沈穎剛， 楊杰， 陳貴升， 陳朝輝， 彭勁松

(1. 昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650500； 2． 云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司， 云南 昆明 650217)

?

進(jìn)氣充量特征參數(shù)對(duì)CPF再生過(guò)程的影響

沈穎剛1， 楊杰1， 陳貴升1， 陳朝輝1， 彭勁松2

(1. 昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650500； 2． 云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司， 云南 昆明 650217)

利用AVL BOOST,FIRE軟件分別構(gòu)建了D19高壓共軌柴油機(jī)的一維仿真模型和催化型顆粒捕集器(CPF)三維模型，研究了不同進(jìn)氣特征參數(shù)對(duì)CPF再生過(guò)程的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：隨大氣氧濃度減小，CPF沉積顆粒的氧化速率和壓降的下降速率都顯著減緩，其進(jìn)、出口兩端的NOx及NO2排放降低；海拔升高不利于CPF的再生，但CPF壓降和再生最高溫度較低，且能有效減少CPF出口端的NO2排放；海拔對(duì)CPF再生過(guò)程的影響是大氣氧濃度與大氣壓力的綜合效應(yīng)，其中大氣氧濃度占主導(dǎo)作用；針對(duì)海拔2 km高原環(huán)境，EGR率增大至15%時(shí)，CPF再生性能已明顯減弱，高原環(huán)境下采用EGR進(jìn)一步加劇CPF的再生困難；EGR率對(duì)NO2的降低作用大于其對(duì)NO的降低作用。

進(jìn)氣特征參數(shù)； 催化型顆粒捕集器； 再生； 顆粒； 排放

柴油機(jī)由于功率大、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。顆粒捕集器(DPF)作為目前公認(rèn)最有效的柴油機(jī)顆粒物后處理凈化裝置之一，其再生技術(shù)是亟待解決的重要難題[1-2]。柴油機(jī)在大部分運(yùn)行工況下都難以依靠其自身排氣溫度直接對(duì)DPF進(jìn)行再生，而催化再生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其連續(xù)再生的有效措施[3-4]。催化型顆粒捕集器(CPF)通過(guò)在過(guò)濾體內(nèi)部涂覆催化劑，使其具備顆粒捕集與催化再生兩大功能。采用CPF這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)再生外熱源依賴度降低的顆粒捕集器對(duì)于柴油轎車(chē)和輕型商用車(chē)等車(chē)型具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[5-6]。

EGR是降低NOx最有效的措施之一，采用EGR控制NOx并結(jié)合CPF控制顆粒的技術(shù)路線對(duì)柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)超低排放具有極大潛力。CPF利用NO2的強(qiáng)氧化性可將過(guò)濾沉積的炭煙(Soot)氧化，但若生成的NO2過(guò)多或反應(yīng)不完全，則會(huì)導(dǎo)致尾氣中的NO2排放大幅增加[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)，大氣環(huán)境對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行性能有極大影響。隨海拔高度增加，大氣壓力與大氣氧濃度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)同時(shí)快速降低[9]，這將加劇柴油機(jī)Soot的生成并降低排氣中O2和NO2質(zhì)量濃度，進(jìn)而密切影響CPF的再生性能?；贓GR結(jié)合CPF的技術(shù)路線，大氣環(huán)境和EGR率二者的綜合效應(yīng)將會(huì)進(jìn)一步影響CPF的再生性能。因此，深入研究大氣環(huán)境參數(shù)與EGR率對(duì)CPF再生過(guò)程的影響規(guī)律具有重要意義。

通過(guò)構(gòu)建D19高壓共軌柴油機(jī)一維仿真模型，研究了不同進(jìn)氣條件下柴油機(jī)排氣特性參數(shù)的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上利用AVL FIRE構(gòu)建了CPF的三維仿真模型，并耦合Soot詳細(xì)再生機(jī)理，將一維模擬中的排氣參數(shù)作為三維模擬的邊界條件，研究了柴油機(jī)不同進(jìn)氣特征參數(shù)(大氣環(huán)境參數(shù)、EGR率)對(duì)CPF再生過(guò)程的影響規(guī)律，分析了CPF出口處的NO2排放特性，為不同海拔環(huán)境下低排放柴油機(jī)CPF的再生優(yōu)化控制提供理論與工程指導(dǎo)。

