柴油機(jī)顆粒捕集器再生過程仿真模擬

段肖寧 鄭清平

摘要 對(duì)柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）再生過程進(jìn)行仿真模擬，研究再生過程中不同排氣流量、不同孔密度、不同噴油量對(duì)DPF壓降、溫度及碳載量的影響，分析了不同因素對(duì)DPF再生過程的影響。結(jié)果表明：排氣流量越大，過濾孔密度越小，再生反應(yīng)的速度越快;排氣管中噴入一定燃油可以促進(jìn)DPF再生速度和再生質(zhì)量;在DPF再生過程中，由于載體入口端位置溫度先升高，顆粒物的再生反應(yīng)率先在此處發(fā)生，隨后逐步向后面推進(jìn)。

關(guān) 鍵 詞 柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）;再生過程;壓降;仿真模擬

Abstract A regeneration process of diesel particle filter （DPF） is simulated. The influence of different exhaust flow rate， pore density and fuel injection on DPF pressure drop， temperature and carbon load is investigated. The influence of different factors on DPF regeneration process is analyzed. The results show as follows：with the increase of exhaust flow rate and the decrease of the pore density， the regeneration reaction becomes faster; when a certain amount of fuel is sprayed into the exhaust pipe，? it can promote the regeneration speed and quality; In the DPF regeneration process， as the temperature at the entrance of the carrier rises first， the regeneration reaction of particulate matter takes place first here ， and then gradually goes backward.

Key words diesel particulate filter; regeneration process; pressure drop; simulation

0 引言

柴油機(jī)因具有燃油經(jīng)濟(jì)性好、耐久可靠性高、功率范圍廣及碳氧化物排放低等特點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)确矫娴玫搅嗽絹碓綇V泛的應(yīng)用[1-4]。然而柴油機(jī)排放出的顆粒物（PM）使環(huán)境受到嚴(yán)重污染，影響人類健康[5]。近年來，隨著能源的日益匱乏和公眾環(huán)保意識(shí)的提高，柴油機(jī)的PM排放引起了公眾極大的重視。主動(dòng)再生的顆粒捕集器（DPF）后處理技術(shù)是降低顆粒物排放的最為有效的技術(shù)之一[6]，受到國內(nèi)外較多的關(guān)注。寧智等[7]利用數(shù)學(xué)模型模擬方法研究了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣中氧氣濃度及排氣溫度、PM活化能等參數(shù)對(duì)微粒捕集器再生性能的影響，揭示了在較大負(fù)荷工況下經(jīng)過提高排氣溫度并輔以催化劑等，完全可以實(shí)現(xiàn)微粒捕集器的主動(dòng)再生。胡國強(qiáng)[8]以堇青石載體DPF為研究對(duì)象，對(duì)主動(dòng)再生和被動(dòng)再生的影響因素進(jìn)行了研究，為微粒捕集器再生安全性測試奠定了基礎(chǔ)。

Palma等[9]提出微波輔助DPF主動(dòng)再生，證實(shí)了微波輔助技術(shù)作為DPF再生階段實(shí)際使用技術(shù)的潛在替代品的適用性。Fang等[10]通過試驗(yàn)臺(tái)探究再生溫度、再生流量和再生時(shí)間對(duì)再生性能的影響，通過綜合比較可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活性再生操作參數(shù)的優(yōu)化。Zheng等[11]等設(shè)計(jì)了以液化石油氣為熱源的國產(chǎn)柴油強(qiáng)制再生加熱器，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為DPF再生加熱器的開發(fā)提出了一種經(jīng)濟(jì)、方便的新應(yīng)用方法。現(xiàn)有研究表明，目前DPF模擬手段都是獨(dú)立采用一維模擬方法或者多維CFD方法，而沒有將兩者有效地結(jié)合。本文結(jié)合一維軟件BOOST和三維軟件FIRE模擬研究了不同的排氣流量、孔密度和排氣管噴油量因素的影響，對(duì)優(yōu)化柴油機(jī)顆粒捕集器再生過程有一定的工程指導(dǎo)意義。

