DPF孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

彭美春，林俊彥，謝煥寧，李繼龍

(廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006)

隨著中國經(jīng)濟高速發(fā)展，以柴油機為動力的移動機械保有量日漸增多，柴油機排氣顆粒物排放量越來越引起關(guān)注。2013年中國移動源排放清單[1]顯示：道路移動機械的顆粒物排放量為26萬 t；非道路移動機械的顆粒物為39萬 t，其中以柴油機為動力的移動機械是顆粒物的主要排放源。柴油機顆粒物捕集器DPF作為高效控制柴油機顆粒物排放的后處理裝置，加裝后能夠降低85%～95%的顆粒物排放量[2]。DPF有流動阻力，導致發(fā)動機排氣背壓升高，排氣不暢，嚴重的話會導致燃燒過程惡化，發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性和排放指標下降。

DPF阻力特性參數(shù)——前后壓降與DPF的結(jié)構(gòu)、顆粒物捕集量有關(guān)。在流經(jīng)DPF的排氣溫度低于顆粒物的起燃溫度時，即未發(fā)生DPF再生的情況下，相同排氣流量、顆粒物存儲量下，DPF的整體壓降主要與DPF的結(jié)構(gòu)相關(guān)。方型的DPF孔道邊長、孔密度、孔壁厚是DPF結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)。常規(guī)DPF的進口孔道和出口孔道的邊長相等，稱之對稱孔道。非對稱孔道是指DPF的進、出口孔道的邊長不相等。白曼[3]等、黃錦群[4]研究表明，非對稱孔結(jié)構(gòu)能夠有效降低DPF壓降，在保證捕集效率前提下采用不對稱孔道結(jié)構(gòu)形式可為DPF降阻力提供優(yōu)化設(shè)計的空間，但這方面研究成果尚少見。本研究運用建模仿真方法，進行DPF孔道流場分析，選擇非對稱孔道結(jié)構(gòu)邊長、孔密度、壁厚作為結(jié)構(gòu)參數(shù)，開展DPF孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)保證捕集效率、降低流動阻力的目的。

1 DPF試驗測試與仿真建模

1.1 DPF柴油機臺架測試

通過發(fā)動機臺架試驗測試發(fā)動機排氣流量、排氣溫度、炭煙濃度與排氣成分、排氣壓力等，計算出DPF的壓降和顆粒物捕集效率等，用于搭建DPF炭煙捕集仿真模型。試驗DPF參數(shù)見表1，試驗柴油機參數(shù)見表2。試驗用DPF、柴油機臺架和測試裝置連接示意見圖1。

表1 試驗DPF參數(shù)

表2 試驗柴油機參數(shù)

圖1 試驗臺架示意

1.2 DPF整體仿真建模

基于DPF測驗樣品，運用GT-Power軟件建立的一維DPF整體仿真模型見圖2。DPF仿真模型包括排氣入口邊界、排氣管道模型、入口擴張管模型、DPF模型、出口收縮管模型、排氣出口邊界?；谠撃Ｐ瓦M行DPF炭煙捕集加載仿真，得出DPF壓降、捕集效率仿真結(jié)果，應(yīng)用于DPF孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)對DPF前后壓降與炭煙捕集效率的影響仿真分析。

圖2 DPF炭煙捕集仿真模型

1.3 DPF仿真模型驗證

為驗證所建DPF炭煙捕集加載仿真模型，在圖1所示發(fā)動機試驗臺架上對DPF進行炭煙捕集穩(wěn)態(tài)加載試驗，測試DPF前后壓降隨加載時間變化的規(guī)律，與仿真模型測算得出的壓降結(jié)果進行比較，以驗證所建仿真模型的準確性。為提高試驗效率，節(jié)省試驗時間，選擇排氣煙度、排氣流量相對較大的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況進行加載試驗，讓DPF前后壓降快速上升，但排氣溫度要遠低于顆粒物的起燃溫度。所選柴油機試驗工況及該工況下發(fā)動機排氣流量、排氣溫度見表3。測得該工況下柴油機排氣煙度為0.267 m-1，根據(jù)文獻[5]給出的消光系數(shù)與質(zhì)量濃度的回歸公式進行換算，可得出對應(yīng)的排氣炭煙質(zhì)量濃度值，再除以排氣密度，得出該工況下排氣中炭煙的相對質(zhì)量分數(shù)為0.013 35%。

