进气充量特征参数对CPF再生过程的影响

沈颖刚， 杨杰， 陈贵升， 陈朝辉， 彭劲松

(1. 昆明理工大学云南省内燃机重点实验室， 云南 昆明 650500； 2． 云内动力股份有限公司， 云南 昆明 650217)



进气充量特征参数对CPF再生过程的影响

沈颖刚1， 杨杰1， 陈贵升1， 陈朝辉1， 彭劲松2

(1. 昆明理工大学云南省内燃机重点实验室， 云南 昆明 650500； 2． 云内动力股份有限公司， 云南 昆明 650217)

利用AVL BOOST,FIRE软件分别构建了D19高压共轨柴油机的一维仿真模型和催化型颗粒捕集器(CPF)三维模型，研究了不同进气特征参数对CPF再生过程的影响规律。计算结果表明：随大气氧浓度减小，CPF沉积颗粒的氧化速率和压降的下降速率都显著减缓，其进、出口两端的NOx及NO2排放降低；海拔升高不利于CPF的再生，但CPF压降和再生最高温度较低，且能有效减少CPF出口端的NO2排放；海拔对CPF再生过程的影响是大气氧浓度与大气压力的综合效应，其中大气氧浓度占主导作用；针对海拔2 km高原环境，EGR率增大至15%时，CPF再生性能已明显减弱，高原环境下采用EGR进一步加剧CPF的再生困难；EGR率对NO2的降低作用大于其对NO的降低作用。

进气特征参数； 催化型颗粒捕集器； 再生； 颗粒； 排放

柴油机由于功率大、动力性和经济性好等优点而得到广泛应用。颗粒捕集器(DPF)作为目前公认最有效的柴油机颗粒物后处理净化装置之一，其再生技术是亟待解决的重要难题[1-2]。柴油机在大部分运行工况下都难以依靠其自身排气温度直接对DPF进行再生，而催化再生技术是实现其连续再生的有效措施[3-4]。催化型颗粒捕集器(CPF)通过在过滤体内部涂覆催化剂，使其具备颗粒捕集与催化再生两大功能。采用CPF这种结构简单、对再生外热源依赖度降低的颗粒捕集器对于柴油轿车和轻型商用车等车型具有极大的应用优势[5-6]。

EGR是降低NOx最有效的措施之一，采用EGR控制NOx并结合CPF控制颗粒的技术路线对柴油机实现超低排放具有极大潜力。CPF利用NO2的强氧化性可将过滤沉积的炭烟(Soot)氧化，但若生成的NO2过多或反应不完全，则会导致尾气中的NO2排放大幅增加[7-8]。研究发现，大气环境对柴油机运行性能有极大影响。随海拔高度增加，大气压力与大气氧浓度等关键环境参数同时快速降低[9]，这将加剧柴油机Soot的生成并降低排气中O2和NO2质量浓度，进而密切影响CPF的再生性能。基于EGR结合CPF的技术路线，大气环境和EGR率二者的综合效应将会进一步影响CPF的再生性能。因此，深入研究大气环境参数与EGR率对CPF再生过程的影响规律具有重要意义。

通过构建D19高压共轨柴油机一维仿真模型，研究了不同进气条件下柴油机排气特性参数的变化规律。在此基础上利用AVL FIRE构建了CPF的三维仿真模型，并耦合Soot详细再生机理，将一维模拟中的排气参数作为三维模拟的边界条件，研究了柴油机不同进气特征参数(大气环境参数、EGR率)对CPF再生过程的影响规律，分析了CPF出口处的NO2排放特性，为不同海拔环境下低排放柴油机CPF的再生优化控制提供理论与工程指导。

1 模型的构建与验证

1.1 模型的选择与构建

利用AVL BOOST耦合柴油替代物简化动力学机理，构建了带有CPF的D19共轨柴油机一维仿真耦合模型(见图1)，试验发动机主要技术参数见表1。一维计算模型中的燃烧模型采用AVL MCC模型，Soot计算模型采用Schubiger模型[13]。柴油替代物简化机理采用黄豪中[10]提出的正庚烷简化动力学模型(其中包含NO生成机理)。由于排气中NO2对颗粒捕集器再生极为重要，因此在该正庚烷简化动力学模型中增补了NO和NO2之间的转换反应[11-12]。具体反应式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

