis for Engine1-D simulation applied in Exhaust Aftertreatment ofengine research based on Boost

Hou Yibo, Lei Lei, Lu Rongrong, Hu Hongde

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Base on AVL-BOOST software in the article, the exhaust aftertreatment simulation model of a engine was established. By calculation of multi plans, the calculated results had:comparison to EURO V and EURO VI with soot initialization, different variations of component’s volume were compared for EURO VI system with DPF (without soot initialization).This article decreases the period of exhaust system design and save the test of bed by 1-Dsimulation analysis.

emission; boost; simulation

B

1671-7988(2018)24-169-02

U463.8

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1671-7988(2018)24-169-02

U463.8

侯亦波，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.060