柴油机颗粒捕集器再生过程仿真模拟

段肖宁 郑清平

摘要 对柴油机颗粒捕集器（DPF）再生过程进行仿真模拟，研究再生过程中不同排气流量、不同孔密度、不同喷油量对DPF压降、温度及碳载量的影响，分析了不同因素对DPF再生过程的影响。结果表明：排气流量越大，过滤孔密度越小，再生反应的速度越快;排气管中喷入一定燃油可以促进DPF再生速度和再生质量;在DPF再生过程中，由于载体入口端位置温度先升高，颗粒物的再生反应率先在此处发生，随后逐步向后面推进。

关 键 词 柴油机颗粒捕集器（DPF）;再生过程;压降;仿真模拟

Abstract A regeneration process of diesel particle filter （DPF） is simulated. The influence of different exhaust flow rate， pore density and fuel injection on DPF pressure drop， temperature and carbon load is investigated. The influence of different factors on DPF regeneration process is analyzed. The results show as follows：with the increase of exhaust flow rate and the decrease of the pore density， the regeneration reaction becomes faster; when a certain amount of fuel is sprayed into the exhaust pipe，  it can promote the regeneration speed and quality; In the DPF regeneration process， as the temperature at the entrance of the carrier rises first， the regeneration reaction of particulate matter takes place first here ， and then gradually goes backward.

Key words diesel particulate filter; regeneration process; pressure drop; simulation

0 引言

柴油机因具有燃油经济性好、耐久可靠性高、功率范围广及碳氧化物排放低等特点，在工农业生产和交通运输等方面得到了越来越广泛的应用[1-4]。然而柴油机排放出的颗粒物（PM）使环境受到严重污染，影响人类健康[5]。近年来，随着能源的日益匮乏和公众环保意识的提高，柴油机的PM排放引起了公众极大的重视。主动再生的颗粒捕集器（DPF）后处理技术是降低颗粒物排放的最为有效的技术之一[6]，受到国内外较多的关注。宁智等[7]利用数学模型模拟方法研究了柴油机转速、排气中氧气浓度及排气温度、PM活化能等参数对微粒捕集器再生性能的影响，揭示了在较大负荷工况下经过提高排气温度并辅以催化剂等，完全可以实现微粒捕集器的主动再生。胡国强[8]以堇青石载体DPF为研究对象，对主动再生和被动再生的影响因素进行了研究，为微粒捕集器再生安全性测试奠定了基础。

Palma等[9]提出微波辅助DPF主动再生，证实了微波辅助技术作为DPF再生阶段实际使用技术的潜在替代品的适用性。Fang等[10]通过试验台探究再生温度、再生流量和再生时间对再生性能的影响，通过综合比较可以实现对活性再生操作参数的优化。Zheng等[11]等设计了以液化石油气为热源的国产柴油强制再生加热器，并进行了试验研究，为DPF再生加热器的开发提出了一种经济、方便的新应用方法。现有研究表明，目前DPF模拟手段都是独立采用一维模拟方法或者多维CFD方法，而没有将两者有效地结合。本文结合一维软件BOOST和三维软件FIRE模拟研究了不同的排气流量、孔密度和排气管喷油量因素的影响，对优化柴油机颗粒捕集器再生过程有一定的工程指导意义。

本文针对某增压中冷柴油机应用DOC和DPF后处理系统降低降颗粒物排放进行模拟研究。通过建立数学模型，创建网格，对柴油机排气在DPF内部的流动进行三维数值仿真，在不同的排气流量、孔密度和排气管喷油量情况下模拟DPF的再生情况，探究了DPF再生过程中的影响因素，研究结果可为柴油机降低尾气排放的后处理系统设计提供参考。

1 模型的建立和验证

1.1 发动机主要技术参数

研究对象为某增压中冷六缸柴油机，其主要技术参数：缸径和行程分别为100 mm和127 mm;额定功率及转速分別为210 kW和2 500 r/min;最大扭矩及转速分别为950 N?m和1 800 r/min。降低颗粒物后处理系统形式为DOC+DPF，为保证再生效果，该柴油机采用了机内节气门升温技术和排气管喷油的主动再生技术。

1.2 再生过程反应参数的标定

由于一维计算速度较快，并且一维BOOST软件和三维FIRE软件再生反应模型相同，标定后的再生反应参数可以直接在FIRE软件中使用，因此为节省运行时间，提高运算效率，本文采用BOOST软件进行再生反应参数标定。首先根据DOC和DPF的基本参数（见表1）建立后处理一维计算模型，如图1所示。