表3 試驗工況參數(shù)與測試時長

在該工況下穩(wěn)定運行120 min，測試得到DPF從空載狀態(tài)開始前后壓降變化過程(見圖3)。由圖3可見，DPF炭煙捕集過程的仿真壓降結(jié)果與實測壓降結(jié)果相近，兩者最大相對誤差小于6%，故認為所建立的DPF仿真模型基本可信，可用于DPF孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)對顆粒物捕集與DPF壓降特性影響的研究。

圖3 DPF仿真壓降與試驗壓降對比

2 孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)對DPF壓降和捕集性能影響分析

車用柴油機實際道路行駛工況下的排氣溫度一般在400 ℃以下[6]，遠低于顆粒物的起燃溫度。排氣溫度影響排氣體積流量，進而影響DPF壓降特性[7]。根據(jù)陳鵬[8]等的研究，排氣溫度與壓降呈正向線性關(guān)系，與炭煙滲透率呈反向線性關(guān)系，不同流量下排氣溫度對DPF壓降和炭煙滲透率的影響具有相似性。因篇幅所限，本研究僅展示一種發(fā)動機工況下DPF加載過程中壓降特性與過濾效率仿真分析方法與分析結(jié)果，其他工況下分析方法相同，得出的規(guī)律類似。以YC6L280-30柴油機1 500 r/min，402.8 N·m的工況作為DPF入口排氣邊界條件，并控制排氣條件相同，進行DPF仿真分析，排氣邊界參數(shù)見表4。

表4 DPF入口排氣邊界條件

本研究參考文獻[9]給出的DPF主動再生碳載量閾值6 g/L來確定仿真時長，基于建立的DPF仿真模型進行顆粒物捕集量估算。該款DPF容積為19.59 L，則DPF的主動再生碳載量最大允許值為117.54 g。估算的加載累計時間為45 000 s時，DPF顆粒物捕集總量達到130 g，超過了最大允許值。故選擇45 000 s作為DPF顆粒物捕集過程的仿真時長。

2.1 非對稱孔道邊長比的影響

從保證顆粒物捕集率、降低流動阻力的角度出發(fā)，將DPF非對稱孔道設(shè)計成進口孔道邊長大于出口孔道邊長，即孔道邊長比(Ratio of Channel Diameter，簡稱RCD)大于1(見圖4)。

圖4 非對稱孔道示意

保持壁厚與孔密度不變，研究RCD值對DPF壓降性能和捕集效率的影響。RCD值超過1.4時，相鄰兩組進口孔道對角過濾壁厚小于0.2 mm，導致結(jié)構(gòu)強度較差，因此將RCD值約束為1～1.4，仿真間隔變化設(shè)置為0.1。

圖5示出不同RCD下的DPF壓降隨顆粒物加載時間的變化。可見，顆粒物捕集過程中DPF的壓降明顯呈現(xiàn)兩個階段，分別為快速上升階段和線性上升階段?？焖偕仙A段對應(yīng)著深床捕集過程，顆粒物主要沉積在DPF過濾壁內(nèi)部，少部分沉積在過濾壁表面；線性上升階段對應(yīng)餅層捕集過程，顆粒物主要沉積在過濾壁表面。深床捕集在先，餅層捕集在后[10]。深床捕集階段，DPF的壓降隨顆粒物在過濾壁內(nèi)捕集量的增加快速上升，直至過濾壁面內(nèi)顆粒物捕集量飽和。餅層捕集階段DPF過濾壁面對顆粒物捕集終止，進氣孔道表面沉積的顆粒物層形成新的捕集層，其容積大于過濾壁內(nèi)捕集層，故隨加載時間延長，DPF壓降上升變緩。

