基于Boost的柴油機(jī)微粒捕集器（DPF）性能分析

李 軍，向 璐

LiJun，XiangLu

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引 言1

柴油機(jī)通過高壓將燃料噴入到缸內(nèi)與高溫壓縮空氣迅速混合、自燃，其油氣混合過程不像汽油機(jī)那么均勻，總有一部分燃料不能完全燃燒而分解成以碳煙為主體的微粒 PM（Particulate Matter）[1]。文中以柴油機(jī)微粒排放控制為研究目標(biāo)，建立微粒捕集器過濾與再生過程的仿真模型，結(jié)合試驗對微粒捕集器的性能進(jìn)行分析研究。利用數(shù)值模擬軟件AVL Boost建立捕集器過濾與催化再生仿真模型，并進(jìn)行對比性分析。分析研究微粒對捕集器性能的影響及其再生過程，得到相應(yīng)工況下的載體溫度、碳煙分布及變化規(guī)律，同時研究各個因素對柴油機(jī)微粒捕集囂捕集及再生性能的影響。

1 . DPF的工作原理及仿真模型

1.1 工作原理

采用陶瓷基材料的壁流式蜂窩陶瓷過濾體微粒捕集器，其DPF結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。v1、T1、ρ1、p1、v2、T2、ρ2、p2分別為發(fā)動機(jī)排出的廢氣和過濾后廢氣的氣流速度、氣體溫度、氣體密度及壓強(qiáng)。在過濾過程中各孔道一端堵塞另一端開口且相鄰孔道交替堵封；各孔道壁面為多孔介質(zhì)，進(jìn)入入口孔道的排氣只能從壁面滲流到相鄰的出口孔道排出。這樣，排氣中的微粒便被入口孔道多孔性壁面捕集。

柴油機(jī)微粒捕集器過濾體材料的結(jié)構(gòu)與性能對捕集器的工作性能有很大影響。其凈化機(jī)理主要有慣性碰撞原理、攔截機(jī)理、重力沉降原理、擴(kuò)散原理[2-4]。對過濾體材料的要求是：在保證過濾效率高的同時還要盡可能地降低排氣阻力，而且過濾體要具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗振動性能以及抗高溫氧化性、耐熱沖擊性和耐腐蝕性等。目前，國內(nèi)外研究和應(yīng)用較多的過濾材料主要有陶瓷基、金屬基、復(fù)合基[5-8]。

1.2 仿真模型

選取壁流式蜂窩陶瓷過濾體，物理密度為1500 kg/m3、熱導(dǎo)率為 5 W/（m·K）、比熱為 1250 J/（kg·K）、過濾孔的直徑為0.8712 mm、壁厚為0.3988 mm，在AVL Boost 軟件里建立如圖2的仿真模型。

由于DPF過濾孔的密度對捕集性能影響很大，所以在仿真過程中，選取過濾孔的密度為首選試驗變量；DPF過濾體內(nèi)經(jīng)再生反應(yīng)后所殘留的碳煙量會影響到發(fā)動機(jī)的排氣背壓，所以在仿真過程中，選取殘存的碳煙量為第 2類試驗變量；發(fā)動機(jī)的排氣溫度以及排氣流量是影響DPF捕集碳煙微粒性能的又一核心參數(shù)，所以在仿真的過程中，選取發(fā)動機(jī)的排氣參數(shù)為第3類試驗變量。針對這3類變量，設(shè)定不同的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算仿真分析，得到相關(guān)的變化曲線。

針對圖 2所示的模型，選取某款車用柴油發(fā)動機(jī)為分析對象，其排氣流量值為 0.02 kg/s，分析該發(fā)動機(jī)在怠速工況、正常運(yùn)行工況和超負(fù)荷運(yùn)行工況這 3種工況下微粒捕集器的性能變化。怠速工況下的排氣溫度取450℃（723 K），正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的排氣溫度取500℃（773 K），超負(fù)荷工況的排氣溫度取600℃（873 K）。發(fā)動機(jī)排氣溫度的變化會直接影響到DPF的排氣背壓、過濾及再生水平。文中選擇的微粒捕集器過濾孔的密度分別為200、300、400，過濾體內(nèi)再生反應(yīng)后所殘留的碳煙量設(shè)定為5 g/L。

