道路循環(huán)工況下微粒捕集器連續(xù)再生特性的仿真分析*

何 帆, 呂 明, 寧 智, 陳曉明

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京100044)

柴油機(jī)排氣微粒捕集器連續(xù)再生技術(shù)(CRT技術(shù)) 是柴油車排氣微粒后處理技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，已成為柴油車排氣微粒后處理技術(shù)研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一[1].近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CRT技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了許多重要的研究成果[2～5]，但針對(duì)道路工況下的微粒捕集器連續(xù)再生特性及其影響因素的研究還很少.

道路試驗(yàn)研究面臨著試驗(yàn)費(fèi)用昂貴、試驗(yàn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，而仿真分析方法則可以部分彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的缺陷，縮短試驗(yàn)周期并節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用.

根據(jù)CRT技術(shù)研究與開發(fā)的需要，文中利用在GT-Drive平臺(tái)上建立的某重型柴油車及微粒捕集器連續(xù)再生仿真模型，對(duì)不同道路循環(huán)工況下柴油車微粒捕集器連續(xù)再生的動(dòng)態(tài)特性，以及捕集器微粒沉積量和柴油車載荷對(duì)捕集器連續(xù)再生特性的影響進(jìn)行研究.

1 仿真模型

1.1 柴油機(jī)及整車參數(shù)

文中的研究對(duì)象是滿足歐IV排放標(biāo)準(zhǔn)的某重型柴油車，該車采用的渦輪增壓柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1和表2所示.

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 柴油車整車主要參數(shù)

1.2仿真模型

GT-SUITE是一個(gè)集成化的CAE軟件包.利用GT-SUITE軟件包中的GT-Drive模塊可以進(jìn)行車輛和動(dòng)力系統(tǒng)的仿真計(jì)算.

根據(jù)柴油車的整車參數(shù)和柴油機(jī)萬(wàn)有特性以及NOx排放和排溫MAP圖，利用GT-Drive軟件模塊建立了柴油車及微粒捕集器連續(xù)再生仿真模型[6]，如圖1所示.

圖1給出了仿真模型的整體結(jié)構(gòu)和各部分關(guān)系；仿真模型可根據(jù)車輛運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況并依據(jù)特定的換擋策略，計(jì)算出每個(gè)循環(huán)工況下柴油機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)和微粒捕集器的微粒沉降和再生狀況隨時(shí)間的變化關(guān)系.

圖1 柴油車及微粒捕集器連續(xù)再生GT-Drive仿真模型

柴油機(jī)的萬(wàn)有特性、NOx排放特性以及排溫特性,將直接影響到柴油車按不同道路循環(huán)工況運(yùn)行時(shí),微粒捕集器的連續(xù)再生動(dòng)態(tài)特性；因此，在進(jìn)行仿真分析時(shí)，以柴油機(jī)實(shí)測(cè)的萬(wàn)有特性、NOx排放MAP圖和排溫MAP圖確定柴油機(jī)的工況和排放參數(shù).限于篇幅,具體的建立及驗(yàn)證分析過(guò)程詳見文獻(xiàn)[6].

柴油車微粒捕集器的連續(xù)再生分為NO氧化及捕集器再生(微粒氧化) 兩個(gè)部分.在柴油機(jī)排放的NOx中，約有90%左右的NOx為NO；因此，需要首先利用NO催化轉(zhuǎn)化器(DOC) 將排氣中的NO氧化為NO2，然后再利用NO2對(duì)微粒捕集器內(nèi)沉積的微粒進(jìn)行氧化.

