微粒捕集器系統(tǒng)數(shù)值模擬研究

張耀武

（呼和浩特職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

由于微粒捕集器的實際性能受實際道路工況的影響很大，因此在進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)值模擬分析前，應(yīng)該對實際道路工況進(jìn)行試驗。在排氣背壓模擬試驗、過濾體微粒捕集模型和排氣阻力模型研究以及道路工況試驗的基礎(chǔ)上，可以對整個微粒捕集器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。本文主要利用模型分析微粒捕集器凈化效率、排氣阻力和微粒捕集器壽命的變化規(guī)律，對微粒捕集器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 道路工況試驗

1.1 測試系統(tǒng)的安裝

測試系統(tǒng)在車上的供電，通過DC/AC變換器，將車載24 V直流電轉(zhuǎn)換為220 V交流電來實現(xiàn)；油門位置信號通過安裝在油門踏板機構(gòu)上的聯(lián)動裝置，轉(zhuǎn)換為電信號引入車內(nèi)；排氣煙度信號通過夾在排氣尾管上的取樣管引入車內(nèi)，再通過排風(fēng)管導(dǎo)出車外。

1.2 試驗場地的選定

道路試驗的目的是為了盡可能真實地記錄實際行車時的試驗工況，因此，試驗道路的選擇，應(yīng)盡可能兼顧高中低速道路工況。

1.3 測試結(jié)果分析

1.3.1 典型行駛工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負(fù)荷率分布

（1）70～90km/h高速行駛工況（高速路）。從圖1中可以看出，在駕駛員經(jīng)驗?zāi)Ｊ较?，?dāng)車輛行駛速度達(dá)到90 km/h時，油門位置為50%，發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到2 500 r/min，排氣溫度達(dá)到近400℃，但消光率還不到15%，這是因為此時的發(fā)動機負(fù)荷率僅在50%左右，負(fù)荷率低意味著循環(huán)噴油量小，且轉(zhuǎn)速較高時的噴射壓力高，燃油霧化好，因而發(fā)動機的排煙小。

圖1 高速行駛工況下的測試結(jié)果（70～90 km/h）

（2）50～70km/h勻速行駛工況。行駛速度大約為60km/h，這時的發(fā)動機負(fù)荷率也僅達(dá)到40%左右，排氣溫度維持在280℃左右。因為負(fù)荷率低，發(fā)動機的排氣煙度很小，如圖2所示。

圖2 勻速行駛工況的測試結(jié)果（50～70km/h）

（3）30～50km/h緩慢行駛工況。平均車速達(dá)到40 km/h時的排氣溫度穩(wěn)定在280℃，排氣煙度同樣很小，如圖3所示。

1.3.2 對測試結(jié)果的統(tǒng)計分析

對全部試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析（見圖4）發(fā)現(xiàn)，在總數(shù)約8000個數(shù)據(jù)點中，97%的發(fā)動機油門位置處于50%以下，其中1/3以上（約36%）的油門位置低于10%。也就是說，在實際的北京城市道路工況下，客車的最主要工況是小負(fù)荷工況，負(fù)荷率不足10%，高于50%的行駛工況非常少，只有在高速公路上才會出現(xiàn)。

在上述這些道路工況下，發(fā)動機的排氣溫度處于150～400℃之間，因為平均負(fù)荷率低，發(fā)動機的平均排氣溫度也比較低（約為220℃）?？紤]到試驗過程中車輛基本處于輕負(fù)載狀態(tài)，與客車的實際運營狀況相比，負(fù)載率可能偏低；因此，實際運營中車輛的平均排氣溫度會高于此溫度，估計接近300℃。

圖3 緩慢行駛工況的測試結(jié)果（50～70km/h）

圖4 對測試結(jié)果的統(tǒng)計分析

在低負(fù)荷工況占優(yōu)的情況下，有80%的數(shù)據(jù)點的排氣煙度位于0～10%之間（不透光率，相當(dāng)于BOSCH煙度0～1.1），雖然大部分工況下看不到排氣中的黑煙（Rb＜1），但仍有1/5的時間可目視到，且在局部工況下的排煙不透光率更高達(dá)55%。

