基于GT-power 的DPF 捕集效率影響因素研究

劉彪 唐成章 毛天美 黃楊 莫書婷 吳雪

興義民族師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院 貴州省興義市 562400

1 引言

由于柴油機(jī)比汽油機(jī)具有更高的壓縮比、經(jīng)濟(jì)性和動力性，以柴油機(jī)為動力的車輛保有量迅猛增加[1,2]。根據(jù)公安部最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2022年3月，我國機(jī)動車保有量已達(dá)4.02億輛，其中汽車達(dá)到3.07 億輛。柴油機(jī)的主要排放物為氮氧化物（NOx）和微粒物（PM），根據(jù)中國移動源環(huán)境管理年報相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020 年，全國汽車一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為693.8 萬噸、172.4 萬噸、613.7 萬噸、6.4 萬噸。其中，柴油車排放的氮氧化物（NOx）占汽車排放總量的80%以上，顆粒物（PM）占90%以上[3]。由此可見柴油機(jī)的顆粒物排放仍是汽車尾氣污染物排放的主要貢獻(xiàn)者。

柴油機(jī)尾氣中產(chǎn)生的PM2.5 對導(dǎo)致人們發(fā)生各種疾病，如支氣管炎，心臟病和胎兒發(fā)育遲緩等對人體健康的危害[4-6]。不僅如此，空氣中PM2.5 的濃度高低還會影響人們生活環(huán)境中的可見度。由PM 引起的霧霾天氣也在頻繁發(fā)生，而這種環(huán)境問題已成為目前世界各地廣泛關(guān)注和討論的熱點。造成霧霾天氣的最大原因便是空氣中存在的PM2.5超標(biāo)，然而這些超標(biāo)的污染物通常會被人們認(rèn)為是來源于中重型汽車排放尾氣[7-9]。目前環(huán)境污染問題亟需人們解決，所以降低重型機(jī)動車PM 的排放已經(jīng)成為柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。同時，降低汽車微粒排放，提升環(huán)境質(zhì)量，降低汽車尾氣污染，提高DPF 的捕集效率尤為重要[10,11]。

文章利用GT-power 軟件搭建DPF 仿真模型，利用控制變量法研究不同通道長度、孔隙率、載體壁厚和壁面滲透率對DPF 捕集效率的影響，以期為優(yōu)化改進(jìn)DPF 裝置提供科學(xué)依據(jù)。

2 DPF 仿真模型搭建

2.1 模型參數(shù)

發(fā)動機(jī)需要和后處理裝置進(jìn)行良好的匹配，才能確保發(fā)動機(jī)的各項性能指標(biāo)不受影響而正常工作運轉(zhuǎn)。尤其是柴油機(jī)需要與之匹配一款各項基本參數(shù)均符合要求的微粒捕集器協(xié)同工作，確保達(dá)到相關(guān)排放指標(biāo)。文章中的發(fā)動機(jī)參數(shù)和與之匹配的DPF 結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 發(fā)動機(jī)各基本參數(shù)

表2 各參數(shù)設(shè)定值

載體直徑和載體長度決定了DPF 作用載體的尺寸大小，通道密度決定了載體過濾通道的數(shù)量，而過濾壁厚度、過濾壁孔隙率以及過濾壁滲透率等參數(shù)則是決定了過濾體對顆粒物過濾作用的效果。因此這些參數(shù)的改變都會對顆粒物的捕集過濾過程產(chǎn)生影響。

2.2 模型驗證與建立

DPF 仿真模型主要由進(jìn)出口邊界、載體模塊以及參數(shù)分析模塊等組成。DPF 入口邊界條件在進(jìn)口邊界模塊設(shè)定，如排氣溫度、流量和組分等；載體模塊是DPF 消除顆粒物的載體和介質(zhì)。此外模型中設(shè)置了顆粒物檢測模塊，壓降檢測模塊和溫度檢測模塊，可以方便查看后處理系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)，監(jiān)測DPF 的捕集效率和壓降。

圖1 中試驗值為參考唐成章論文《不同海拔下DPF 碳煙加載及再生特性研究》[1]所得。從圖中可以看出，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)有著較好的合理性，且兩者的誤差在5%以內(nèi)，所以此模型滿足仿真計算要求，經(jīng)過不斷對模型進(jìn)行調(diào)試，最終搭建好的仿真模型如圖2所示。

圖1 壓降驗證

圖2 DPF 仿真模型

3 DPF 捕集效率的影響因素分析

3.1 不同載體直徑對DPF 捕集效率的影響

載體指的是DPF 中間過濾顆粒物部分也就是DPF 中蜂窩狀部分。不同排量的發(fā)動機(jī)需要與之匹配不同大小的DPF，而最直接的體現(xiàn)就是DPF 載體的直徑。圖3 所示為載體直徑對捕集效率的影響。所取載體直徑分別為200mm、250mm、300mm 這三個值進(jìn)行分析，從圖中可以看出，隨著載體直徑的增大，DPF 的捕集效率越來越好，這是因為載體直徑的增大使得載體中過濾體的有效作用面積增大，因此對于顆粒物的捕集更加高效，從而提升了DPF 的捕集效率。