1 模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

1.1 模型的選擇與構(gòu)建

利用AVL BOOST耦合柴油替代物簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)機(jī)理，構(gòu)建了帶有CPF的D19共軌柴油機(jī)一維仿真耦合模型(見(jiàn)圖1)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。一維計(jì)算模型中的燃燒模型采用AVL MCC模型，Soot計(jì)算模型采用Schubiger模型[13]。柴油替代物簡(jiǎn)化機(jī)理采用黃豪中[10]提出的正庚烷簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型(其中包含NO生成機(jī)理)。由于排氣中NO2對(duì)顆粒捕集器再生極為重要，因此在該正庚烷簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型中增補(bǔ)了NO和NO2之間的轉(zhuǎn)換反應(yīng)[11-12]。具體反應(yīng)式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

通過(guò)一維仿真耦合模型研究了不同進(jìn)氣條件下柴油機(jī)排氣參數(shù)的變化規(guī)律，得到了不同進(jìn)氣條件下柴油機(jī)排氣溫度、排氣流量及排氣組分等參數(shù)，為三維CPF模擬提供準(zhǔn)確的初始邊界條件。

圖1 帶有CPF的D19柴油機(jī)一維仿真模型

型式直列、四沖程、增壓中冷燃油噴油系統(tǒng)BOSCH高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)排量/L1.5缸徑/mm80行程/mm92缸數(shù)/4排量/L1.9燃燒室型式ω型壓縮比18.5∶1最大扭矩/N·m235最大扭矩轉(zhuǎn)速/r·min-12200標(biāo)定功率/kW82標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速/r·min-14000

圖2示出根據(jù)實(shí)際的CPF物性參數(shù)，采用AVL FIRE構(gòu)建的CPF三維仿真計(jì)算模型。根據(jù)模型劃分空間網(wǎng)格，該模型共計(jì)253 884個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格形式為精度較高的空間六面體網(wǎng)格，并通過(guò)定義CPF載體、入口、出口以及連接面等，使該模型盡可能準(zhǔn)確地模擬實(shí)物。CPF模型主要物性參數(shù)見(jiàn)表2。在正常柴油機(jī)排氣溫度下O2難以有效氧化Soot，而CPF在過(guò)濾體表面涂覆催化劑Pt，NO在Pt作用下被氧化成NO2，NO2在較低的溫度條件下氧化排氣中的Soot。本研究CPF再生方式為連續(xù)被動(dòng)再生，基于AVL FIRE中用戶自定義模塊，編譯了文獻(xiàn)[14]中的Soot詳細(xì)再生機(jī)理。該機(jī)理涉及了Soot與O2，NO2，NO以及NO+O2的多步反應(yīng)，并包含了Soot氧化過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。具體相關(guān)反應(yīng)如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

圖2 CPF三維仿真模型

材質(zhì)碳化硅載體直徑/mm143載體長(zhǎng)度/mm152目數(shù)/目·cm-247孔道壁厚/mm0.4318載體密度/kg·m-31500

與AVL FIRE自帶的Soot再生機(jī)理進(jìn)行模擬對(duì)比，計(jì)算發(fā)現(xiàn)該機(jī)理具有更加全面、預(yù)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用該Soot詳細(xì)再生機(jī)理能夠更為準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)柴油機(jī)CPF中Soot的再生規(guī)律。

1.2 模型的驗(yàn)證

模擬計(jì)算工況選擇2 200 r/min(最大扭矩轉(zhuǎn)速)，75%負(fù)荷工況點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行中，該工況采用單次噴射，噴油壓力為150 MPa，噴油定時(shí)為上止點(diǎn)前7° 曲軸轉(zhuǎn)角，每循環(huán)噴油量約為37 mg。

圖3示出發(fā)動(dòng)機(jī)在計(jì)算工況點(diǎn)(2 200 r/min，75%負(fù)荷)時(shí)，缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率的試驗(yàn)值與一維仿真模擬值對(duì)比。圖4示出2 200 r/min時(shí)，不同負(fù)荷下輸出扭矩、NOx排放、Soot比排放量以及排氣溫度(渦后溫度)的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比。

圖3 缸內(nèi)壓力和放熱率試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能和排放對(duì)比

由圖3、圖4可知，缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率、輸出扭矩以及NOx排放的模擬值與試驗(yàn)值重合度較高，Soot比排放和排氣溫度的模擬值與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)總體一致。因此，構(gòu)建的柴油機(jī)一維仿真耦合模型的計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)能力較好，能夠滿足對(duì)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的仿真需求。

