非道路用柴油机DPF电加热再生特性CFD研究

张春润，井 磊，唐粤清，王宏涛，钱仁军

(1.军事交通学院 装备保障系，天津300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161)



非道路用柴油机DPF电加热再生特性CFD研究

张春润1，井 磊2，唐粤清2，王宏涛2，钱仁军2

(1.军事交通学院 装备保障系，天津300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161)

通过STAR-CCM+软件建立非道路用柴油机DPF电加热再生装置的仿真模型，对装置的流场特征和再生特性进行仿真分析并进行优化设计。结果表明：运用大功率加热管可以加热柴油机尾气，较好地实现DPF再生；提高再生效果的关键在于控制加热室内尾气的流动速度，并提高尾气流场的均匀性。

非道路用柴油机；柴油机微粒捕集器(DPF)；电加热再生；计算流体力学(CFD)

非道路用柴油机指非道路移动机械所使用的柴油机。相较于道路用柴油机，其更易受到冲击和震动，使用环境较为恶劣[1]。当前，我国非道路用柴油机的设计理念落后，生产技术薄弱，具有较高的污染物排放值。随着GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》等标准的发布和实施，对非道路用柴油机的排放控制越来越严格，对其进行相应的技术改造已刻不容缓。

本文根据非道路移动机械用柴油机的特点，使用柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)对其进行排放后处理，设计了对应的电加热再生系统，并通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对其效果进行仿真优化研究。

1 系统的组成与工作原理

DPF是公认的控制颗粒物(particulate matter，PM)排放最有效的技术[2]，但由于其易堵塞，导致柴油机排气背压增加，降低柴油机的动力性和经济性而限制了DPF的应用[3]。为此，需要将PM去除，使DPF恢复到初始状态。在空气中，PM在500～650 ℃才能完全氧化燃烧[4]，而柴油机的排气温度普遍较低，因此，各种DPF再生技术应运而生，可分为主动再生和被动再生两大类[5]，本文采取的电加热再生属于主动再生方式。在道路车辆上，受限于狭小的布置空间和有限的蓄电池容量，所使用的电加热系统往往加热功率低，且结构复杂、成本高[6]。而非道路用柴油机往往具有使用地点相对固定、有足够大的布置空间等特点，因此本文设计了一套电加热再生装置，将其接入三相380 V工业用电进行加热再生。

电加热再生装置结构如图1所示。它由柴油机尾气入口、尾气加热室、螺旋加热管、微粒捕集器(DPF)、排气口等组成。DPF过滤体由碳化硅(SiC)陶瓷材料制成，其物理特性见表1[7]。

(a)主视图 (b)剖视图1.柴油机尾气入口；2.尾气加热室；3.螺旋加热管；4.微粒捕集器(DPF)；5.排气口图1 DPF电加热再生装置结构

物理特性参数密度/(g·cm-3)3.2抗挠强度/MPa590抗压强度/MPa690耐热温度/℃2220比热/(J·kg-1·℃-1)1.05导热系数/(W·m-1·℃-1)63热膨胀系数/(106·℃-1)4.0

其工作原理：螺旋加热管接入380 V交流电后开始升温。柴油机尾气进入加热室后，由螺旋加热管对其进行快速加热。为减缓进气速度，提高加热效率，采用侧面径向进气的方式。加热后的尾气流经微粒捕集器提升其温度，从而实现再生。为验证该装置对DPF的增温效果，判断其再生特性，采用STAR-CCM+软件对其进行仿真优化研究。

2 计算模型

2.1 STAR-CCM+简介

STAR-CCM+是CD-adapco公司研发的新一代CFD求解器，它采用了先进的连续介质力学数值技术。STAR-CCM+搭载独创的网格生成技术，可以完成复杂模型导入、表面准备、网格重构、自动生成体网格等功能。STAR-CCM+生成的多面体网格，在相同的计算要求下，可以实现约3倍以上的计算性能提高。多面体网格具有许多显著的优点:①相邻单元多，梯度计算和流动状态预测更加准确；②对模型变形的宽容度比四面体大；③在回流流动的计算上，比Hexa网格的精度都要高。和其他CFD软件相似，该仿真具有以下基本步骤：建立模型→网格划分→设置边界条件→仿真运算→分析结果[8]。

2.2 数学模型

该仿真的实质是流体的流动与换热问题。使用笛卡尔直角坐标系计算，流体的运动及换热的控制方程[9]。

连续方程：

(1)

式中：ρ为流体密度；t为时间；ui为流体速度沿i方向的分量。

动量方程：

(2)

式中：p为静压力；τij是由于分子黏性作用而产生的作用于微元体表面上的黏性应力；ρgi为在i方向的重力分量；Fi为由阻力和能源引起的其他能源项。

能量方程：

(3)

式中：h为熵；k为分子传导率；kt为由于湍流传递引起的传导率；Sh为定义的体积源。

2.3 流体计算模型

依据再生装置的几何构型，建立装置的三维模型，在其内部生成流体区域。利用STAR-CCM+划分多面体网格。为提高仿真精度，在网格划分的设置里对模型近壁面处生成一定厚度的较高质量的边界层网格。生成的网格数量为37万个。网格生成结果如图2所示。

图2 仿真模型网格

2.4 初始条件与边界条件

壁流式微粒捕集器可看作多孔介质，在CFD仿真过程中需要设置有关参数。为简化计算，仅将再生装置内部流场特性纳入考虑。对电加热再生装置的仿真边界条件进行简化[10]：