針對上述4個參數(shù)，在進(jìn)行仿真時，只改變其中1個變量值，另外3個固定不變，應(yīng)用Boost軟件得到其變化規(guī)律曲線。試驗數(shù)據(jù)如表 1所示。在變化曲線里，主要對DPF溫度的最大值、DPF的排氣背壓以及DPF再生后殘存的碳煙量這3個方面的曲線進(jìn)行分析。

表1 試驗數(shù)據(jù)

2 仿真與試驗分析

2.1 DPF溫度的最高值分析

1）CPSI對DPF最高溫度值的影響

在分析CPSI（催化劑的孔密度，Channels Per Square Inch）對DPF溫度的影響時，其他試驗變量分別設(shè)置為：發(fā)動機(jī)排氣溫度773 K（即正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況），流量0.02 kg/s，過濾體內(nèi)殘存碳煙量5 g/L，仿真結(jié)果曲線如圖3所示。

如圖3所示，3條曲線的變化趨勢、峰值、穩(wěn)定值都很接近，表明微粒捕集器過濾孔的密度（CPSI）的值對DPF最高溫度值沒有明顯影響。

2）發(fā)動機(jī)的排氣溫度對DPF最高溫度值的影響

在分析發(fā)動機(jī)的排氣溫度對DPF溫度的影響時，其他試驗變量分別設(shè)置為：CPSI 2001/in2，流量0.02 kg/s，過濾體內(nèi)殘存碳煙量5 g/L，仿真結(jié)果曲線如圖4所示。

發(fā)動機(jī)不同的排氣溫度使DPF最高溫度值曲線出現(xiàn)了比較大的差異。

如圖4所示，圖中3條曲線由上至下分別表示當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度為873 K、773 K和723 K時所對應(yīng)的DPF最高溫度曲線。由排氣溫度723 K的DPF最高溫度曲線可知怠速工況下，DPF最高溫度值上升的速度較緩慢，在仿真開始后的 50 s達(dá)到峰值875 K，之后一直維持在825 K。由曲線的變化規(guī)律可得，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于怠速工況下，DPF的再生速率較低。

由排氣溫度773 K的DPF最高溫度曲線可知正常工況下，DPF最高溫度值上升的速度很快，在仿真開始后的37.5 s時達(dá)到峰值1050 K，之后又急劇下降，在62.5 s時達(dá)到穩(wěn)定值875 K。由曲線的變化規(guī)律可得，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，DPF的再生速度很快，DPF的溫度在過濾體材料使用溫度的安全范圍之內(nèi)。

由排氣溫度873 K的DPF最高溫度曲線可知超負(fù)荷工況下，DPF最高溫度值極速上升，在仿真開始后的25 s就已達(dá)到1050 K，然后以緩慢的速度繼續(xù)上升，在35 s時至峰值1075 K，接著急劇下降，在50 s時達(dá)到穩(wěn)定值975 K。由曲線變化規(guī)律可得，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于超負(fù)荷工況下，DPF再生的速度極快，但伴隨的溫度也很高。由于受過濾體材料使用溫度的影響，DPF的再生速度受到抑制。

DPF的最高溫度會直接影響到過濾體的使用壽命和對碳煙微粒的過濾及再生水平，從以上分析可得，發(fā)動機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)工況時，DPF的最高溫度處于良好變化規(guī)律。

2.2 DPF的排氣背壓分析

1）CPSI對DPF排氣背壓的影響

在分析微粒捕集器過濾孔密度對DPF排氣背壓的影響時，其他試驗變量分別設(shè)置為：發(fā)動機(jī)的排氣溫度773 K（即正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況），流量0.02 kg/s，過濾體內(nèi)殘存碳煙量5 g/L，仿真結(jié)果曲線如圖5所示。

微粒捕集器過濾孔的疏密對DPF排氣背壓的變化影響很大。

如圖5所示，圖中3條曲線由上至下分別表示當(dāng)CPSI為4001/in2、3001/in2和2001/in2時所對應(yīng)的DPF排氣背壓曲線。從CPSI值為2001/in2時DPF的排氣背壓曲線可知，在0～25 s這段時間內(nèi)，排氣背壓迅速從 42.5 kPa上升到最大值78.75 kPa，此時DPF正進(jìn)行碳煙微粒過濾，從而導(dǎo)致排氣背壓迅速增加；在25～50 s這段時間內(nèi)，排氣背壓又快速從最大值 78.75 kPa下降到 50 kPa，此時DPF在進(jìn)行捕集器的再生，所以排氣背壓有所降低；在50 s以后，排氣背壓的值趨于緩慢減少，并且維持在較穩(wěn)定的40～45 kPa區(qū)間范圍之內(nèi)，這個穩(wěn)定值的出現(xiàn)說明了DPF再生的完全性和可靠性。

