微粒捕集器捕集性能及再生技術(shù)研究

周曉杰，顏伏伍，陳 曠

(1．武漢理工大學 汽車工程學院,湖北 武漢 430070；2．武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室；湖北 武漢 430070)

柴油機在節(jié)能與CO2排放方面具有汽油機無法取代的優(yōu)勢。與汽油機相比，柴油機尾氣中碳氫化合物(HC)和氮氧化物(CO)濃度較低，氮氧化物(NOx)排放量與汽油機處于同一數(shù)量級，但微粒物(PM)排放水平為同等汽油機的30～80倍，是造成霧霾等大氣污染天氣和導致人體疾病的原因之一[1]。在發(fā)動機常用工況范圍內(nèi)，僅僅采用機內(nèi)凈化措施，如EGR(exhaust gas recirculation)技術(shù)等來降低PM排放已逐漸趨于極限，只有對柴油機排氣采取后處理凈化措施，才能滿足未來更為嚴格的排放法規(guī)。微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)作為一種減低微粒物排放的后處理裝置，能大幅度降低微粒物排放。在我國，隨著排放法規(guī)的日益嚴格，要達到非道路柴油機國三以及未來的國四標準，車用柴油機國五及未來的國六標準，微粒捕集器的使用將是必然的措施[2]。

目前，DPF過濾材料的研究已經(jīng)取得了較大的突破，已開發(fā)出很多商品化的過濾材料，如日本NGK公司研究的壁流式蜂窩陶瓷過濾體，美國3M公司研究的編織陶瓷纖維過濾體[3-4]，而微粒捕集器應(yīng)用所面臨的最大挑戰(zhàn)是微粒捕集器再生問題，即采取一定的措施清除微粒捕集器內(nèi)的微粒，以恢復其捕集功能的過程[5-6]。

筆者基于GT Power軟件，建立柴油機微粒捕集器仿真模型，在微粒捕集器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下進行仿真，分析通道密度、過濾壁滲透率對捕集性能的影響；基于噴油提溫再生技術(shù)，建立微粒捕集器噴油提溫再生仿真模型，將仿真結(jié)果與實驗對比，驗證模型準確性。通過優(yōu)化噴油率和補氣率的配比，縮短完成提溫所需的時間和提溫峰值溫度。

1 微粒捕集器捕集性能研究

1.1 捕集性能仿真模型建立

基于GT Power軟件建立微粒捕集器捕集性能仿真模型，如圖1所示。該模型包括廢氣入口、廢氣出口、壓力損失輸出和溫度輸出等。微粒捕集器過濾體直徑為229 mm，通道長度為305 mm，孔道壁厚為0.31 mm，孔道密度為100 num/inch2,孔隙率為0.48，過濾壁滲透率為6.7×10-7mm2。

圖1 微粒捕集器捕集性能仿真模型

1.2 通道密度對捕集性能的影響

改變通道密度，分別仿真計算通道密度CPSI為50 num/inch2、100 num/inch2、200 num/inch2時的捕集效率、壓降、過濾體內(nèi)微粒質(zhì)量和微粒層厚度，仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可知，當CPSI為50時初始捕集效率最低，為0.855；當CPSI為200時，初始捕集效率最高，為0.965;隨著CPSI的增加，初始捕集效率也隨之增加，但最終捕集效率基本相同。從圖2(b)中可知，隨著CPSI的增加，初始壓降也隨之增加，但壓降上升速度變慢，且在8 130 s附近，CPSI為50的曲線和CPSI為100的曲線相交，此時壓降為5.92 kPa，如果時間足夠長，CPSI為50的曲線會在某一時刻超過CPSI為200的曲線。從圖2(c)和圖2(d)可知，隨著CPSI的增加，初始過濾體內(nèi)微粒質(zhì)量基本沒變化，但隨著時間的增加，微粒捕集器過濾體內(nèi)微粒質(zhì)量隨著CPSI的增加而增加，而微粒層厚度隨CPSI的增大而減小。因此CPSI一般取100～200 num/inch2最佳。本文取CPSI為200 num/inch2。

圖2 CPSI對捕集性能的影響

1.3 過濾壁滲透率對捕集性能的影響

分別取過濾壁的滲透率為6.7E-8 mm2、1.0E-7 mm2、2.0E-7 mm2、6.7E-7 mm2、1.0E-6 mm2、1.0E-5 mm2，分別仿真計算其捕集效率、壓降、過濾體內(nèi)微粒質(zhì)量和微粒層厚度，如圖3所示。由圖3(a)可知,隨著過濾壁滲透率的增加，捕集效率減小，但是總體來說影響不大；由圖3(b)可知，隨著過濾壁滲透率的增加，壓降減小，且影響較為顯著；由圖3(c)可知，隨著過濾壁滲透率的增加，過濾體內(nèi)微粒的質(zhì)量減?。挥蓤D3(d)可知，隨著過濾壁滲透率的增加，微粒層厚度增加。綜合來看，過濾壁滲透率應(yīng)該取1.0E-6 mm2附近，這樣捕集效率基本沒有降低，而壓降大幅減小，可以減少對發(fā)動機性能的影響。因此取過濾壁滲透率為1.0E-6 mm2。

