基于FIRE的DOC+DPF微粒捕集連續(xù)再生特性仿真研究

賈傳德 蘇儉 杜健健

摘要：為研究柴油機后處理系統(tǒng)DOC+DPF微粒再生過程和再生影響因素及特性，在AVL FIRE 平臺建立了DOC+DPF微粒捕集連續(xù)再生系統(tǒng)模型，通過計算DPF后NO質(zhì)量分數(shù)和DOC+DPF前后的壓降兩個參數(shù)，與臺架試驗結(jié)果對比，驗證模型的有效性。仿真研究了DOC-DPF微粒再生機理和再生過程，研究了DOC入口排氣溫度、CO濃度、排氣質(zhì)量流量、V（NO2）/V（NOX）、m （NOX）/m （Soot）五個因素對再生的影響特性。結(jié)果表明：增加排氣的CO濃度、DOC入口排氣溫度、排氣質(zhì)量流量、m （NOX）/m （Soot）比值增大有利于再生過程，可有效降低殘余微粒濃度;V（NO2）/V（NOX）比值增加，殘余顆粒濃度有降低的趨勢，但殘余顆粒濃度值變化不明顯。

Abstract： In order to study the regeneration process of diesel engine after-treatment system DOC + DPF and its influencing factors and characteristics， a continuous regeneration system model of DOC + DPF was established on AVL FIRE platform. The model was validated by calculating the NO mass fraction after DPF and the pressure drop before and after DOC + DPF and comparing with the results of bench test. The regeneration mechanism and process of DOC-DPF particles were simulated， and the effects of DOC inlet exhaust temperature， Co concentration， exhaust mass flow rate， V（NO2） / V（NOX） ， m （NOX） / m （Soot） on regeneration were studied. The results show that the increase of CO concentration， DOC inlet exhaust temperature， exhaust mass flow rate and m （NOX） / m （Soot） ratio is beneficial to the regeneration process and can effectively reduce the residual particulate concentration and the increase of V（NO2） / V（NOX）ratio， the residual particle concentration decreased， but the residual particle concentration did not change obviously.

關(guān)鍵詞：DOC+DPF;連續(xù)再生;殘余顆粒濃度

Key words： DOC + DPF;continuous regeneration;residual particle concentration

中圖分類號：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0001-04

0? 引言

柴油機因具有經(jīng)濟性好、熱效率高、可靠性好等優(yōu)點被廣泛應用，但柴油機排放的微粒和NOX對環(huán)境有害，成為柴油機排放控制的重點。隨著排放法規(guī)的升級，我國及歐美等國對柴油機微粒和NOX提出接近零排放的要求。目前顆粒捕集技術(shù)（DPF）是最有效的微?？刂品绞?，當DPF中顆粒捕集到一定數(shù)量時需要再生，其中DOC+DPF被動再生無需額外的燃油噴射，可在低溫下（約230℃）連續(xù)氧化碳煙實現(xiàn)再生[1]，是一種結(jié)構(gòu)相對簡單、比較經(jīng)濟的再生方式。

DOC+DPF的減排特性方面，已有眾多研究人員如谷雨、樓狄明等進行了試驗研究[2-3]。在仿真研究方面，鄭燁以GT-SUITE 和 AVL FIRE 軟件為平臺，建立顆粒連續(xù)再生CCRT 系統(tǒng)的仿真模型，通過一維GT-SUITE 確定模型基本參數(shù)，在FIRE中分別研究影響 DOC 和 CDPF 性能的主要因素[4]。牟潔姝是在 Boost 軟件中搭建的 DOC+DPF 的再生控制系統(tǒng)的模型，余昳在FIRE平臺建立DOC+DPF系統(tǒng)的三維仿真模型進行仿真研究[5-6]。本文在AVL FIRE 平臺建立DOC+DPF模型，對微粒連續(xù)再生系統(tǒng)進行仿真研究。