通过一维仿真耦合模型研究了不同进气条件下柴油机排气参数的变化规律，得到了不同进气条件下柴油机排气温度、排气流量及排气组分等参数，为三维CPF模拟提供准确的初始边界条件。

图1 带有CPF的D19柴油机一维仿真模型

型式直列、四冲程、增压中冷燃油喷油系统BOSCH高压共轨发动机排量/L1.5缸径/mm80行程/mm92缸数/4排量/L1.9燃烧室型式ω型压缩比18.5∶1最大扭矩/N·m235最大扭矩转速/r·min-12200标定功率/kW82标定功率转速/r·min-14000

图2示出根据实际的CPF物性参数，采用AVL FIRE构建的CPF三维仿真计算模型。根据模型划分空间网格，该模型共计253 884个计算网格，网格形式为精度较高的空间六面体网格，并通过定义CPF载体、入口、出口以及连接面等，使该模型尽可能准确地模拟实物。CPF模型主要物性参数见表2。在正常柴油机排气温度下O2难以有效氧化Soot，而CPF在过滤体表面涂覆催化剂Pt，NO在Pt作用下被氧化成NO2，NO2在较低的温度条件下氧化排气中的Soot。本研究CPF再生方式为连续被动再生，基于AVL FIRE中用户自定义模块，编译了文献[14]中的Soot详细再生机理。该机理涉及了Soot与O2，NO2，NO以及NO+O2的多步反应，并包含了Soot氧化过程中产生的中间产物。具体相关反应如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

图2 CPF三维仿真模型

材质碳化硅载体直径/mm143载体长度/mm152目数/目·cm-247孔道壁厚/mm0.4318载体密度/kg·m-31500

与AVL FIRE自带的Soot再生机理进行模拟对比，计算发现该机理具有更加全面、预测精度高等优点。因此，采用该Soot详细再生机理能够更为准确地模拟和预测柴油机CPF中Soot的再生规律。

1.2 模型的验证

模拟计算工况选择2 200 r/min(最大扭矩转速)，75%负荷工况点。实际运行中，该工况采用单次喷射，喷油压力为150 MPa，喷油定时为上止点前7° 曲轴转角，每循环喷油量约为37 mg。

图3示出发动机在计算工况点(2 200 r/min，75%负荷)时，缸内压力和瞬时放热率的试验值与一维仿真模拟值对比。图4示出2 200 r/min时，不同负荷下输出扭矩、NOx排放、Soot比排放量以及排气温度(涡后温度)的试验值与模拟值对比。

图3 缸内压力和放热率试验值与模拟值的对比

图4 发动机燃烧性能和排放对比

由图3、图4可知，缸内压力、瞬时放热率、输出扭矩以及NOx排放的模拟值与试验值重合度较高，Soot比排放和排气温度的模拟值与试验值的变化趋势总体一致。因此，构建的柴油机一维仿真耦合模型的计算结果较为准确，预测能力较好，能够满足对真实发动机工作过程的仿真需求。

本研究所构建的三维CPF模型载体物理参数与文献[15]中CPF载体物理参数完全一致(主要参数见表2)。借助文献中的试验数据对该CPF模型及Soot详细再生机理耦合模型进行验证。文献中CPF进口气体质量流量为0.236 kg/s，初始温度为400 K，初始碳载量为0 kg/m3。图5示出CPF三维模型模拟结果与文献中试验结果的对比。从图5可知，在Soot加载初期阶段，CPF压降增速较快，这是因为Soot主要沉积在CPF多孔的过滤壁面上；随着时间推移，CPF压降增速变缓，这是由于此阶段Soot主要沉积在炭饼层上，表现出更小的压降梯度。此外，CPF压降的模拟值稍高于试验值，当Soot累积量较大时，模拟值与试验值相差增大，但二者的变化趋势总体保持一致。因此，该三维CFD仿真模型可用于对真实CPF再生过程的预测研究。

图5 CPF压降随Soot累积量的变化趋势

2 计算结果与分析

进气特征参数不同导致发动机排气参数变化主要体现在排气流量、排气温度与组分这3个关键因素上。通过模拟计算研究进气边界参数(大气氧浓度、大气压力、海拔高度、EGR率)对排气中这3个主要因素的影响，以此来反映不同进气充量参数对CPF再生特性的影响规律。模拟计算工况选择2 200 r/min，75%负荷工况点。具体计算方案见表3和表4。