DPF再生化学反应参数标定原理是：在某些典型工况下通过调整反应参数计算得出DPF温度分布，并与实测温度对比，在两温度值相一致的条件下即可标定得到再生反应参数。

这里只给出排气流量为0.16 kg/s工况时DPF某些测点（测点位置如图2所示）温度的模拟值与温度实测值的对比结果，如表2所示，可见，计算值与实测值误差不超过5%，符合标定要求。最终标定的再生反应参数见表3。

1.3 计算模型的建立

基于标定的再生反应模型，利用FIRE建立DOC+DPF三维仿真模型，对DPF再生过程进行模拟。计算网格模型如图3所示，共612 304个网格，质量满足使用要求。

1.4 边界条件的确定

在入口边界，气相物质以规定的质量流量进入区域。在出口施加规定的静压。在固定壁面边界上，采用具有一定传热系数的对流边界条件。

1.5 模型验证

模型验证采用DPF加载过程的压降和再生过程某些测点的温度。加载过程废气质量流量为0.05 kg/s，排气温度为500 K，为加快实现DPF加载过程，滤清器入口边界条件设置一个较大的碳烟质量流量为0.000 2 （kg particles/kg gas），微粒滤清器的初始粒子为0 kg/m3，加载过程模拟运行时间为300 s。再生过程排气流量为0.18 kg/s，并利用柴油机后喷提高排气温度。利用试验装置分别对该DPF加载过程压降和再生过程DPF温度进行测量，将实测值与模拟值对比，结果如图4和图5所示，模拟值与实测值偏差较小，最大误差在8%以内。说明模型可以很好的模拟实际工作情况。

2 变参数模拟计算结果与分析

在探究不同参数对再生过程的影响时，排气温度设置0 s时为500 K，20 s时为800 K，150 s时为650 K，200 s时为500 K，排气温度曲线如图6所示，初始碳烟质量为7 kg/m3。

2.1 排气流量对再生过程的影响

设置过滤体CPSI为200，在排气流量分别为0.08 kg/s、0.12 kg/s、0.16 kg/s下进行模拟计算。排气流量对压降损失和残存碳烟量影响结果如图7和图8所示，温度分布结果如图9所示，可以看出随着排气流量的增加，排气压降增加，温度上升更快，导致再生速度加快，再生效率明显提高，这是由于排气流量改善了氧气供给，增大了反应速率。可以看出排气流量为0.16 kg/s时再生时间为70 s，相比流量为0.12 kg/s和0.08 kg/s，分别缩短了15 s和50 s。

2.2 孔密度对再生过程的影响

设置排气流量为0.08 kg/s，分别在过滤体CPSI为100、200、300时进行模拟计算。孔密度对压降损失、DPF温度和碳烟残余量影响结果分别如图10、图11、图12所示，可以看出随着孔密度的增加，在壁厚不变时通道尺寸减小，每个通道内氧气含量少，气体流速高，再生反应时间缩短，DPF壁面温度升高慢，受温度影响较大的排气压降也随之减小，由此导致碳烟反应速率下降，再生效率降低。CPSI为100时再生时间最短，在110 s时基本完成再生，相比CPSI为200和CPSI为300时，大约提前10 s和20 s完成再生。

2.3 排气管喷油量对再生过程的影响

设置排气流量为0.08 kg/s，CPSI为200，在排气管DOC前喷入燃料量质量分数分别为0、0.07%、0.15%下进行模拟计算。喷油量对压降损失、DOC温度分布、残余碳烟量分布结果分别如图13、图14、图15所示，可以看出喷油量对排气压降影响不大，随着喷油量的增加，DOC中反应温度升高更快，提高了DPF入口温度，使得DPF再生速度加快，从而再生效果更好。燃料质量比为0.15%在140 s时基本再生完成，比燃料质量比为0.07%时约快10 s，燃料质量比为0时再生速度最慢。图15还表明，再生反应依次往后推进，在t = 55 s時，位于载体入口端位置颗粒物率先再生;在t为70～90 s时，中部位置颗粒物开始再生，t = 140 s时，位于载体末端位置颗粒物基本完成再生。

3 结论

1）排气流量对DPF的再生速度影响较大，排气流量越大，再生反应的速度越快，再生质量较好。

2）在本文计算范围内，过滤孔密度越小，有利于加快DPF再生速度，但同时所引起的压降损失也越大。

3）排气管中喷入一定燃油可以提高DOC的温度，促进DPF的再生速度，改善再生效果。且位于载体入口端位置颗粒物率先再生，依次往后推进。

参考文献：

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