2 系統(tǒng)模型假設(shè)

在排氣背壓模擬試驗、過濾體微粒捕集模型、排氣阻力模型研究以及道路工況試驗的基礎(chǔ)上，可以對整個微粒捕集器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

對模型中的假設(shè)說明如下：

（1）柴油機的排氣流量近似等于進(jìn)氣流量；

（2）用過濾體排氣阻力近似替代柴油機排氣背壓；

（3）過濾體微粒捕集模型和排氣阻力模型需要加入溫度修正，可以用理想氣體狀態(tài)方程來計算；

（4）過濾體是通過逆向噴氣再生的，其再生過程涉及到高壓高速氣體的流動，而且過濾體微粒累積層的脫落過程沒有比較成熟的物理模型來描述，因此用再生效率這個參數(shù)來反映再生的效果。

用再生次數(shù)來評價微粒捕集器的使用壽命，對過濾體進(jìn)行了逆向噴氣再生沖擊考核試驗。試驗中排氣溫度保持在300℃左右，反吹再生氣體壓力為0.6MPa，反吹脈沖電磁閥開啟脈寬為0.5 s，再生周期為30s。通過考核試驗，過濾體耐沖擊次數(shù)達(dá)到4 000次。因此本文的微粒捕集器使用壽命以4000次再生周期內(nèi)的車輛行駛里程來計算。

3 系統(tǒng)模型分析

整個數(shù)值模擬系統(tǒng)的計算流程圖如圖5所示。

圖5 捕集器系統(tǒng)數(shù)值模擬流程圖

3.1 模型驗證

為驗證模型的正確性與合理性，對東風(fēng)八平柴試驗車安裝的逆向噴氣再生微粒捕集器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。圖6是高速公路工況下排氣背壓數(shù)值模擬分析結(jié)果與實際整車試驗結(jié)果的對比圖（為2011年10月15日在天津-秦皇島高速公路試驗數(shù)據(jù)）。

從圖6中可以看出，模擬結(jié)果的再生間隔里程與實際試驗的再生間隔里程基本一致，都是30～35km。模擬的排氣背壓上升曲線基本上為線性，這與實際試驗的排氣背壓上升規(guī)律基本符合。整個系統(tǒng)的數(shù)值模擬基本能夠反映排氣背壓的變化規(guī)律，這說明模型有一定可靠性。

圖6 數(shù)值模擬結(jié)果與整車試驗結(jié)果對比圖

表1 不同規(guī)格系列過濾體系統(tǒng)模型分析結(jié)果

3.2 不同型號過濾體的系統(tǒng)性能分析

對18種規(guī)格系列的過濾體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到的結(jié)果如表1?？梢钥闯?，18種規(guī)格的過濾體的系統(tǒng)壽命基本達(dá)到了105km的設(shè)計要求，在微粒捕集器系統(tǒng)匹配時，過濾體選型可以根據(jù)柴油機的排氣流量和需要達(dá)到的凈化效率來確定過濾體型號，然后參考表1就可以確定系統(tǒng)的使用壽命。

3.3 系統(tǒng)壽命分析

3.3.1 再生時排氣背壓的影響

再生時機主要表現(xiàn)為再生時排氣背壓限值，不同的排氣背壓限值對應(yīng)著不同的柴油機動力損失和油耗上升，此外主要研究不同排氣背壓限值（即再生控制策略）對系統(tǒng)壽命的影響。

圖7為BL2903過濾體微粒捕集器在不同的排氣背壓限值時仿真分析結(jié)果。可以看出，排氣背壓限值與系統(tǒng)壽命成線性關(guān)系，排氣背壓限值每上升10kPa，系統(tǒng)壽命增加約2×104km。