本研究所構(gòu)建的三維CPF模型載體物理參數(shù)與文獻(xiàn)[15]中CPF載體物理參數(shù)完全一致(主要參數(shù)見(jiàn)表2)。借助文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該CPF模型及Soot詳細(xì)再生機(jī)理耦合模型進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)中CPF進(jìn)口氣體質(zhì)量流量為0.236 kg/s，初始溫度為400 K，初始碳載量為0 kg/m3。圖5示出CPF三維模型模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖5可知，在Soot加載初期階段，CPF壓降增速較快，這是因?yàn)镾oot主要沉積在CPF多孔的過(guò)濾壁面上；隨著時(shí)間推移，CPF壓降增速變緩，這是由于此階段Soot主要沉積在炭餅層上，表現(xiàn)出更小的壓降梯度。此外，CPF壓降的模擬值稍高于試驗(yàn)值，當(dāng)Soot累積量較大時(shí)，模擬值與試驗(yàn)值相差增大，但二者的變化趨勢(shì)總體保持一致。因此，該三維CFD仿真模型可用于對(duì)真實(shí)CPF再生過(guò)程的預(yù)測(cè)研究。

圖5 CPF壓降隨Soot累積量的變化趨勢(shì)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

進(jìn)氣特征參數(shù)不同導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣參數(shù)變化主要體現(xiàn)在排氣流量、排氣溫度與組分這3個(gè)關(guān)鍵因素上。通過(guò)模擬計(jì)算研究進(jìn)氣邊界參數(shù)(大氣氧濃度、大氣壓力、海拔高度、EGR率)對(duì)排氣中這3個(gè)主要因素的影響，以此來(lái)反映不同進(jìn)氣充量參數(shù)對(duì)CPF再生特性的影響規(guī)律。模擬計(jì)算工況選擇2 200 r/min，75%負(fù)荷工況點(diǎn)。具體計(jì)算方案見(jiàn)表3和表4。

表3 主要模擬方案及其計(jì)算參數(shù)

表4 不同EGR率時(shí)主要模擬參數(shù)

2.1 不同海拔大氣氧濃度對(duì)CPF再生過(guò)程的影響

表3中方案1，2，3是在大氣壓力為0.081 MPa(對(duì)應(yīng)海拔2 km時(shí)的大氣壓力)、CPF初始加載顆粒物質(zhì)量濃度為10 kg/m3的條件下，保證其他參數(shù)不變，僅改變進(jìn)氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)(增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口前)，模擬對(duì)比大氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為23%，20%和16.3%(對(duì)應(yīng)海拔0 km，2 km和4 km時(shí)的大氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)的CPF再生過(guò)程，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。

圖6示出大氣氧濃度對(duì)CPF氧化再生速率和壓降的影響。從圖6a可知，當(dāng)大氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%和20%時(shí)，CPF內(nèi)沉積顆粒物迅速減少。伴隨再生時(shí)間的推移，CPF再生速率呈現(xiàn)先迅速升高再降低的變化趨勢(shì)，大氣氧濃度減小使得再生速率減緩，氧化的顆粒物總量也越少。當(dāng)大氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.3%時(shí)，顆粒物的氧化再生速率和氧化量都較低。圖6b中的壓降特性與顆粒物再生特性表現(xiàn)一致。這是由于提高大氣氧濃度，一方面促使排氣提供更多的O2參與Soot的氧化，另一方面由于排氣中O2與NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同時(shí)增加(見(jiàn)表3)，導(dǎo)致NO2的生成量增多，從而加快CPF的氧化再生速率。

圖6 大氣氧濃度對(duì)CPF再生速率和壓降的影響

圖7示出大氣氧濃度對(duì)CPF進(jìn)口端和出口端NOx和NO2排放的影響。從圖7a可知，隨大氣氧濃度的增加，CPF出口端的NOx排放相比其進(jìn)口端增加量逐漸增大，在大氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.3%時(shí)，CPF進(jìn)、出口端NOx排放差異較小。從圖7b可知，相比進(jìn)口端，CPF出口端的NO2以及NO2與NOx質(zhì)量比m(NO2)∶m(NOx)急劇增大。大氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%時(shí)，CPF出口端的NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)和m(NO2)∶m(NOx)較進(jìn)口端分別增加約3.80×10-4和0.417，對(duì)應(yīng)增加倍數(shù)約為25.5和21.7。由此表明，發(fā)動(dòng)機(jī)加裝CPF后會(huì)導(dǎo)致NOx排放增加，NO2大幅升高，且隨著大氣氧濃度的增加，NOx和NO2排放加劇的程度更為顯著。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因是：排氣中的NO與O2在CPF內(nèi)催化劑的作用下快速反應(yīng)生成大量NO2，同時(shí)生成的NO2與顆粒氧化反應(yīng)還原成NO，然后NO循環(huán)氧化再產(chǎn)生NO2，且NO2的生成速率大于其自身的氧化速率。

