柴油机颗粒物捕集器再生性能仿真分析

孟忠伟，张　靖，闫　妍

(西华大学汽车与交通学院，汽车测控与安全四川省重点实验室，四川汽车关键零部件协同创新中心，四川 成都 610039)



柴油机颗粒物捕集器再生性能仿真分析

孟忠伟，张靖，闫妍

(西华大学汽车与交通学院，汽车测控与安全四川省重点实验室，四川汽车关键零部件协同创新中心，四川 成都 610039)

摘要：基于GT-Power软件对柴油机颗粒物捕集器(DPF)再生性能进行仿真，分析不同流量、不同微粒担载量条件下DPF的再生性能，重点关注其过滤压降、载体温度、温度梯度和再生效率。结果表明：DPF的压降随着流量与微粒担载量的增加近似呈线性增加的趋势；再生过程中最高温度和最大的温度梯度都出现在载体末端；随着流量的增加，最高温度、最大温度梯度和再生效率呈现先增加后减小的趋势；随着担载量的增加，最高温度和最大温度梯度逐渐增加，而在较大担载量时增加逐渐趋于平坦，再生效率呈现先增加后减小的趋势。

关键词：柴油机颗粒物捕集器(DPF)；再生性能；过滤压降；温度梯度；再生效率

近年来，汽车尾气对环境的影响越来越明显，其中柴油机排放的颗粒物越来越受到人们的重视[1-2]。柴油机颗粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)是目前公认的对于柴油机颗粒物进行处理的较为有效的方式之一，它对于颗粒物的净化效率可达到90%以上。目前，由于再生技术尚不成熟，使得DPF的应用受到限制，因此DPF的再生性能成为研究的热点[3-5]。目前，对DPF的再生研究大多采用数值模拟的方法来开展[6]：在国内，姜大海等[7]从发动机性能出发研究了DPF的再生时机，侯献军等[8]和马义[9]研究了基于DOC提温的再生技术，龚金科等[10]和孟忠伟等[11]研究了不同再生条件下DPF内颗粒层变化和温度分布，楼狄明等[12-13]研究了DPF结构参数对捕集效率和过滤压降的影响；在国外，Mengting Yu等[14]研究了DPF内部的燃烧状况，Sang-Jin Lee等[15]研究了不同条件下DPF的几何结构参数对再生过程的影响，Ming Zheng等[16]研究了逆流再生时DPF的再生性能，包括温度和颗粒层厚度变化。上述研究对深入了解DPF的再生性能奠定了坚实的理论基础；但是为了使DPF与发动机进行匹配，研究再生流量(转速)、再生微粒担载量(再生周期)对DPF再生性能的影响则凸显其重要性，而目前这方面的研究尚不完善，有待进一步深入探索。本文基于商用软件GT-Power对DPF的再生过程进行了数值模拟，研究不同流量和不同担载量条件下DPF的再生性能，为DPF再生时机的选择提供必要的理论参考。

1模型的建立和验证

1.1模型建立

本文基于GT-Power软件建立了壁流式柴油机颗粒物捕集器的仿真模型，如图1所示，Inlet指进入DPF的废气状态，Exhambient指DPF的出口环境，Inlet_Gas_Temp(入口温度)、Wall_Temp(壁面温度)、Outlet_Gas_Temp(出口温度)、Pressure_Drop(压降)、Soot_Mass_Retain(实时微粒质量)均为运算过程中需监控的DPF再生性能参数[8,12,17]。壁面温度计算时选择均匀分布于DPF壁面轴向的11个位置，工作原理与测点分布如图2所示。

图1　仿真模型

图2　DPF结构与测点分布

DPF再生效率计算公式如下：

式中：η为DPF再生效率；m0为DPF内初始质量；mr为DPF再生完成剩余质量。

DPF再生过程温度梯度计算公式如下：

式中：Tg为温度梯度； Ti+1为i+1位置处温度；Ti为i位置处温度；dl为i+1位置与i位置之间距离。

1.2计算参数

再生性能仿真中加热脉冲参照前人的经验选择初始温度为573 K，从第10 s开始加热并在第20 s达到873 K，波峰最高温度维持60 s后在20 s内降低到初始温度573 K[18]；流量选取覆盖中小型柴油机整个排气流量范围10 L/s到70 L/s的流量；担载量从小到大选取了2 g/L到10 g/L的担载量。DPF的基本参数如表1所示。