發(fā)生在DOC內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，很多反應(yīng)可以同時(shí)進(jìn)行；這些反應(yīng)與排氣成分、溫度以及催化劑涂層的活性組分等有關(guān).文中主要考慮在氧化型催化劑的作用下所發(fā)生的NO經(jīng)氧化生成NO2的氧化反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：

(1)

捕集器DPF連續(xù)再生時(shí)，通常達(dá)不到氧氣與微粒強(qiáng)烈氧化的條件，因此,在連續(xù)再生過(guò)程中主要關(guān)注的是NO2與微粒間發(fā)生的氧化反應(yīng).捕集器內(nèi)發(fā)生的連續(xù)再生反應(yīng)可以表示為

C+αNO2→αNO+(2-α)CO+(α-1)CO2.

(2)

式中：α為微粒氧化反應(yīng)完全系數(shù)，主要取決于反應(yīng)器的溫度水平，取值通常在1.2 ～ 1.8之間.

計(jì)算時(shí)，微粒捕集器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)皆取自目前已有的捕集器的實(shí)際參數(shù).

2 道路循環(huán)工況下捕集器連續(xù)再生特性分析

文中利用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況模擬柴油車的實(shí)際道路工況.目前，汽車道路循環(huán)測(cè)試工況很多，包括美國(guó)FTP-75道路循環(huán)工況、歐洲NEDC道路循環(huán)工況、日本10-15道路循環(huán)工況等.

美國(guó)城市道路測(cè)試循環(huán)工況FTP-75能夠比較真實(shí)反映汽車在美國(guó)城市道路行駛時(shí)的特征.除循環(huán)工況FTP-75外，美國(guó)還有高速公路測(cè)試循環(huán)工況HWY，主要用于城市之間的交通模擬.

歐洲汽車道路測(cè)試循環(huán)工況由歐盟制定.早期歐洲汽車排放法規(guī)規(guī)定的測(cè)試循環(huán)工況主要反映的是汽車在歐洲城市內(nèi)行駛的特征.從1992年起，在歐盟汽車排放法規(guī)規(guī)定的測(cè)試循環(huán)工況后面又加上了汽車在郊外公路上的行駛工況，合稱為NEDC.

選用FTP-75模擬城市道路工況，NEDC模擬城郊道路工況，HWY模擬高速公路工況；在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同道路工況下微粒捕集器的連續(xù)再生特性和影響因素進(jìn)行分析.仿真分析時(shí)，除特別說(shuō)明外，柴油車的載荷為半載狀態(tài).

2.1 道路循環(huán)工況下的捕集器連續(xù)再生特性

微粒捕集器的連續(xù)再生特性與柴油車的行駛工況以及柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)排放特性密切相關(guān)，主要受排氣溫度以及排氣中NO2濃度的影響.圖2和圖3分別給出的是不同道路循環(huán)工況下，排氣溫度的對(duì)比以及捕集器入口與出口處NO2濃度隨時(shí)間變化的比較.

圖2 不同道路循環(huán)工況下排氣溫度的對(duì)比

圖3 不同道路循環(huán)工況下捕集器入口與出口處NO2濃度的變化

仿真結(jié)果表明，柴油車排溫與行車路況密切相關(guān)；車速變化越劇烈，排溫和NOx排放的變化也就越大.從圖2和圖3中可以看到，由于城市道路工況下車速普遍較低，柴油車處于頻繁停車、加速、減速等狀態(tài)，使得呈現(xiàn)出柴油車排溫和NOx排放整體水平較低，但會(huì)出現(xiàn)個(gè)別高峰值的特點(diǎn).在城郊道路工況下，由于存在著一定比例的勻速工況，因此,排溫和NOx排放的變化相對(duì)比較平穩(wěn)，只是在加速時(shí)段中產(chǎn)生排放峰值；柴油車排溫和NOx排放的整體水平高于城市道路工況.在高速公路工況下，柴油車排溫和NOx排放的整體水平相對(duì)較高，但極少出現(xiàn)與平均排放水平相比過(guò)高的峰值.