隨著大氣氧濃度的減小，CPF進(jìn)口端的NOx和NO2排放降低，加之排氣中O2濃度的減少，導(dǎo)致CPF出口端的NOx和NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，但大氣氧濃度對(duì)m(NO2)∶m(NOx)的降低作用則相對(duì)較小?？偟膩?lái)說(shuō)，大氣氧濃度對(duì)CPF再生過(guò)程具有較大影響，大氣氧濃度的降低不利于CPF的再生，但能有效減少CPF出口端的NO2排放量。

圖7 進(jìn)氣氧濃度對(duì)NOx和NO2排放的影響

2.2 不同海拔大氣壓力對(duì)CPF再生過(guò)程的影響

方案4，5，6(見(jiàn)表3)是在大氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%(對(duì)應(yīng)海拔2 km時(shí)的大氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù))、CPF初始加載顆粒物質(zhì)量濃度為10 kg/m3條件下，保證其他參數(shù)不變，僅改變進(jìn)氣壓力(增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口前)，模擬對(duì)比大氣壓力分別為0.101，0.081，0.062 MPa(分別對(duì)應(yīng)海拔0,2,4 km時(shí)的大氣壓力)時(shí)的CPF再生過(guò)程，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 大氣壓力對(duì)再生速率和壓降的影響

圖9 大氣壓力對(duì)NOx和NO2排放的影響

圖8示出大氣壓力對(duì)CPF氧化再生速率和壓降的影響。從圖8a可知，隨大氣壓力的減小，CPF中顆粒物再生速率略有降低，殘余顆粒量增多。從圖8b可知，隨大氣壓力降低，CPF初始?jí)航得黠@減小，不同大氣壓力條件下的CPF再生規(guī)律趨于一致。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量隨大氣壓力的降低而減小，從而使排氣流量減少，在保證過(guò)濾體結(jié)構(gòu)與參數(shù)不變的條件下，排氣流量降低會(huì)導(dǎo)致排氣流經(jīng)過(guò)濾體過(guò)程中產(chǎn)生的阻力減小，因此CPF的壓降則降低。

圖9示出大氣壓力對(duì)CPF進(jìn)、出口端的NOx及NO2排放的影響。由圖9可知，相比CPF進(jìn)口端的初始值，其出口端的NOx與NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及m(NO2)∶m(NOx)都呈現(xiàn)不同程度增大，其變化趨勢(shì)與2.1節(jié)基本一致。此外，隨大氣壓力減小，CPF進(jìn)、出口端NOx，NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，但CPF出口端m(NO2)∶m(NOx)變化很小。總體而言，相比大氣氧濃度，大氣壓力的變化對(duì)CPF再生過(guò)程的影響作用顯著減弱。

2.3 海拔高度對(duì)CPF再生過(guò)程的影響

方案7，8，9(見(jiàn)表3)是在CPF初始加載顆粒物質(zhì)量濃度為10 kg/m3的條件下，對(duì)海拔分別為0，2，4 km(同時(shí)改變壓氣機(jī)前的進(jìn)氣氧濃度與進(jìn)氣壓力)時(shí)的CPF再生過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11。

由表3可知，海拔高度增加會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣參數(shù)和排氣參數(shù)產(chǎn)生較大變化。隨著海拔升高，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量降低，排氣溫度升高，排氣中O2，NO和NO2三者的質(zhì)量濃度顯著降低。因此，海拔高度對(duì)CPF再生過(guò)程的影響是多因素綜合作用結(jié)果。

圖10示出不同海拔(大氣壓力與氧濃度同時(shí)變化)對(duì)CPF再生速率、壓降以及再生最高溫度的影響。由圖10a可知，隨海拔高度上升，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中O2，NO和NO2三者質(zhì)量濃度同時(shí)減小，CPF中顆粒物的氧化再生速率快速降低，沉積顆粒量增加。在海拔升至4 km時(shí)，CPF中顆粒物的氧化速率極低，氧化量極少。由圖10b可知，海拔升高使進(jìn)氣壓力減小，排氣流量減少，CPF的初始?jí)航到档?，但隨再生時(shí)間的推移，CPF再生性能較差導(dǎo)致其再生結(jié)束后的壓降保持在較高水平。由圖10c可知，在再生初始階段，隨顆粒物的快速氧化，不同海拔下CPF內(nèi)的再生溫度急劇上升。高海拔下CPF的再生初始溫度和溫升速率略高于低海拔。這是由于海拔升高導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量減少，燃燒速率減緩，燃燒重心后移，后期燃燒比例增加使排氣溫度升高，因此海拔升高會(huì)使CPF再生初始溫升速率略高。隨著再生持續(xù)時(shí)間的推移，CPF再生溫度峰值隨海拔高度的降低而快速升高，0 km海拔時(shí)的再生溫度峰值在大幅升高后呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。在4 km海拔時(shí)，由于顆粒物的氧化速率與氧化量較小，CPF的再生溫度峰值一直都維持在一個(gè)較低水平，其與0 km海拔時(shí)再生溫度峰值的最大差值接近100 K。