1? 模型建立與驗證

根據(jù)后處理器實際尺寸，在FIRE中建立DOC+DPF三維模型，如圖1所示，然后對模型進行網(wǎng)格劃分，定義計算面、計算體，求解器參數(shù)設(shè)置，調(diào)試與仿真計算，計算結(jié)果分析等過程。通過調(diào)試模型相關(guān)計算參數(shù)，對模型的有效性進行驗證，分別對1600rpm10%負荷、1600rpm 20%負荷、1600rpm 30%負荷、1200rpm 50%負荷、1030rpm 60%負荷、1600rpm 70%負荷、1400rpm 80%負荷共七個工況進行驗證，驗證結(jié)果如表1。通過對比仿真與試驗趨勢一致性好，誤差在許可范圍，模型能較好地反映后處理系統(tǒng)工作特性。

2? 結(jié)果與分析

2.1 DOC- DPF微粒再生機理

在后處理模塊DOC 和DPF反應模型采用軟件提供的模型，具體如下：

在DPF中主要發(fā)生R4、R5、R6、R7化學反應，R4、R5反應溫度為630℃ 以上，R6、R7反應溫度為300℃左右，分析發(fā)現(xiàn)試驗柴油機DOC入口排氣溫度范圍為150～500℃，因此大多數(shù)工況下排氣溫度達不到R4、R5反應發(fā)生條件，DPF中主要發(fā)生R6、R7反應。其中反應R6和R7氧化微粒需要的NO2主要來源于兩部分：排氣中原有的NO2組分以及上游DOC中R3反應生成的NO2。

為研究DOC- DPF微粒再生過程，在該模型上進行了模擬計算，仿真參數(shù)如下：氧氣體積分數(shù)11.8%、CO質(zhì)量分數(shù)5.91E-3、C3H6質(zhì)量分數(shù)7.65E-3、NO質(zhì)量分數(shù)6.67E-5、NO2質(zhì)量分數(shù)5.58E-5、 排氣流量0.05kg/s、排氣溫度456K、DOC載體初始溫度700K、DPF載體初始溫度700K、碳載量10g/L，仿真結(jié)果見圖2。圖2中橫坐標為時間，圖2（a）表示的是DOC載體溫度變化，圖2（b）是DPF載體溫度變化，圖2（c）是DPF中O2的轉(zhuǎn)化率變化，圖2（d）是DPF的顆粒物質(zhì)量濃度變化。

DOC內(nèi)隨著氧化反應發(fā)生載體溫度由700K升高至900K，經(jīng)20s后基本穩(wěn)定。在DPF中約從20s開始部分碳顆粒開始氧化放熱，30s左右溫度開始升至約900K，顆粒物質(zhì)量濃度降至1g/L。這是由于DOC - DPF是一個整體的系統(tǒng)，在DOC中CO和HC被催化氧化放出熱量，可提高DOC內(nèi)部溫度，同時提高進入下游DPF的排氣溫度，所以DPF載體溫度受到上游DOC高溫排氣的影響而逐漸升高。當DPF內(nèi)溫度達到反應需要的溫度條件，DPF中可以發(fā)生R4、R5反應，碳顆粒開始快速反應并釋放熱量，排氣溫度繼續(xù)升高，氧氣轉(zhuǎn)化率急劇增加，顆粒物質(zhì)量濃度明顯減少，完成再生過程。

2.2 再生影響因素及影響特性

為研究再生特性的影響因素和影響規(guī)律，在仿真模型基礎(chǔ)上主要從DOC入口排氣溫度、CO濃度、排氣質(zhì)量流量、V（NO2）/V（NOX）、m（NOX）/m（Soot）五個因素進行研究。由于碳顆粒與NO2發(fā)生連續(xù)氧化過程速率較穩(wěn)定，為減少計算時間，仿真反應時間統(tǒng)一設(shè)定為80s。

2.2.1 DOC入口排氣溫度

溫度是影響化學反應的重要因素，在DOC中NO的氧化反應與溫度關(guān)系密切，根據(jù)排氣溫度的范圍區(qū)間，設(shè)置排氣溫度分別為400K、500K、600K、700K、800K、900K，分析溫度變化對DPF中顆粒再生的影響，設(shè)置DPF初始碳載量為12g/L、排氣中顆粒物質(zhì)量分數(shù)為1.02E-4。仿真結(jié)果如圖3，可知隨DOC入口排氣溫度升高，殘余顆粒濃度呈下降趨勢。DOC內(nèi)NO轉(zhuǎn)化率在600K附近達到最大，NO被氧化生成的NO2數(shù)量最多，NO2數(shù)量增多，增大了顆粒物氧化的再生過程，從而使殘余顆粒物濃度降低。