表3 主要模拟方案及其计算参数

表4 不同EGR率时主要模拟参数

2.1 不同海拔大气氧浓度对CPF再生过程的影响

表3中方案1，2，3是在大气压力为0.081 MPa(对应海拔2 km时的大气压力)、CPF初始加载颗粒物质量浓度为10 kg/m3的条件下，保证其他参数不变，仅改变进气氧质量分数(增压器压气机进口前)，模拟对比大气氧质量分数分别为23%，20%和16.3%(对应海拔0 km，2 km和4 km时的大气氧质量分数)时的CPF再生过程，计算结果见图6和图7。

图6示出大气氧浓度对CPF氧化再生速率和压降的影响。从图6a可知，当大气氧质量分数为23%和20%时，CPF内沉积颗粒物迅速减少。伴随再生时间的推移，CPF再生速率呈现先迅速升高再降低的变化趋势，大气氧浓度减小使得再生速率减缓，氧化的颗粒物总量也越少。当大气氧质量分数为16.3%时，颗粒物的氧化再生速率和氧化量都较低。图6b中的压降特性与颗粒物再生特性表现一致。这是由于提高大气氧浓度，一方面促使排气提供更多的O2参与Soot的氧化，另一方面由于排气中O2与NO质量分数的同时增加(见表3)，导致NO2的生成量增多，从而加快CPF的氧化再生速率。

图6 大气氧浓度对CPF再生速率和压降的影响

图7示出大气氧浓度对CPF进口端和出口端NOx和NO2排放的影响。从图7a可知，随大气氧浓度的增加，CPF出口端的NOx排放相比其进口端增加量逐渐增大，在大气氧质量分数为16.3%时，CPF进、出口端NOx排放差异较小。从图7b可知，相比进口端，CPF出口端的NO2以及NO2与NOx质量比m(NO2)∶m(NOx)急剧增大。大气氧质量分数为23%时，CPF出口端的NO2质量分数和m(NO2)∶m(NOx)较进口端分别增加约3.80×10-4和0.417，对应增加倍数约为25.5和21.7。由此表明，发动机加装CPF后会导致NOx排放增加，NO2大幅升高，且随着大气氧浓度的增加，NOx和NO2排放加剧的程度更为显著。导致上述现象的主要原因是：排气中的NO与O2在CPF内催化剂的作用下快速反应生成大量NO2，同时生成的NO2与颗粒氧化反应还原成NO，然后NO循环氧化再产生NO2，且NO2的生成速率大于其自身的氧化速率。

随着大气氧浓度的减小，CPF进口端的NOx和NO2排放降低，加之排气中O2浓度的减少，导致CPF出口端的NOx和NO2质量分数显著降低，但大气氧浓度对m(NO2)∶m(NOx)的降低作用则相对较小。总的来说，大气氧浓度对CPF再生过程具有较大影响，大气氧浓度的降低不利于CPF的再生，但能有效减少CPF出口端的NO2排放量。

图7 进气氧浓度对NOx和NO2排放的影响

2.2 不同海拔大气压力对CPF再生过程的影响

方案4，5，6(见表3)是在大气氧质量分数为20%(对应海拔2 km时的大气氧质量分数)、CPF初始加载颗粒物质量浓度为10 kg/m3条件下，保证其他参数不变，仅改变进气压力(增压器压气机进口前)，模拟对比大气压力分别为0.101，0.081，0.062 MPa(分别对应海拔0,2,4 km时的大气压力)时的CPF再生过程，计算结果见图8和图9。

图8 大气压力对再生速率和压降的影响

图9 大气压力对NOx和NO2排放的影响

图8示出大气压力对CPF氧化再生速率和压降的影响。从图8a可知，随大气压力的减小，CPF中颗粒物再生速率略有降低，残余颗粒量增多。从图8b可知，随大气压力降低，CPF初始压降明显减小，不同大气压力条件下的CPF再生规律趋于一致。这是因为发动机进气流量随大气压力的降低而减小，从而使排气流量减少，在保证过滤体结构与参数不变的条件下，排气流量降低会导致排气流经过滤体过程中产生的阻力减小，因此CPF的压降则降低。

图9示出大气压力对CPF进、出口端的NOx及NO2排放的影响。由图9可知，相比CPF进口端的初始值，其出口端的NOx与NO2质量分数以及m(NO2)∶m(NOx)都呈现不同程度增大，其变化趋势与2.1节基本一致。此外，随大气压力减小，CPF进、出口端NOx，NO2质量分数降低，但CPF出口端m(NO2)∶m(NOx)变化很小。总体而言，相比大气氧浓度，大气压力的变化对CPF再生过程的影响作用显著减弱。