研究發(fā)現(xiàn)，深床捕集階段DPF壓降隨RCD值增大略有增大，餅層捕集階段DPF的壓降隨RCD值的增大呈現(xiàn)降低趨勢。這是因為顆粒物主要沉積在DPF的進口孔道的壁面，RCD值越大的DPF其進口孔道越大，進氣孔道表面積越大，因此相同的顆粒物捕集量下，顆粒物餅層厚度越小，排氣穿透顆粒物餅層的阻力越小，故DPF的餅層壓降減小。可見增大RCD值對于降低DPF餅層捕集壓降有效。

圖5 不同RCD下DPF壓降隨時間的變化

圖6示出不同RCD下DPF捕集效率隨顆粒物加載時間的變化。由圖可見，深床捕集階段DPF的捕集效率隨顆粒物捕集時長的增大，即顆粒物累計捕集量的增加快速上升，直至過濾壁面的深床顆粒物捕集量飽和。餅層捕集階段，DPF的捕集效率基本不隨捕集時長的增大而改變。

圖6 不同RCD下的DPF捕集效率隨時間變化

深床捕集階段隨RCD值增大DPF捕集效率降低，其原因是進出口孔道間過濾壁層總?cè)莘e有所減少。餅層捕集階段隨RCD值增大DPF捕集效率降低，其原因是DPF進口孔道直徑增大，孔道內(nèi)氣體流經(jīng)顆粒物餅層的流速減小。

2.2 孔密度的影響

孔密度(Cell Density，簡稱CD)是指單位截面面積的孔道數(shù)量?？酌芏仍酱螅珼PF的制造成本越大。保持壁厚不變，進出口孔道邊長比RCD設(shè)置為1，選擇孔密度為31，39，47，55，62 孔/cm2進行仿真研究。

例如：教師可以運用多樣化的跳繩方式，例如甩大繩，多人一起參加，讓兩個人甩繩的方式來開展跳繩活動，這樣的跳繩運動不僅加強了學生的體育健康素養(yǎng)知識，又調(diào)動了學生的思考能力，鍛煉了學生的肢體協(xié)調(diào)性，讓學生對體育大課間活動更加感興趣。教師還可以指導學生采用“雙人跳”的方式，對于忘記帶跳繩的同學可以和其他同學一起完成跳繩運動，可以是背對著、面對著等方法一起跳，可以引發(fā)大腦的思考，也可以調(diào)動學生學習新鮮事物的興趣，調(diào)動學生的積極性。我們應(yīng)積極通過豐富多彩的跳繩運動來豐富學校生活，讓學生更主動地投入到大課間活動，而不再是“課上聽講、課下趴桌子睡覺”的狀態(tài)。

圖7示出不同孔密度下DPF壓降隨顆粒物加載時間的變化。由圖可見，深床捕集階段DPF壓降隨著孔密度的增大而增大，餅層捕集階段DPF壓降隨孔密度的增大先減小后增大。在壁厚不變情況下，孔密度增大意味著孔道變小，過濾壁容積增大，因此深層捕集階段DPF壓降增大。孔密度增大，DPF進口孔道總表面積增大，相同的顆粒物捕集量下，餅層捕集階段DPF進口孔道內(nèi)形成的餅層厚度變小，排氣穿透顆粒物餅層的阻力減小，DPF壓降減少，但孔密度增大時，DPF捕集效率越大，相同時間捕集的顆粒物量越多，導致流動阻力增大，因此存在一個最合適的孔密度?；诜抡娣治鼋Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，孔密度為47 孔/cm2的DPF在45 000 s時壓降值最小。