從CPSI值為3001/in2時DPF的排氣背壓曲線可知，在0～30 s這段時間內(nèi)，排氣背壓迅速從最小值48.75 kPa上升到80 kPa，達(dá)到峰值，這個上升速度較前一個試驗分析更快；在30～50 s這段時間內(nèi)，排氣背壓又快速從 80 kPa下降到 60 kPa，此時DPF在進(jìn)行微粒捕集器的再生；在50 s以后，排氣背壓的值緩慢減少，并且維持在45～50 kPa的穩(wěn)定區(qū)間范圍之內(nèi)。

從CPSI值為4001/in2時DPF的排氣背壓曲線可知，在0～30 s這段時間內(nèi)，排氣背壓迅速從最小值60 kPa上升到86.25 kPa，達(dá)到峰值，且可以明顯地看出此時的過濾速度較前兩者變化更快，表明CPSI增大可有效促進(jìn)DPF的過濾速度；在30～50 s這段時間內(nèi)，排氣背壓又比較緩慢地從86.25 kPa下降到80 kPa，此時的排氣背壓變化率較前兩者小，且變化速度并不是很快，即說明捕集器的再生速度并不是很快，其變化與發(fā)動機(jī)的排氣溫度有關(guān)；在50 s以后，排氣背壓的值緩慢減少，并且維持在60～65 kPa穩(wěn)定區(qū)間之內(nèi)。

DPF的排氣背壓受過濾孔密度的影響很大，從以上分析可得，過濾孔過密使排氣背壓處于較大值，密度越小，排氣背壓越小，考慮發(fā)動機(jī)的綜合性能指標(biāo)，DPF過濾孔的密度取200為佳。

2）發(fā)動機(jī)排氣溫度對DPF排氣背壓的影響

在分析發(fā)動機(jī)排氣溫度對DPF排氣背壓的影響時，其他試驗變量分別設(shè)置為：CPSI為 2001/in2，流量0.02 kg/s，過濾體內(nèi)殘存碳煙量5 g/L，仿真結(jié)果曲線如圖6所示。

圖6中3條曲線由上至下分別表示當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度為723 K、773 K和873 K時所對應(yīng)的DPF的排氣背壓曲線，由曲線變化規(guī)律可知發(fā)動機(jī)排氣溫度越高，DPF排氣背壓變化越快。

由DPF排氣背壓變化曲線可知，其變化規(guī)律并不相似，排氣背壓隨溫度的升高變化率也越大，從排氣背壓取得最大值的時間可以說明：發(fā)動機(jī)的排氣溫度對排氣背壓有相當(dāng)大的影響，溫度越高，排氣背壓變化得越快，而且維持在較大值附近的時間越長；表明發(fā)動機(jī)排氣溫度越高，捕集器的再生速度越快。當(dāng)溫度達(dá)到873K時（即超負(fù)荷工況），DPF一邊過濾微粒一邊進(jìn)行再生，其排氣背壓值在開始后不久開始降低，且一直維持在一個較低的值附近，這樣更有利于下一循環(huán)微粒的過濾與再生，從而改善發(fā)動機(jī)的排放性能。

DPF的排氣背壓在發(fā)動機(jī)處于超負(fù)荷工況時是最小的，由此說明，如果提升DPF過濾體的耐高溫性能，可以增強(qiáng)DPF過濾及再生水平。

2.3 DPF的殘留碳煙量分析

1）發(fā)動機(jī)排氣溫度對DPF最終殘留碳煙量的影響

在分析發(fā)動機(jī)排氣溫度對DPF內(nèi)殘留碳煙量的影響時，其他試驗變量分別設(shè)置為：CPSI為2001/in2，流量0.02 kg/s，過濾體內(nèi)殘存碳煙量5 g/L，仿真結(jié)果曲線如圖7所示。