本文針對(duì)某增壓中冷柴油機(jī)應(yīng)用DOC和DPF后處理系統(tǒng)降低降顆粒物排放進(jìn)行模擬研究。通過建立數(shù)學(xué)模型，創(chuàng)建網(wǎng)格，對(duì)柴油機(jī)排氣在DPF內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行三維數(shù)值仿真，在不同的排氣流量、孔密度和排氣管噴油量情況下模擬DPF的再生情況，探究了DPF再生過程中的影響因素，研究結(jié)果可為柴油機(jī)降低尾氣排放的后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型的建立和驗(yàn)證

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

研究對(duì)象為某增壓中冷六缸柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)：缸徑和行程分別為100 mm和127 mm;額定功率及轉(zhuǎn)速分別為210 kW和2 500 r/min;最大扭矩及轉(zhuǎn)速分別為950 N?m和1 800 r/min。降低顆粒物后處理系統(tǒng)形式為DOC+DPF，為保證再生效果，該柴油機(jī)采用了機(jī)內(nèi)節(jié)氣門升溫技術(shù)和排氣管噴油的主動(dòng)再生技術(shù)。

1.2 再生過程反應(yīng)參數(shù)的標(biāo)定

由于一維計(jì)算速度較快，并且一維BOOST軟件和三維FIRE軟件再生反應(yīng)模型相同，標(biāo)定后的再生反應(yīng)參數(shù)可以直接在FIRE軟件中使用，因此為節(jié)省運(yùn)行時(shí)間，提高運(yùn)算效率，本文采用BOOST軟件進(jìn)行再生反應(yīng)參數(shù)標(biāo)定。首先根據(jù)DOC和DPF的基本參數(shù)（見表1）建立后處理一維計(jì)算模型，如圖1所示。

DPF再生化學(xué)反應(yīng)參數(shù)標(biāo)定原理是：在某些典型工況下通過調(diào)整反應(yīng)參數(shù)計(jì)算得出DPF溫度分布，并與實(shí)測溫度對(duì)比，在兩溫度值相一致的條件下即可標(biāo)定得到再生反應(yīng)參數(shù)。

這里只給出排氣流量為0.16 kg/s工況時(shí)DPF某些測點(diǎn)（測點(diǎn)位置如圖2所示）溫度的模擬值與溫度實(shí)測值的對(duì)比結(jié)果，如表2所示，可見，計(jì)算值與實(shí)測值誤差不超過5%，符合標(biāo)定要求。最終標(biāo)定的再生反應(yīng)參數(shù)見表3。

1.3 計(jì)算模型的建立

基于標(biāo)定的再生反應(yīng)模型，利用FIRE建立DOC+DPF三維仿真模型，對(duì)DPF再生過程進(jìn)行模擬。計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3所示，共612 304個(gè)網(wǎng)格，質(zhì)量滿足使用要求。

1.4 邊界條件的確定

在入口邊界，氣相物質(zhì)以規(guī)定的質(zhì)量流量進(jìn)入?yún)^(qū)域。在出口施加規(guī)定的靜壓。在固定壁面邊界上，采用具有一定傳熱系數(shù)的對(duì)流邊界條件。

1.5 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證采用DPF加載過程的壓降和再生過程某些測點(diǎn)的溫度。加載過程廢氣質(zhì)量流量為0.05 kg/s，排氣溫度為500 K，為加快實(shí)現(xiàn)DPF加載過程，濾清器入口邊界條件設(shè)置一個(gè)較大的碳煙質(zhì)量流量為0.000 2 （kg particles/kg gas），微粒濾清器的初始粒子為0 kg/m3，加載過程模擬運(yùn)行時(shí)間為300 s。再生過程排氣流量為0.18 kg/s，并利用柴油機(jī)后噴提高排氣溫度。利用試驗(yàn)裝置分別對(duì)該DPF加載過程壓降和再生過程DPF溫度進(jìn)行測量，將實(shí)測值與模擬值對(duì)比，結(jié)果如圖4和圖5所示，模擬值與實(shí)測值偏差較小，最大誤差在8%以內(nèi)。說明模型可以很好的模擬實(shí)際工作情況。