2 發(fā)動機模型建立和校準

實驗用柴油機為LR4A3LR，發(fā)動機型式為直列4缸、增壓中冷、高壓共軌，其主要參數(shù)如表1所示，通過GT Power建立發(fā)動機模型并進行仿真，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果如圖4所示。發(fā)動機功率、扭矩的仿真值與實驗值誤差最大為2.8%，且趨勢相同，因此該模型可用于仿真計算，可以提取發(fā)動機不同工況下排氣出口的排氣成分、溫度、流量等作為再生系統(tǒng)模型的入口環(huán)境[7-8]。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)表

3 微粒捕集器再生研究

3.1 微粒捕集器再生模型建立

基于GT Power軟件建立微粒捕集器噴油提溫再生模型，模型包括噴油模塊和噴氣模塊以及其他控制模塊，具體模型如圖5所示。噴油模塊和噴氣模塊位于微粒捕集器的前端，再生程序啟動時，開始噴射燃油和補入空氣，通過燃燒提高排氣溫度以達到微粒捕集器燃燒溫度，當微粒捕集器出口溫度高于823 K時[9-11]，停止噴油跟噴氣，以此來完成微粒捕集器再生。實驗中發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1,扭矩為401 N·m，噴油率為0.6 g/s，補氣率為24 g/s。微粒捕集器的參數(shù)如表2所示。

圖3 過濾壁滲透率對捕集性能的影響

圖4 發(fā)動機模型外特性對比

圖5 微粒捕集器噴油再生模型

3.2 微粒捕集器提溫仿真

在停止噴油跟噴氣前，即當微粒捕集器出口溫度高于823 K前，微粒捕集器入口的溫度變化的仿真值與實驗值如圖6所示。經(jīng)過對比，仿真值與實驗值誤差在允許范圍內(nèi)，變化趨勢相同，且微粒捕集器初始溫度和最終溫度的仿真值與實驗值基本相同，因此該模型可以用于仿真計算。由圖6可知，微粒捕集器的提溫持續(xù)560 s左右，微粒捕集器入口最高溫度為870.10 K。

表2 微粒捕集器參數(shù)

圖6 微粒捕集器入口溫度變化曲線

3.3 微粒捕集器提溫優(yōu)化

為了進一步縮短提溫時間和提高最高溫度，通過提高噴油率，能提高微粒捕集器入口溫度，但噴油率增加的同時，氧氣不足反而會使沉積的微粒物氧化燃燒速率變慢，因此需要補充氧氣；但氧氣過多又會造成微粒捕集器入口溫度的損失，因此合理設(shè)置噴油率跟補充空氣的質(zhì)量非常必要[12]。基于GT SUITE軟件中的DOE(design of experiment)模塊，通過改變噴油率跟補充空氣的質(zhì)量來獲得最佳的配比組合。

在微粒捕集器噴油提溫再生模型中，設(shè)置不同的噴油率和補氣率計算各組噴油補氣配比的提溫助燃效果。仿真結(jié)果如表3所示。

由表3可知，對比方案一與方案二，噴油率為0.6 g/s時，隨著補氣率的減少，峰值溫度提高，提溫時間縮短。因為在噴油率為0.6 g/s時，過多的氧氣造成微粒捕集器入口溫度的損失；對比方案一、方案三、方案四、方案五、方案六，補氣率為24 g/s時，當噴油率從0.6 g/s提高到1.2 g/s時，峰值溫度隨著噴油率的提高而提高，提溫時間隨著噴油率的提高而縮短，當噴油率從1.2 g/s提高到1.4 g/s時，因噴油過多，氧氣不足而造成峰值溫度下降，提溫時間增加；對比方案六、方案七、方案八、方案九，噴油率為1.4 g/s時，補氣率從24 g/s提高到28 g/s時，峰值溫度隨著補氣率的提高而提高，提溫時間隨著補氣率的提高而縮短，當補氣率從28 g/s提高到30 g/s時，由于氧氣過多，峰值溫度下降，提溫時間增加。因此方案五，即當噴油率為1.2 g/s，補氣率為24 g/s時為最佳方案，此時峰值溫度最高，為891.91 K，且提溫時間最短，為511 s。優(yōu)化后的最佳提溫方案比原方案峰值溫度提高21.81 K，提溫時間減少49 s且滿足微粒捕集器再生要求。

表3 不同的噴油、補氣匹配提溫效果

4 結(jié)論

(1)CPSI值越大，初始捕集效率越高；CPSI值越大，初始壓降越大，壓降的上升率越小，這是因為CPSI值較低的過濾體，其通道內(nèi)過濾壁表面所沉積的顆粒層厚度會較大，引起較高的壓降。CPSI一般取值100～200 num/inch2最佳。

(2)過濾壁滲透率對捕集效率的影響不大，隨著過濾壁滲透率的增加，壓降減小，因此過濾壁滲透率取1.0E-6 mm2附近，這樣捕集效率基本沒有影響且壓降減小明顯。

(3)筆者建立的噴油提溫再生方式具有良好的提溫效果。微粒捕集器噴油提溫再生方式設(shè)計時噴油率與補氣率的配比尤為重要，通過優(yōu)化噴油補氣配比，溫度峰值溫度提高了21.81 K，再生時間減小了49 s，滿足微粒捕集器再生要求。