圖7 不同孔密度下的DPF壓降

圖8示出不同孔密度下DPF捕集效率隨顆粒物加載時間的變化。由圖可見，在深床捕集階段初期，孔密度增大捕集效率增大較明顯，但隨加載時間增大捕集效率增大的趨勢減緩。深床捕集階段后期，因過濾壁面顆粒物捕集量飽和，因此捕集效率上升趨勢變緩。餅層捕集階段，孔密度增大捕集效率有所升高?？酌芏仍龃?，進氣孔道直徑減小，排氣穿透顆粒物餅層的速度增大，餅層過濾能力增強。

圖8 不同孔密度下的DPF捕集效率

2.3 過濾壁厚的影響

過濾壁厚(Filter Wall Thickness，簡稱FWT)是指DPF過濾壁面的厚度。保持孔密度為31 孔/cm2，RCD值為1，選擇壁厚分別為0.3，0.325，0.35，0.375，0.4 mm進行仿真研究。圖9和圖10示出不同壁厚下DPF壓降和捕集效率隨顆粒物加載時間的變化。由圖可見，隨著過濾壁厚的減小，DPF的壓降和捕集效率均降低。過濾壁厚減小，排氣穿透過濾壁面的阻力降低，因此壓降降低；流動阻力降低，排氣在過濾壁面內(nèi)的停留時間減少，捕集效率降低。

圖9 不同過濾壁厚下的DPF壓降

圖10 不同過濾壁厚下的DPF捕集效率

3 DPF孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合優(yōu)化

由上文可知，DPF采用進氣孔道邊長大于出氣孔道邊長的非對稱孔道結(jié)構(gòu)可以降低顆粒物餅層捕集過程中的壓降，但DPF的捕集效率也有所降低；孔密度在一定范圍內(nèi)提高可以降低DPF的壓降，同時提高DPF的捕集效率；降低DPF過濾壁厚可以有效降低顆粒物捕集過程的壓降，但會降低DPF的捕集效率。綜合考慮非對稱孔道結(jié)構(gòu)、高孔密度、低過濾壁厚的優(yōu)缺點，通過仿真試驗，進行非對稱孔道邊長比、孔密度和過濾壁厚的組合優(yōu)化，在保證捕集效率的前提下，降低DPF的壓降。

3.1 孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真試驗設(shè)計

以進出口孔道邊長比(RCD值)、孔密度(CD值)、過濾壁厚(FWT值)這3個孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計參數(shù)，以達到主動再生顆粒物量閾值6 g/L時的DPF的壓降和DPF捕集效率為目標輸出。為防止3個孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)各水平下的交互作用導致DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生干涉，故約束RCD值、CD值和FWT值的參數(shù)優(yōu)化范圍分別為[1,1.4]、[200,400]和[0.325,0.4]，選取如表5所示的參數(shù)水平進行全因子仿真試驗。

表5 參數(shù)水平表

3.2 近似建模

為減少仿真程序的調(diào)用次數(shù)，同時保證仿真結(jié)果的可信度，本研究基于仿真結(jié)果進行近似建模，以數(shù)學模型去逼近輸入變量RCD值、CD值和FWT值以及輸出變量DPF壓降和潔凈狀態(tài)的捕集效率，在約束一定的初始捕集效率的前提下尋求最優(yōu)的RCD值、CD值和FWT值。近似建模采用響應(yīng)曲面法(RSM)，階數(shù)至少為二階，本研究采用三階響應(yīng)曲面模型。

擬合得到的三階壓降響應(yīng)曲面模型的多項式為

yp=74.703-72.984xRCD-0.16xCD-
39.506xFWT+44.325xRCD2+127.997xFWT2+
(2.687×10-4)xCD2+0.015xRCD·xCD-
8.121xRCD·xFWT+0.074xCD·xFWT-
9.208xRCD3-(1.96×10-7)xCD3-64.912xFWT3。

(1)