表1　DPF基本参数

1.3模型验证

为验证模型计算的准确性，利用本实验室搭建的DPF再生性能测试台架对DPF的压降和传热特性进行测量,实验装置如图3所示，实验值与模拟值的对比如图4和图5所示。图4中X/L表示DPF内部位置，X/L=0表示入口，X/L=1表示出口，由图可知：模拟值与实验值偏差较小，最大偏差约10%，说明建立的模型可以很好地模拟DPF的工作状况。

图3　DPF再生性能测试台架

图4　DPF载体内部温度曲线(流量10 L/s)

图5　DPF载体压降曲线(流量10 L/s)

2仿真结果与分析

2.1DPF的过滤压降

图6示出计算得到的DPF不同流量和不同微粒担载量条件下的过滤压降。可知：在同一种流量条件下，过滤压降随着担载量的增加近似呈线性增加；在同一种微粒担载量的条件下，DPF的过滤压降随着流量的增加也近似呈线性增加，两者对DPF过滤压降的影响基本一致，当两者都较大的时候过滤压降达到较大值。其原因是由于DPF的过滤压降主要由沉积的微粒层引起，流量、担载量越大，微粒层的过滤压降就越大。

图6　不同微粒担载量与不同流量条件下的过滤压降

2.2流量对DPF再生性能的影响

在研究不同流量对再生过程影响的时候选择了中等担载量6 g/L，分别计算了不同流量条件下再生过程中的温度分布(见图7)、温度梯度分布(见图8)、最高温度和最大温度梯度(见图9)和再生效率(见图10)，其中温度分布和温度梯度分布以三维坐标的方式表示，横坐标代表再生时间，纵坐标代表轴向位置，颜色的深浅代表温度和温度梯度的大小，具体结果如图7所示。

图7　不同流量条件下再生过程温度分布(6 g/L)

由图7可知越靠近前端温度越早升高到最大值。这是因为DPF的前端最直接受到来流的加热，与温度脉冲的一致性保持较好。热量不断被气流带向末端，在前端不会产生高温区。后端波峰较为尖锐且较高，说明再生过程中热量在不断往后端聚集。随着流量的增加颜色较深的红色区域向后端聚集，这是因为增大流量增加了热量向后端传递的速度。

载体内部的温度梯度分布如图8所示，可知：在每一种流量条件下都出现了一正一负2个波峰。这是因为DPF在再生过程刚开始时温度脉冲加热DPF载体和微粒层，使之达到再生温度，此时前端温度高，则温度梯度呈现负值，而温度脉冲结束后微粒层开始燃烧，微粒层和载体温度将大于气流温度并逐渐向后端传递，此时后端温度高，使得温度梯度呈正值；最高的正波峰和最低的负波峰都出现在DPF的最后端，说明DPF的后端温度梯度最大，最容易受到损坏；随着流量的增加代表正向最大值的红色区域和代表负向最大值的蓝色区域都在往后端聚集，因为流量的增加使得载体内部温度分布趋于均匀，所以温度梯度也逐渐减小，但载体后端任然是最大温度梯度出现的地方。

图8　不同流量条件下再生过程温度梯度分布(6 g/L)

如图9所示，再生过程的最高温度随流量的增加呈先快速增大后缓慢下降的趋势，在中等偏大流量(50 L/s)条件下达到最大。其原因是：流量增大有利于载体内部微粒的燃烧，使得载体温度升高；若流量过高，来流的冷却作用也增大，使得载体最高温度缓慢下降。载体温度的升高容易造成载体的热熔失效，因此小流量再生有利于降低DPF载体的最高再生温度。

图9　不同流量条件下再生过程最高温度

载体内温度梯度极值随流量的增加呈先增大后减小的趋势，最大温度梯度极值出现在中等流量(40 L/s)条件下。其原因是：流量较小时，不利于微粒的燃烧，DPF载体温度较低，温度梯度极值也较小；而流量较大时，微粒在载体内部燃烧充分，但来流的冷却作用也明显，载体温度较高但趋于均匀，使得温度梯度极值随之减小。因此，在中等流量条件下出现最大的温度梯度极值。

同理，如图10所示，再生效率在中等流量条件下达到最大值，因此为了避免DPF载体的热应力损坏，应选择较低的流量进行再生；但为了保证较高的再生效率，应选取中等流量，所以在中等担载量(6 g/L)时，应选择20 L/s的流量较为合适，在20 L/s时最高温度和最大温度梯度极值较低而再生效率相比最高，再生效率下降较低。

图10　不同流量条件下再生效率(6 g/L)