在溫度為700K時NO轉(zhuǎn)化率雖然不是最大，但在高溫下部分碳顆粒與氧氣發(fā)生氧化，使殘余顆粒濃度降低。在排氣溫度為800K時，部分顆粒物與氧氣反應，殘余顆粒濃度迅速下降。碳顆粒數(shù)量減少后，氧化放熱量減少，溫度降低，再此條件下，顆粒物既與O2發(fā)生氧化反應，也與NO2發(fā)生氧化反應。在排氣溫度為900K時，顆粒物與NO2發(fā)生氧化反應受到抑制，與NO2的反應降至較低水平，顆粒物主要與O2發(fā)生氧化反應[7-8]，顆粒物殘余濃度接近為零，再生較完全。

綜上可見，增加柴油機尾氣的溫度有利于顆粒物再生，DOC和DPF靠近發(fā)動機排氣歧管安裝、對處理器和排氣管路進行保溫、DOC和DPF一體封裝等措施都是有利的，可增加連續(xù)再生的持續(xù)性和高效性。

2.2.2 CO濃度

根據(jù)前期研究可知，排氣中CO和HC氧化后使DOC中排氣溫度升高[9]，DOC的這種溫升特性對DPF中顆粒再生產(chǎn)生一定的影響。為了解溫升特性對再生的影響規(guī)律，分別設(shè)置排氣中CO體積濃度分別為150ppm、1000ppm、2000ppm、4000ppm、6000ppm，顆粒捕集器初始碳載量2g/L，尾氣中微粒的質(zhì)量分數(shù)為1.2E-6。仿真結(jié)果如圖4所示，CO濃度范圍從150ppm變化到6000ppm時，DOC中排氣溫度的增加值在0-70℃ 之間，殘余顆粒物濃度在由1.55g/L降低至1.50g/L左右，殘余顆粒濃度變化呈下降趨勢。這是因為CO氧化放出熱量，使排氣溫度升高，排氣溫度增加越多，在 DOC中NO轉(zhuǎn)化生成的NO2越多，NO2與顆粒物發(fā)生氧化反應，從而降低了殘余顆粒物濃度。

2.2.3 排氣質(zhì)量流量

本節(jié)分析排氣質(zhì)量流量對再生的影響，排氣流量分別設(shè)為200kg/h、400kg/h、600kg/h、800kg/h，排氣中各組分質(zhì)量分數(shù)以1030rpm 60%負荷參數(shù)為基礎(chǔ)進行計算，進氣溫度570K、初始碳載量2g/L、排氣中顆粒物質(zhì)量分數(shù)為1.2 E-6。仿真計算結(jié)果見圖5，排氣質(zhì)量流量從200kg/h增加到800kg/h，NO 的轉(zhuǎn)化率降低，因為質(zhì)量流量增加，流速加快，NO在DOC內(nèi)停留時間減少，氧化反應時間減少，造成NO 的轉(zhuǎn)化率降低。隨著排氣質(zhì)量流量增加，殘余顆粒物濃度降低，是因為當顆粒物濃度一定時，隨著排氣流量越大，排氣中顆粒物的質(zhì)量也越多，同時DPF中的NO2濃度和總數(shù)量也增加，可以有效氧化原有的微粒物，使得殘余顆粒濃度降低。

2.2.4 V（NO2）/V（NOX）

在柴油機原排中NOX主要由NO和NO2組成，其中NO約占90% ，但由于和微粒發(fā)生連續(xù)氧化反應的有效成分主要是NO2，因此本部分通過改變尾氣中NO2與NOX體積濃度的比值即[V（NO2）/V（NOX）]，觀察原排中[V（NO2）/ V（NOX）]比值對微粒再生的影響。保持NOX的體積濃度為2000ppm不變，體積濃度比V（NO2）/V（NOX）分別取1%、10%、20%、30%，進氣溫度為700K，DPF初始碳載量為2g/L。