另外，從圖3中還可以看到，高速公路工況下NO2的消耗最為劇烈，而城市道路工況下NO2的消耗則相對(duì)較少.3種道路工況下捕集器出口處的NO2濃度在局部時(shí)間段內(nèi)都有被完全消耗的現(xiàn)象，并且在排溫較高的時(shí)間段里更為明顯.在3種道路工況中，高速公路工況下NO2被完全消耗的時(shí)間比例最大，而城市道路工況下的比例則最小.在NO2全部消耗的時(shí)間段內(nèi)，氧化劑的缺乏將阻礙連續(xù)再生的進(jìn)行.因此，在排溫足夠高的情況下，排氣中的NO2含量將會(huì)成為限制捕集器再生速率的主要因素.

圖4給出的是不同道路循環(huán)工況下捕集器中的微粒沉積量隨時(shí)間的變化.

從圖4中可以看到，在不同道路工況下，隨著再生的進(jìn)行，再生速率會(huì)逐漸減小，捕集器中的微粒沉積量最終皆趨近于一種平衡狀態(tài)，即微粒在捕集器中的沉積速率與捕集器的再生速率趨近相等；稱此時(shí)的微粒沉積量為捕集器連續(xù)再生的平衡沉積量.平衡沉積量可以作為捕集器連續(xù)再生特性的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo).

圖4 不同道路工況下微粒沉積量隨時(shí)間變化的比較

從圖4中可以看到，在計(jì)算條件下，3種道路工況下捕集器都能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)再生，但再生特性又有所不同.城市道路工況下的捕集器再生速率最低，微粒平衡沉積量最大，達(dá)到平衡所用時(shí)間最長(zhǎng)；而高速公路工況下的捕集器再生速率最高，微粒平衡沉積量最小，達(dá)到平衡最快.

圖5給出的是潔凈微粒捕集器(初始微粒沉積量為0 kg)條件下，不同道路循環(huán)工況時(shí)捕集器中的微粒沉積量隨時(shí)間的變化.

從圖5中可以看到，在潔凈捕集器工作初期，城郊道路工況下捕集器中的微粒沉積速度快于城市道路工況，而高速公路工況下捕集器中的微粒沉積速度又快于城郊道路工況.由于高速公路工況下的柴油車排溫和NO2排放濃度的整體水平高于城郊道路工況和城市道路工況，捕集器再生速率較高，這就使得高速公路工況下的捕集器微粒平衡沉積量最小，達(dá)到平衡時(shí)間最短.

圖5 不同道路循環(huán)工況下潔凈微粒捕集器微粒沉積量隨時(shí)間的變化

在道路工況下，微粒捕集器的連續(xù)再生會(huì)受到多種因素的影響.在某些極端的情況下，捕集器的再生可能會(huì)難以進(jìn)行，從而造成捕集器中微粒的嚴(yán)重累積，對(duì)柴油機(jī)的性能以及捕集器的安全再生產(chǎn)生不利影響.除了道路工況以外，捕集器初始微粒沉積量和柴油車載荷是影響捕集器連續(xù)再生的另外兩個(gè)重要因素.

2.2 微粒初始沉積量對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響

圖6給出的是不同道路循環(huán)工況下，不同初始微粒沉積量時(shí)，捕集器微粒沉積量的變化.

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在確定的道路工況下，捕集器的初始微粒沉積量越大，初始再生速率越高，但初始微粒沉積量并不會(huì)對(duì)最終的捕集器微粒平衡沉積量和捕集器沉積微粒量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)所用的時(shí)間產(chǎn)生影響.道路工況不同時(shí)，捕集器的微粒平衡沉積量不同；高速公路工況下的微粒平衡沉積量最小，城市道路工況下的微粒平衡沉積量最大.從計(jì)算結(jié)果中再次可以看到，高速公路工況有利于捕集器的連續(xù)再生.

圖6 初始微粒沉積量對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響

2.3 柴油車載荷對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響

柴油車的載荷主要通過(guò)對(duì)排溫和NOx排放的影響，進(jìn)而對(duì)微粒捕集器的連續(xù)再生產(chǎn)生影響.研究表明，低載荷時(shí)，柴油車高排溫及高NOx排放區(qū)主要集中在高速加速區(qū)；隨著柴油車載荷的增加，高排溫和高NOx排放區(qū)將會(huì)逐漸擴(kuò)大.