式中：yp為目標DPF壓降；xRCD為設(shè)計RCD值；xCD為設(shè)計CD值；xFWT為設(shè)計FWT值。

擬合得出的三階捕集效率響應(yīng)曲面模型的多項式為

ye=0.286-0.044xRCD+0.001xCD+
1.337xFWT+0.233xFWT2-(2.041×10-6)xCD2-
0.051xRCD2-(9.2×10-5)xRCD·xCD+
0.132xRCD·xFWT-(8.12×10-4)xCD·xFWT+
0.008xRCD3+(1.467×10-9)xCD3-1.898xFWT3。

(2)

式中：ye為DPF捕集效率。

3.3 孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

利用Isight軟件進行孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)組合優(yōu)化，優(yōu)化目標為顆粒物捕集量為6 g/L時的DPF壓降(見式(3))，約束為設(shè)計參數(shù)可行域，同時DPF捕集效率目標設(shè)為不低于初值0.834(見式(4))。

ypmin=minF(xRCD，xCD，xFWT)，

(3)

(4)

圖11示出基于Isight軟件建立的優(yōu)化模型。Isight軟件提供多種優(yōu)化算法，包括數(shù)值優(yōu)化算法、直接搜索法和全局搜索法等。因響應(yīng)曲面模型在設(shè)計優(yōu)化可行域內(nèi)是連續(xù)并且非凸，故使用序列二次規(guī)劃(NIPQL)優(yōu)化算法下梯度尋優(yōu)。NIPQL算法是將目標函數(shù)以二階泰勒級數(shù)展開，并把約束條件線性化，通過解二次規(guī)劃得到下個設(shè)計點，在兩個可供選擇的優(yōu)化函數(shù)中進行一次線性搜索，算法的穩(wěn)定性很好[11]。優(yōu)化過程迭代至47步時，得到最優(yōu)結(jié)果(見表6)。

圖11 Isight優(yōu)化模型

參數(shù)優(yōu)化前優(yōu)化后變化率/%RCD值11.024 82.48CD值/孔·cm-23162100FWT值/mm0.3980.333-16.33進口孔道邊長/mm1.3980.949-32.11出口孔道邊長/mm1.3980.926-33.76DPF壓降/kPa20.1914.848-26.46DPF餅層捕集效率>0.98>0.98

圖12示出優(yōu)化前后的DPF顆粒捕集過程壓降，圖13示出優(yōu)化前后DPF捕集效率。由圖可見，

圖12 優(yōu)化前后DPF壓降

圖13 優(yōu)化前后DPF捕集效率

優(yōu)化后，DPF捕集效率基本保持不變，餅層捕集階段捕集效率保持0.98以上，但DPF的壓降明顯低于優(yōu)化前。優(yōu)化前后的DPF初始壓降基本相近，隨著捕集過程的進行，優(yōu)化后的DPF壓降小于優(yōu)化前的壓降且差值越來越大，在45 000 s時優(yōu)化后的DPF壓降相比優(yōu)化前下降幅度大于26%。可見，孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的DPF流動阻力相對于優(yōu)化前下降顯著。

4 結(jié)論

a) 在相同的孔密度、過濾壁厚下，進氣孔道邊長大于出氣孔道的非對稱孔道結(jié)構(gòu)可以有效降低DPF顆粒物餅層捕集過程中的壓降，但捕集效率也有所減?。惶岣呖酌芏瓤梢栽谝欢ǚ秶鷥?nèi)降低DPF的壓降，同時提高DPF的捕集效率；降低DPF過濾壁厚可以有效降低顆粒物捕集過程的壓降，但會降低DPF的捕集效率；

b) 以DPF壓降為優(yōu)化目標進行DPF孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)近似建模優(yōu)化，采用NIPQL優(yōu)化算法，在顆粒物沉積量為再生閾值6 g/L時，測算得出最優(yōu)的方型進出口孔道邊長比值為1.024 8，孔密度為62 孔/cm2、過濾壁厚為0.333 mm；優(yōu)化后DPF壓降降低效果明顯，下降26%以上，餅層顆粒物捕集效率保持98%以上。