3.3.2 過濾體凈化效率的影響

過濾體凈化效率決定著微粒捕集器的凈化效率，同時凈化效率也影響微粒累積的速度，從而影響微粒捕集器的壽命。圖8為過濾體不同凈化效率對系統(tǒng)壽命的影響分析圖。

圖7 排氣背壓限值對系統(tǒng)壽命的影響

圖8 過濾體凈化效率對系統(tǒng)壽命的影響

從圖8可以看出，凈化效率越高，系統(tǒng)壽命越短，兩者基本成線性關(guān)系。凈化效率每增加10%，系統(tǒng)壽命減小約2×104km。

3.3.3 過濾體再生效率的影響

再生效率是由逆向噴氣再生系統(tǒng)中一系列因素綜合決定的，再生效果的好壞直接影響系統(tǒng)的使用壽命，圖9是過濾體不同再生效率對系統(tǒng)壽命的仿真分析結(jié)果圖。可以看出，再生效率越高，系統(tǒng)壽命越長。因此為了延長系統(tǒng)壽命，提高系統(tǒng)的可靠性，研究可靠、高效的再生技術(shù)是必要的。再生效率與系統(tǒng)壽命基本成線性關(guān)系，再生效率提高10%，系統(tǒng)壽命約增加2×104km。

3.3.4 柴油機微粒排放水平的影響

柴油機微粒排放水平受很多因素影響，如柴油機燃燒狀況、保養(yǎng)水平、車輛使用水平、道路狀況等，本文以每公里微粒排放量來評價排放水平，圖10是排放水平系數(shù)對系統(tǒng)壽命的影響曲線?？梢钥闯?，微粒排放水平與系統(tǒng)壽命基本成指數(shù)關(guān)系。當(dāng)微粒排放量為0.3 g/km（相當(dāng)于EURO1）時，系統(tǒng)壽命約為105km，可見微粒捕集器受柴油機排放水平的影響很大。當(dāng)柴油機技術(shù)狀況惡化或嚴(yán)重超載時，系統(tǒng)壽命會很快下降，因此使用了微粒捕集器的柴油車也應(yīng)該注意日常維護保養(yǎng)。

4 結(jié)束語

本文對道路工況試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和統(tǒng)計分析，在此基礎(chǔ)上，對微粒捕集器系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)物理模型，通過數(shù)值試驗與整車試驗對比，驗證了模型的正確性與合理性。

圖9 再生效率對系統(tǒng)壽命的影響

圖10 微粒排放量對系統(tǒng)壽命的影響

根據(jù)所建立的系統(tǒng)模型，對影響系統(tǒng)壽命的各因素進(jìn)行了分析：柴油機排放水平是影響系統(tǒng)壽命的最顯著因素，兩者呈指數(shù)關(guān)系；再生時排氣背壓限值、過濾體凈化效率和再生效率與系統(tǒng)壽命呈線性關(guān)系，對微粒捕集器系統(tǒng)使用壽命有一定的影響。

[1]資新運.柴油機排放控制對策及排氣后處理技術(shù)[R].清華大學(xué)博士后研究報告，2001（4）：21-30.

[2]Peter JE A，Ake R L.Brandberg.Relative impact on environment and health from the introduction of low emission city buses in sweden[J].SAE 2000，1882：32-45.

[3]汪衛(wèi)東.國外三大汽車排放法規(guī)體系[J].柴油機設(shè)計與制造，2003（4）：24-32.

[4]楊壽藏.全球中、重載車用柴油機排放法規(guī)和對策[J].柴油機設(shè)計與制造，2002（2）：30-43.

[5]Heavy-duty diesel truck and bus engines[DB/OL].[2012-12].http：//www.dieselnet.com/index.html：2012-12.

[6]李興虎.汽車排氣污染與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：46-49.

[7]楊妙梁.汽車發(fā)動機與環(huán)境保護[M].北京：中國物資出版社，2001：24-37.

[8]大眾汽車公司1999/2000環(huán)境保護報告 [R].大眾汽車：15-21.