結(jié)果如圖6，可以看出，隨V（NO2）/V（NOX）比值增大，殘余顆粒濃度降低，但殘余顆粒濃度數(shù)值上變化并不明顯。通過圖6中DOC的NO轉(zhuǎn)化率曲線可以解釋產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因：在V（NO2）/V（NOX）比值為1%時，原排中NO2濃度較低，DOC中NO轉(zhuǎn)化生成NO2的轉(zhuǎn)化率為0.44左右;但隨著V（NO2）/V（NOX）比值增大，NO的轉(zhuǎn)化率降低，即DOC中NO轉(zhuǎn)化生成NO2的量減少，最終通過轉(zhuǎn)化得到的NO2與原排中原有NO2兩者的總和基本保持穩(wěn)定，造成在DPF中殘余顆粒濃度雖然有降低的趨勢，但變化不明顯。

2.2.5 m（NOX）/m（Soot）

排氣中NOX總量與顆粒物氧化再生有關(guān)，該部分研究NOX與Soot質(zhì)量比對再生的影響。設(shè)置DPF初始碳載量為0g/L、DOC入口排氣溫度700K，排氣中NOX與Soot質(zhì)量分數(shù)比值[m（NOX）/m（Soot）] 分別為15、30、100、500，排氣中NO/NO2體積濃度比為9：1，計算結(jié)果如圖7。從圖7可以看出隨著排氣中NOX與Soot質(zhì)量比由15增加到500，顆粒物殘余濃度降低，這是因為排氣中NOX濃度增大，NO2濃度也隨之增加，NO2相對于顆粒物呈現(xiàn)過剩狀態(tài)，參加氧化反應的顆粒物較多，殘余顆粒物濃度處于較低水平。通過觀察DPF中NO2的轉(zhuǎn)化率得出，隨著排氣中m（NOX）/m（Soot）比值增加，參與氧化顆粒物的NO2的量變少，NO2的轉(zhuǎn)化率迅速降低。主要是由于顆粒物數(shù)量有限，過量的NO2沒有參加反應，因此要求在排氣中m（NOX）/m （Soot）比例要適當，NOX過多也會造成NO2的排放升高。

3? 結(jié)論

①排氣經(jīng)過DOC后，NO2濃度增加，排溫有一定增加，有利于下游DPF的微粒再生。

②DOC入口排氣溫度對再生過程影響明顯，在排氣溫度低于800K時，主要是NO2參與的微粒連續(xù)再生過程，高于800K時，微粒與氧氣發(fā)生氧化再生，再生速度加快。

③增加排氣的CO濃度、排氣質(zhì)量流量、m（NOX）/m （Soot）比值增大有利于再生過程，可有效降低殘余微粒濃度;V（NO2）/V（NOX）比值增加，殘余顆粒濃度有降低的趨勢，但殘余顆粒濃度值變化不明顯。

參考文獻：

[1]帥石金，劉世宇，馬驍，等.重型柴油車滿足近零排放法規(guī)的技術(shù)分析[J].汽車安全與節(jié)能學報，2019，10（01）：16-31.

[2]谷雨，周圣凱.小型非道路柴油機前置DOC對DPF被動再生影響的研究[J].內(nèi)燃機與配件，2019（12）：10-12.

[3]樓狄明，李澤宣，譚丕強，等.DOC+CDPF對重型柴油車顆粒物道路排放特性的影響[J].環(huán)境工程，2018，36（06）：90-94.

[4]鄭燁，喬信起，李新令.生物柴油發(fā)動機的催化型連續(xù)再生系統(tǒng)的仿真研究[J].柴油機，2019，41（02）：1-7.

[5]牟潔姝.柴油機顆粒捕集器再生控制系統(tǒng)仿真及控制策略設(shè)計[D].重慶大學，2016.

[6]余昳.連續(xù)再生式柴油機顆粒捕集器的仿真與試驗研究[D].合肥工業(yè)大學，2016.

[7]張業(yè)新，蘇慶運，王姿姿，等.Pd和K共負載的Mg-Al水滑石基氧化物同時去除碳煙和NOX[J].燃燒科學與技術(shù)，2012，18（01）：56-61.

[8]馬榮，何超，李加強，等.NO2對柴油機微粒捕集器再生特性的影響機理[J].車用發(fā)動機，2013（03）：71-74.

[9]賈傳德，何超，李加強，等.氧化催化器對柴油機NO2排放影響的仿真研究[J].車用發(fā)動機，2013（04）：46-49，55.