2 變參數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果與分析

在探究不同參數(shù)對(duì)再生過程的影響時(shí)，排氣溫度設(shè)置0 s時(shí)為500 K，20 s時(shí)為800 K，150 s時(shí)為650 K，200 s時(shí)為500 K，排氣溫度曲線如圖6所示，初始碳煙質(zhì)量為7 kg/m3。

2.1 排氣流量對(duì)再生過程的影響

設(shè)置過濾體CPSI為200，在排氣流量分別為0.08 kg/s、0.12 kg/s、0.16 kg/s下進(jìn)行模擬計(jì)算。排氣流量對(duì)壓降損失和殘存碳煙量影響結(jié)果如圖7和圖8所示，溫度分布結(jié)果如圖9所示，可以看出隨著排氣流量的增加，排氣壓降增加，溫度上升更快，導(dǎo)致再生速度加快，再生效率明顯提高，這是由于排氣流量改善了氧氣供給，增大了反應(yīng)速率。可以看出排氣流量為0.16 kg/s時(shí)再生時(shí)間為70 s，相比流量為0.12 kg/s和0.08 kg/s，分別縮短了15 s和50 s。

2.2 孔密度對(duì)再生過程的影響

設(shè)置排氣流量為0.08 kg/s，分別在過濾體CPSI為100、200、300時(shí)進(jìn)行模擬計(jì)算?？酌芏葘?duì)壓降損失、DPF溫度和碳煙殘余量影響結(jié)果分別如圖10、圖11、圖12所示，可以看出隨著孔密度的增加，在壁厚不變時(shí)通道尺寸減小，每個(gè)通道內(nèi)氧氣含量少，氣體流速高，再生反應(yīng)時(shí)間縮短，DPF壁面溫度升高慢，受溫度影響較大的排氣壓降也隨之減小，由此導(dǎo)致碳煙反應(yīng)速率下降，再生效率降低。CPSI為100時(shí)再生時(shí)間最短，在110 s時(shí)基本完成再生，相比CPSI為200和CPSI為300時(shí)，大約提前10 s和20 s完成再生。

2.3 排氣管噴油量對(duì)再生過程的影響

設(shè)置排氣流量為0.08 kg/s，CPSI為200，在排氣管DOC前噴入燃料量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.07%、0.15%下進(jìn)行模擬計(jì)算。噴油量對(duì)壓降損失、DOC溫度分布、殘余碳煙量分布結(jié)果分別如圖13、圖14、圖15所示，可以看出噴油量對(duì)排氣壓降影響不大，隨著噴油量的增加，DOC中反應(yīng)溫度升高更快，提高了DPF入口溫度，使得DPF再生速度加快，從而再生效果更好。燃料質(zhì)量比為0.15%在140 s時(shí)基本再生完成，比燃料質(zhì)量比為0.07%時(shí)約快10 s，燃料質(zhì)量比為0時(shí)再生速度最慢。圖15還表明，再生反應(yīng)依次往后推進(jìn)，在t = 55 s時(shí)，位于載體入口端位置顆粒物率先再生;在t為70～90 s時(shí)，中部位置顆粒物開始再生，t = 140 s時(shí)，位于載體末端位置顆粒物基本完成再生。

3 結(jié)論

1）排氣流量對(duì)DPF的再生速度影響較大，排氣流量越大，再生反應(yīng)的速度越快，再生質(zhì)量較好。

2）在本文計(jì)算范圍內(nèi)，過濾孔密度越小，有利于加快DPF再生速度，但同時(shí)所引起的壓降損失也越大。

3）排氣管中噴入一定燃油可以提高DOC的溫度，促進(jìn)DPF的再生速度，改善再生效果。且位于載體入口端位置顆粒物率先再生，依次往后推進(jìn)。

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