圖7中3條曲線由上至下分別表示當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度為723 K、773 K和873 K時所對應(yīng)的DPF的殘留碳煙量曲線，由曲線可知排氣碳煙殘留量呈下降變化趨勢，并且下降的速度隨著發(fā)動機(jī)排氣溫度的升高而加快。當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度為723K時（即怠速工況），從開始后的25 s時下降，并且下降速度較為緩慢，再生并不完全，到終止時，DPF內(nèi)殘存的碳煙量仍有1 g/L，說明當(dāng)發(fā)動機(jī)處于怠速工況時，DPF再生的效率較低。

當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度為 773 K（即正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況），在開始后的35 s內(nèi)碳煙以很快的速度下降至1.5 g/L，這種變化趨勢表明，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況時，排氣溫度有利于DPF再生。在柴油機(jī)整個正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況初期再生較為迅速，之后以較緩慢的速度繼續(xù)再生，且再生質(zhì)量較好，直至碳煙全部被消除，使DPF內(nèi)殘存碳煙量為0 g/L。

當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度為873 K時（即超負(fù)荷工況），變化趨勢非常明顯，表明當(dāng)發(fā)動機(jī)處于超負(fù)荷工況時，碳煙再生的速度非?？欤瑑H在開始后的35 s以內(nèi)碳煙就已經(jīng)再生完全，DPF內(nèi)的殘存碳煙量為0 g/L，說明在此溫度下，碳煙的轉(zhuǎn)化速度很快，效率很高，表明發(fā)動機(jī)的排氣溫度越高，DPF的再生速度越快。因此柴油機(jī)排氣溫度越高其DPF再生越迅速，再生質(zhì)量越好。

2）CPSI對DPF最終殘留碳煙量的影響

在分析CPSI對DPF內(nèi)殘存碳煙量的影響時，其他試驗變量分別設(shè)置為：發(fā)動機(jī)排氣溫度為773K（即正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況），流量0.02 kg/s，過濾體內(nèi)殘存碳煙量5g/L，仿真結(jié)果曲線見圖8。

如圖8所示，CPSI對DPF內(nèi)殘存碳煙量的影響甚微。從曲線的變化趨勢可知，改變過濾孔的密度并沒有過多地影響碳煙在 DPF內(nèi)再生的速度。

3 結(jié) 論

1）從DPF的最高排氣溫度曲線可以看出，提高DPF的耐熱性能有利于提高陶瓷基微粒捕集器碳煙的再生能力。

2）從 DPF的排氣背壓曲線變化規(guī)律可以得出，微粒捕集器的過濾孔密度越大越有利于微粒的過濾速度和效率；發(fā)動機(jī)的排氣溫度越高，其碳煙再生速度會大幅度增加。所以提高微粒捕集器過濾孔的密度和提高DPF的耐熱性能可以很大程度地增強(qiáng)微粒的再生能力，改善發(fā)動機(jī)的排放性能。

3）從DPF的碳煙微粒殘留量變化曲線可以明顯看出，隨著排氣溫度升高，再生反應(yīng)的速度越快；溫度越高，碳煙再生的速度和效果以及徹底性越好。

4）若以柴油機(jī)優(yōu)良的排放性為標(biāo)準(zhǔn)可得，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于超負(fù)荷工況時，其排放指標(biāo)較其他工況好，減排效果顯著，但是其經(jīng)濟(jì)效益不高，因為當(dāng)柴油機(jī)處于這種工況時，發(fā)動機(jī)的排氣溫度很高，所要求的DPF過濾體的材料耐熱性更高，經(jīng)濟(jì)性差一些，所以這種工況可用于嚴(yán)格要求排放指標(biāo)的場合。若以柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性為標(biāo)準(zhǔn)可得，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)工況時，DPF的再生能力較好，能夠完成大部分碳煙的再生，因其發(fā)動機(jī)排氣溫度并不太高，所以過濾體材料的選擇范圍更廣，更具有實際意義，此種工況可用于經(jīng)濟(jì)性要求高、排放性要求適當(dāng)?shù)墓r條件。文中討論的柴油機(jī)怠速工況，其排放性和經(jīng)濟(jì)性都不高，所以還需提升DPF在發(fā)動機(jī)怠速工況下的再生能力。

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