2.3 海拔高度对CPF再生过程的影响

方案7，8，9(见表3)是在CPF初始加载颗粒物质量浓度为10 kg/m3的条件下，对海拔分别为0，2，4 km(同时改变压气机前的进气氧浓度与进气压力)时的CPF再生过程进行模拟计算，结果见图10和图11。

由表3可知，海拔高度增加会导致发动机进气参数和排气参数产生较大变化。随着海拔升高，发动机排气流量降低，排气温度升高，排气中O2，NO和NO2三者的质量浓度显著降低。因此，海拔高度对CPF再生过程的影响是多因素综合作用结果。

图10示出不同海拔(大气压力与氧浓度同时变化)对CPF再生速率、压降以及再生最高温度的影响。由图10a可知，随海拔高度上升，发动机排气中O2，NO和NO2三者质量浓度同时减小，CPF中颗粒物的氧化再生速率快速降低，沉积颗粒量增加。在海拔升至4 km时，CPF中颗粒物的氧化速率极低，氧化量极少。由图10b可知，海拔升高使进气压力减小，排气流量减少，CPF的初始压降降低，但随再生时间的推移，CPF再生性能较差导致其再生结束后的压降保持在较高水平。由图10c可知，在再生初始阶段，随颗粒物的快速氧化，不同海拔下CPF内的再生温度急剧上升。高海拔下CPF的再生初始温度和温升速率略高于低海拔。这是由于海拔升高导致发动机进气流量减少，燃烧速率减缓，燃烧重心后移，后期燃烧比例增加使排气温度升高，因此海拔升高会使CPF再生初始温升速率略高。随着再生持续时间的推移，CPF再生温度峰值随海拔高度的降低而快速升高，0 km海拔时的再生温度峰值在大幅升高后呈现降低的变化趋势。在4 km海拔时，由于颗粒物的氧化速率与氧化量较小，CPF的再生温度峰值一直都维持在一个较低水平，其与0 km海拔时再生温度峰值的最大差值接近100 K。

图10 海拔对CPF再生速率、压降和再生温度峰值影响

图11示出海拔高度对CPF进、出口端的NOx及NO2排放的影响。从图中可知，海拔升高对NOx和NO2排放影响较大。随海拔升高，CPF进、出口端的NOx和NO2排放大幅度下降，同时m(NO2)∶m(NOx)也相应降低。与0 km海拔相比，海拔4 km时CPF出口端的NOx和NO2分别降低了65.9%和69.5%，m(NO2)∶m(NOx)降低幅度约为10.6%。由此表明，海拔升高能有效降低NOx排放，且其对NO2的降低作用大于对NO的降低作用。

结合2.1节和2.2节的分析可知，海拔高度对CPF再生过程和NO2排放的影响作用中，大气氧浓度的影响作用占主导，而大气压力的影响作用则相对较弱，但海拔高度对CPF再生过程的影响并非是单纯大气氧浓度与大气压力影响作用的简单叠加关系。

图11 海拔高度对NOx和NO2排放的影响

2.4 高海拔下EGR率对CPF再生过程的影响

2.1～2.3节的研究表明，海拔升高会导致柴油机CPF再生性能明显变差。目前，EGR技术是实现超低NOx排放的重要机内净化技术手段。在高海拔下采用EGR技术时，缸内氧浓度、燃烧温度等将进一步降低，这对CPF的高效再生提出了更艰巨的挑战。因此，深入开展高海拔下EGR对CPF再生过程的影响规律研究对高原低排放柴油机CPF的开发及其再生优化控制具有重要现实意义。针对海拔高度为2 km，柴油机耦合EGR时的CPF再生特性进行了重点研究。计算方案10，11，12(见表4)是在海拔高度为2 km(对应大气压力0.081 MPa，大气氧质量分数20%)时，其他条件不变，分别模拟EGR率为0%，15%和25%时CPF的再生过程，模拟结果见图12和图13。模拟中EGR率的定义为

(19)