(1)不考虑柴油机排气速度和排气温度的波动，在计算过程中排气速率和温度为恒定；

(2)不考虑柴油机排气成分对仿真结果的影响；

(3)不考虑DPF上的积碳氧化产生的热量对仿真结果的影响；

(4)忽略再生装置外壳的热影响。

边界条件设定：整个再生过程都在柴油机怠速工况下进行，根据温度传感器和流速计测量数据，设定柴油机的排气温度为120 ℃，流速为13．3 m/s。再生装置排气口条件为压力出口，固体为碳钢材料，螺旋发热管的发热功率为10 kW。

入口湍流强度l和湍流长度L的求解公式为

l=0.16Re-1/8

(4)

L=0.07d

(5)

其中，雷诺数Re为

(6)

式中：d为排气管入口直径；ρ为空气密度，在T=300 K时，ρ=1.185 kg/m3；μ为空气动力黏性系数，常温时μ=17.9×10-6Pa·s[10]。

计算可得，l=0.043 2，即湍流强度为4.32%，L=2.8×10-3m，Re=35 218．99。由计算可知，柴油机的尾气是大雷诺数的湍流流动，因此需要用到湍流的控制方程。本文选用了标准的k-ε控制方程[11]。标准k-ε模型是半经验公式。

湍流动能k方程：

(7)

湍流耗散率ε方程：

(8)

式中:μl为层流黏性系数；μt为湍流粘性系数；Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；G1ε、G2ε、G3ε、σk和σε为经验常数；Cμ为湍流常数。

3 仿真结果与分析

3.1 流场分析

如图3所示为电加热再生装置内部的速度流线图。可以看出，柴油机尾气流入加热室后，流体的主体冲击到加热室壁，分散成两部分，折回加热室进行加热。可以明显看到：在进气口的一侧，气流比较稀疏，流动的速度比较慢；在进气口对侧，受到气体流动惯性的影响，气流量比较大，速度比较快。加热室内的气流分布不够均匀，流经DPF的气流也有同样的特点。

图3 电加热再生装置内部的速度流线

3.2 温度分析

如图4所示为电加热再生装置内部温度分布图。由图4(a)和(b)可知，柴油机尾气进入加热室后，首先被加热管加热。尾气流经两个加热管后，温度可达到300～400 ℃。在加热室尾端，尾气可达到800～900 ℃的高温。随后，废气流入颗粒捕集器的孔道内，使DPF的温度升高，约有3/5的区域能达到500 ℃以上，局部最高温度能达到800 ℃以上。图4(c)为DPF前端视图。由此图可以看出，端面温度分布较不均匀，最高温度为867 ℃，低处温度约为300 ℃，温差比较大。

(b)z=0平面温度分布云图

(c)DPF前端面温度分布图4 电加热再生装置内部温度分布

由图4可以看出：在流量较大、流速较快的区域，尾气得不到充分的加热，因此温度比较低，升温效果不好；在流量较小、流速较慢的区域，尾气受到的加热比较充分，因而温度比较高，升温效果较好。因此，再生装置优化的关键在于降低柴油机尾气在装置中的流速，使尾气流动更加平缓、均衡。

4 优化设计

4.1 结构优化

根据仿真结果，对进气结构进行优化。优化主要从以下两个方面进行：一是将进气方式改为沿切向方向进气，使尾气进入加热室后，沿加热室壁旋转流动，从而流动更加均匀合理；二是延长加热室的长度，避免高速的尾气直接吹到加热管上，而是在加热室的前端减速后，再与加热管接触，从而提升加热效果。改进后的再生装置如图5所示。

(a)主视图 (b)剖视图1.柴油机尾气入口；2.尾气加热室；3.螺旋加热管；4.微粒捕集器(DPF)；5.排气口图5 改进后的DPF电加热再生装置结构

4.2 优化后的仿真结果

保持初始条件和边界条件不变，对改进后的电加热再生装置进行模拟仿真，结果如图6、图7所示。

图6 改进后电加热再生装置内部的速度流线

(a)y=0平面温度分布云图

(c)DPF前端面温度分布图7 改进后电加热再生装置内部温度分布

由仿真结果图可以看出，尾气沿切向进入加热室后，沿加热室壁旋转流动,流场分布更加合理。由图7(c)可以看出，DPF有5/6的区域能满足500～650 ℃的PM完全氧化燃烧的温度要求，且800 ℃以上高温的区域比优化前扩大了8～10倍，加热效果更加明显，更易于实现DPF再生。

5 结 论

(1)本文设计了一种采用工业用电加热DPF再生的装置，并使用STAR-CCM+进行仿真优化研究。

由优化结果看，该装置能够实现比较理想的DPF再生。

(2)由仿真结果可以看出，实现理想再生的关键在于降低柴油机尾气在装置中的流速，使尾气流动更加平缓、均衡。

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(编辑：张峰)

DPF Electrical Heating Regeneration of Non-road Diesel Engine Based on CFD

ZHANG Chunrun1, JING Lei2, TANG Yueqing2, WANG Hongtao2, QIAN Renjun2

(1.Equipment Support Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

The paper establishes simulation model of diesel partculate filter(DPF) electrical heating regeneration device of non-road diesel engine with STAR-CCM+ software, and analyzes and designs the device with the characteristics of flow field and reheat temperature. The result shows that using high-power heating pipe can heat diesel exhaust and achieve the DPF regeneration, and the key to improve the regeneration effect is to control exhaust flow rate in heating chamber and to improve the uniformity of the exhaust flow field.

non-road diesel engine; diesel particulate filter(DPF); electrical heating regeneration; computational fluid dynamics(CFD)

2016-04-26；

2016-05-24．

国家高技术研究计划项目(2013AA065303)．

张春润(1957—)，男，博士，教授，博士研究生导师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.010

TK421．5

A

1674-2192(2016)11- 0039- 05

● 车辆工程 Vehicle Engineering