圖3 載體直徑對捕集效率的影響

3.2 不同載體長度對DPF 捕集效率的影響

圖4 所示為載體長度對捕集效率的影響。所取載體長度分別為100mm、200mm、300mm 這三個值進(jìn)行分析，從圖中可以看出，載體長度對于DPF 捕集效率的影響與載體直徑基本相同，捕集效率隨著載體長度的增大而升高，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于增大載體長度的效果和增大載體直徑相同。

圖4 載體長度對捕集效率的影響

3.3 不同載體壁厚對DPF 捕集效率的影響

DPF 的載體壁厚是其裝置的一個重要參數(shù)，載體壁的厚度不同會導(dǎo)致DPF 內(nèi)部氣體的流動阻力不同，影響DPF 的壓降，從而影響DPF 的捕集效率。如圖5 所示為過濾壁厚度對捕集效率的影響。分別取0.3mm、0.4mm、0.5mm 這三個值為載體壁厚度，這里從圖中可以看出，DPF 對尾氣中顆粒物的捕集效率隨著載體壁厚的增大而增大，載體壁厚度越大，尾氣穿過載體壁的阻力就越大，對顆粒物的攔截作用越強(qiáng)，因此捕集效果越好。這是因為隨著載體壁厚的增加，DPF 內(nèi)部的氣體的流程阻力越大，就會導(dǎo)致更多的PM 被捕集在載體壁上，進(jìn)而提高DPF 的捕集效率。

圖5 載體壁厚對捕集效率的影響

3.4 不同載體滲透率對DPF 捕集效率的影響

DPF 中載體的滲透率是指在壓差一定的情況下，載體允許氣流通過的能力滲透率越大表明排氣越容易通過過濾壁到達(dá)相鄰?fù)ǖ?。圖6 所示為載體滲透率對捕集效率的影響。從圖中可以看出，載體滲透率對捕集效率有不利影響，滲透率越大，捕集效率越低，原因是因為隨著滲透率的增大，DPF 通道內(nèi)的氣體流動速度增大，流動阻力減小，更多的顆粒物就會隨著小孔滲透到大氣中，增加大氣污染。因此在選擇載體過濾體材料時，不宜選擇滲透率過大的材料，否則會對DPF 性能造成不利影響。

圖6 過濾壁滲透率對捕集效率的影響

3.5 不同孔隙率對DPF 捕集效率的影響

孔隙率是指塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比，而孔隙率的大小表示了材料的密實程度，材料的孔隙率高，則表示密實程度小[12]。這里取0.35mm、0.45mm、0.55mm 這三個值進(jìn)行孔隙率對捕集效率的影響，圖7 所示為載體孔隙率對捕集效率的影響，從圖中可以看出，捕集效率隨著過濾壁孔隙率的增大而增大，說明較大的載體孔隙率更加有利于顆粒物的捕集。

圖7 過濾壁孔隙率對捕集效率的影響

4 結(jié)論

當(dāng)下，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)從高速發(fā)展階段過渡到高質(zhì)量發(fā)展階段。汽車的保有量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展仍然在不斷劇烈增長，由此帶來的環(huán)境問題一直是人們關(guān)注焦點，特別是各大城市霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，而柴油機(jī)排放的尾氣是引起霧霾天氣的主要原因之一。隨著尾氣排放法的限定值越來越嚴(yán)，僅僅只通過前處理和機(jī)體內(nèi)的凈化顯然已經(jīng)達(dá)不到排放法的規(guī)定，所以后處理技術(shù)是降低柴油機(jī)尾氣污染物有效措施之一。目前柴油顆粒捕集器相較其他后處理裝置來說是最成熟的后處理技術(shù)。因此研究DPF 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對DPF 捕集效率的影響，優(yōu)化改進(jìn)DPF 結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升捕集效率，降低環(huán)境污染。本文運用GT-power 軟件建立DPF 一維模型，主要從DPF 的結(jié)構(gòu)參數(shù)方面進(jìn)行分析對捕集效率的影響，其分析結(jié)果如下：

（1）從DPF 的結(jié)構(gòu)參數(shù)上來看，隨著DPF 載體直徑和載體長度的增大，DPF 的捕集效率越高，且相對于其他參數(shù)而言，這兩個參數(shù)對DPF 的捕集效率影響更大，因此可以考慮改變DPF 的載體直徑和載體長度來達(dá)到提升捕集效率的目的，但是也要科學(xué)改變參數(shù)，達(dá)到DPF 和發(fā)動機(jī)完美的匹配。

（2）從DPF 的過濾壁參數(shù)上來看，DPF 的捕集效率隨著載體的壁厚和孔隙率的增加而增大，隨著載體壁面滲透率的增加而下降。但這三個因素對DPF 捕集效率影響不夠明顯。