2.3担载量对DPF再生性能的影响

根据上面选择的最佳流量(20 L/s)，研究不同担载量对再生过程的影响。DPF载体的温度分布和温度梯度分布如前所述，深入分析得到担载量不同时的最高温度(见图11)、最大温度梯度(见图11)和再生效率(见图12)。

图11　不同担载量条件下再生过程最高温度(20 L/s)

图12　不同担载量条件下再生效率(20 L/s)

如图11所示，最高温度随着微粒担载量的增加而增加，在流量一定的条件下最高温度完全取决于氧化反应释放出的热量，随着微粒担载量的增加，参与反应的微粒量增大，释放出更多的热量，因此最高温度与再生时候的微粒担载量呈现一种正相关的关系，而在较大担载量时，最高温度的增加趋势将逐渐趋于平坦。

最大的温度梯度极值随着微粒担载量的增加而增加，在流量一定的条件下最大温度梯度完全取决于最高温度。最高温度越大，温度梯度极值也越大；但在较高的微粒担载量时，微粒层厚度增大，使得载体内部温度趋于均匀，从而使得温度梯度极值的增加也趋于平坦。

如图12所示，再生效率在6 g/L左右达到最大值，在较小担载量时，前端微粒最先氧化燃烧；但是因为微粒量少释放的热量较少，不能有效地促进后端微粒的氧化，因此再生效率较低。随着担载量的增加氧化的微粒量增多，放出的热量增加，再生效率增加；但是在担载量过大时，由于流量和温度脉冲一定，则能氧化的微粒量也一定，达到极值后，再生效率将随担载量的增加反而呈下降趋势。

本文研究中由于受温度脉冲的限制，最高的再生效率约为60%。改变温度脉冲可明显地改变再生性能(再生效率)，温度脉冲变化对再生性能的工作将在后续的研究中展开。

3结论

本文基于GT-Power的DPF再生模型研究了不同流量和微粒担载量条件下的过滤压降和再生性能，模拟的结果如下。

1)柴油机颗粒物捕集器的压降随流量与微粒担载量的增加近似呈线性增加的趋势，两者对过滤压降的影响基本一致。

2)再生过程中最高温度和最大温度梯度出现在柴油机颗粒物捕集器的后端位置。

3)随着流量的增加，最高温度、最大温度梯度和再生效率呈现先增加后减小的趋势，最佳的流量窗口为中小流量(本文中为20 L/s)。

4)随着担载量的增加，最高温度和最大温度梯度逐渐增加，但在较高的担载量时增加趋势逐渐趋于平坦；而再生效率呈现先增加后减小的趋势，最佳的担载量窗口为中等担载量(本文中为6 g/L)。

参考文献

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(编校：夏书林)

Numerical Investigation on Regeneration Performance of DPF

MENG Zhongwei, ZHANG Jing, YAN Yan

(SchoolofAutomobileandTransportation,XihuaUniversity,VehicleMeasurement,ControlandSafetyKeyLaboratoryofSichuanProvince,SichuanCollaborativeCenterforAutomotiveKeyComponents,Chengdu610039China)

Abstract:A regeneration model of the Innovation diesel particle filter (DPF) is established by GT-Power software. The influence of flow rate and soot loading on the DPF regeneration performance is numerically investigated. The performance parameters include: filtration pressure drop, substrate temperature, temperature gradient and regeneration efficiency. The results show that: with the increase of flow rate and soot loading, the pressure drop nearly increases linearly; the maximum temperature and maximum temperature gradient are appeared in the end place of DPF channel in middle zone of filter; with the increase of flow rate, the maximum temperature , maximum temperature gradient and regeneration efficiency increase firstly and then decrease; with the increase of soot loading, the maximum temperature and maximum temperature gradient increase rapidly in low soot loading and then increase slowly in high soot loading, while the regeneration efficiency increase firstly and then decrease with the increase of soot loading.

Keywords:diesel particulate filter; regeneration performance; pressure drop; temperature gradient; regeneration efficiency

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.02.009

中图分类号：TK421+5

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)02-0044-6

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51106130)；教育部“春晖计划”合作科研项目(Z2014058)；发动机燃料电控系统及尾气后处理系统产业集群项目(成财教[2013]265)；四川省重点科技项目(2011JYZ014)；西华大学重点科研基金项目(Z1120319)。

收稿日期：2015-05-20

第一作者：孟忠伟(1980—)，男，博士，教授，主要研究方向为柴油机颗粒物捕集器。

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