图12示出EGR率对CPF再生速率及压降的影响。由图12可知，在海拔高度为2 km时，当EGR率增至15%后，CPF的再生氧化速率明显降低，氧化的颗粒物减少，CPF的初始压降降低。这是因为EGR率增大导致循环回缸内的废气增多，排气流量降低，初始压降降低。伴随再生时间的推移，由于EGR率升高使排气中O2，NO和NO2的质量分数快速下降，从而导致CPF再生性能变差，CPF压降的降低速率变缓。

图12 EGR率对CPF再生速率和压降的影响

图13示出EGR率对CPF进、出口端NOx及NO2排放的影响。由图可知，随着EGR率由0%增大至25%，由于排气中O2，NO和NO2三者的质量分数显著降低，导致CPF进口端和出口端的NOx分别降低了42.2%和41.8%，NO2分别降低了57.4%和43.6%。此外，伴随EGR率的增大，CPF进口端m(NO2)∶m(NOx)降低，但CPF出口端的m(NO2)∶m(NOx)变化很小。由此表明，在发动机缸内燃烧的过程中，EGR率的增大对NO2的降低作用大于其对NO的降低作用。

图13 EGR率对NOx和NO2排放的影响

3 结论

a) 随大气氧浓度减小，CPF沉积颗粒物的氧化速率和压降的降低速率都显著减缓，其进、出口两端的NOx，NO2以及m(NO2)∶m(NOx)呈不同程度降低；相比大气氧浓度，大气压力的变化对CPF再生过程的影响作用明显减弱，同时对CPF出口端m(NO2)∶m(NOx)的影响较小；

b) 海拔升高不利于颗粒物再生，但CPF的初始压降和再生温度峰值减小，同时NOx和NO2质量分数也显著降低；海拔对CPF再生过程和NO2的影响作用中，大气氧浓度占主导作用，但并非是大气氧浓度与大气压力影响作用的简单叠加关系；

c) 针对海拔2 km高原环境，EGR率增大至15%时，CPF再生速率和压降降低速率明显减缓，同时进、出口端NOx和NO2排放降低，高原环境下采用EGR进一步加剧CPF的再生困难；增大EGR率会导致CPF进口端m(NO2)∶m(NOx)降低，但对CPF出口端m(NO2)∶m(NOx)影响较小；EGR率的增大对NO2的降低作用大于其对NO的降低作用；

d) 在不同进气充量条件下，加装CPF都会导致CPF出口端NO2不同程度显著升高；因此，需根据实际进气充量特性，优化CPF催化剂配方与涂覆策略，使其既能为高效再生提供合理的m(NO2)∶m(NOx)，同时又不会导致大量NO2的二次排放。

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[编辑： 潘丽丽]

SHEN Yinggang1, YANG Jie1, CHEN Guisheng1, CHEN Zhaohui1, PENG Jinsong2

(1. Kunming University of Science and Technology, Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engine, Kunming 650500, China; 2. Yunnan Internal Combustion Engine Limited Company, Kunming 650217, China)

One-dimensional simulation model and three-dimensional model of catalytic particulate filter (CPF) for D19 high-pressure common rail diesel engine were built by using AVL BOOST and FIRE software respectively and the effects of different intake parameters on CPF regeneration process were studied. The results showed that both the oxidation rate of sediment particle and the decline rate of pressure drop for CPF slowed down obviously and the emissions of NOxand NO2in the inlet and outlet of CPF reduced simultaneously with the decrease of atmosphere oxygen concentration. The increase of altitude was disadvantageous to CPF regeneration, but would lead to the decrease of pressure drop and regeneration maximum temperature, and could reduce the NO2emission effectively in the exit of CPF. The influence of altitude on CPF regeneration was the comprehensive effect of oxygen concentration and ambient pressure and the oxygen concentration played a dominant role. At altitude of 2 000 m, the CPF regeneration had weakened obviously when the EGR rate increased to 15% and the application of EGR increased the difficulty of regeneration further. EGR rate reduced more NO2emission than NO emission.

intake charge parameter; catalytic particulate filter (CPF); regeneration; particle; emission

2015-12-15；

2016-03-14

国家自然科学基金(51366007)；云南省院省校科技合作专项(2013ID001)；云南省科技厅面上项目(2013FB019)

沈颖刚(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向为柴油机燃烧过程及排放控制；shenyinggang@163.com。

陈贵升(1979—)，男，副教授，博士，主要研究方向为柴油机燃烧过程及排放控制；cgs_yly@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.011

TK421.5

B

1001-2222(2016)02-0058-08