圖7給出的是不同道路循環(huán)工況下，不同柴油車載荷時(shí)，捕集器微粒沉積量的變化情況.

從圖7(a)中可以看到，在城市道路工況下，柴油車載荷對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響非常明顯.柴油車空載時(shí)，捕集器的再生速率小于微粒沉積速率，捕集器中的微粒沉積量不斷累積升高，捕集器的連續(xù)再生出現(xiàn)“失效”現(xiàn)象.隨著柴油車載荷的增加，捕集器的再生速率會(huì)顯著提高.

另外，從圖7(a)中還可以看到，柴油車載荷還會(huì)對(duì)捕集器的微粒平衡沉積量以及達(dá)到平衡時(shí)的時(shí)間產(chǎn)生影響；隨著柴油車載荷的增加，捕集器達(dá)到微粒平衡沉積量以及達(dá)到微粒平衡沉積量所用的時(shí)間會(huì)快速下降.

從圖7(b)和(c)中可以看到，與城市道路工況下的情況基本相同，在城郊道路和高速公路工況下，柴油車載荷越高，捕集器的微粒平衡沉積量越小，達(dá)到平衡沉積量所需的時(shí)間越短.相比較，高速公路工況下，微粒平衡沉積量更小，達(dá)到平衡沉積量所需的時(shí)間更短.

圖7 柴油車載荷對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響

對(duì)比圖7(b)、圖7(c)與圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，在城郊道路和高速公路工況下，柴油車空載時(shí)捕集器出現(xiàn)的再生“失效”現(xiàn)象消失.

圖8給出的是柴油車空載、半載及滿載時(shí)，不同道路循環(huán)工況下捕集器連續(xù)再生的比較.

從圖8中可以看到，柴油車載荷不同時(shí)，道路工況對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響程度不同.柴油車空載時(shí)，道路工況對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響程度相對(duì)最大；此時(shí)，在城市道路工況下，捕集器的連續(xù)再生甚至?xí)霈F(xiàn)“失效”現(xiàn)象.柴油車滿載時(shí)，既使是在城市道路工況下，由于此時(shí)柴油車的NOx排放和排溫都相對(duì)較高，因此道路工況對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響程度相對(duì)較小.

圖8 空載、半載及滿載時(shí)不同道路循環(huán)工況下捕集器連續(xù)再生的比較

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)道路工況下柴油車微粒捕集器連續(xù)再生特性的仿真分析，得到如下結(jié)論：

1) 在一定的微粒沉積量下，隨著再生的進(jìn)行，再生速率會(huì)逐漸減小，捕集器中的微粒沉積量最終會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡沉積量.城市道路工況下的捕集器再生速率最低，微粒平衡沉積量最大，達(dá)到平衡所用時(shí)間最長(zhǎng)；高速公路工況下的捕集器再生速率最高，微粒平衡沉積量最小，達(dá)到平衡最快，因此最有利于捕集器的連續(xù)再生.

2) 在確定的道路工況下，捕集器的初始微粒沉積量越大，初始再生速率越高；但初始微粒沉積量并不會(huì)對(duì)最終的平衡沉積量和沉積微粒量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)所需的時(shí)間產(chǎn)生影響.

3) 相比較，在城市道路工況下，柴油車載荷對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響最為明顯，空載時(shí)捕集器的連續(xù)再生有可能出現(xiàn)“失效”現(xiàn)象.隨著柴油車載荷的增加，捕集器達(dá)到微粒平衡沉積量以及達(dá)到平衡沉積量所用時(shí)間會(huì)快速下降.柴油車載荷不同時(shí)，道路工況對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響程度不同；柴油車空載時(shí)，道路工況對(duì)捕集器連續(xù)再生的影響程度最大.