圖10 海拔對(duì)CPF再生速率、壓降和再生溫度峰值影響

圖11示出海拔高度對(duì)CPF進(jìn)、出口端的NOx及NO2排放的影響。從圖中可知，海拔升高對(duì)NOx和NO2排放影響較大。隨海拔升高，CPF進(jìn)、出口端的NOx和NO2排放大幅度下降，同時(shí)m(NO2)∶m(NOx)也相應(yīng)降低。與0 km海拔相比，海拔4 km時(shí)CPF出口端的NOx和NO2分別降低了65.9%和69.5%，m(NO2)∶m(NOx)降低幅度約為10.6%。由此表明，海拔升高能有效降低NOx排放，且其對(duì)NO2的降低作用大于對(duì)NO的降低作用。

結(jié)合2.1節(jié)和2.2節(jié)的分析可知，海拔高度對(duì)CPF再生過(guò)程和NO2排放的影響作用中，大氣氧濃度的影響作用占主導(dǎo)，而大氣壓力的影響作用則相對(duì)較弱，但海拔高度對(duì)CPF再生過(guò)程的影響并非是單純大氣氧濃度與大氣壓力影響作用的簡(jiǎn)單疊加關(guān)系。

圖11 海拔高度對(duì)NOx和NO2排放的影響

2.4 高海拔下EGR率對(duì)CPF再生過(guò)程的影響

2.1～2.3節(jié)的研究表明，海拔升高會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)CPF再生性能明顯變差。目前，EGR技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超低NOx排放的重要機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)手段。在高海拔下采用EGR技術(shù)時(shí)，缸內(nèi)氧濃度、燃燒溫度等將進(jìn)一步降低，這對(duì)CPF的高效再生提出了更艱巨的挑戰(zhàn)。因此，深入開(kāi)展高海拔下EGR對(duì)CPF再生過(guò)程的影響規(guī)律研究對(duì)高原低排放柴油機(jī)CPF的開(kāi)發(fā)及其再生優(yōu)化控制具有重要現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)海拔高度為2 km，柴油機(jī)耦合EGR時(shí)的CPF再生特性進(jìn)行了重點(diǎn)研究。計(jì)算方案10，11，12(見(jiàn)表4)是在海拔高度為2 km(對(duì)應(yīng)大氣壓力0.081 MPa，大氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%)時(shí)，其他條件不變，分別模擬EGR率為0%，15%和25%時(shí)CPF的再生過(guò)程，模擬結(jié)果見(jiàn)圖12和圖13。模擬中EGR率的定義為

(19)

圖12示出EGR率對(duì)CPF再生速率及壓降的影響。由圖12可知，在海拔高度為2 km時(shí)，當(dāng)EGR率增至15%后，CPF的再生氧化速率明顯降低，氧化的顆粒物減少，CPF的初始?jí)航到档?。這是因?yàn)镋GR率增大導(dǎo)致循環(huán)回缸內(nèi)的廢氣增多，排氣流量降低，初始?jí)航到档汀０殡S再生時(shí)間的推移，由于EGR率升高使排氣中O2，NO和NO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速下降，從而導(dǎo)致CPF再生性能變差，CPF壓降的降低速率變緩。

圖12 EGR率對(duì)CPF再生速率和壓降的影響

圖13示出EGR率對(duì)CPF進(jìn)、出口端NOx及NO2排放的影響。由圖可知，隨著EGR率由0%增大至25%，由于排氣中O2，NO和NO2三者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，導(dǎo)致CPF進(jìn)口端和出口端的NOx分別降低了42.2%和41.8%，NO2分別降低了57.4%和43.6%。此外，伴隨EGR率的增大，CPF進(jìn)口端m(NO2)∶m(NOx)降低，但CPF出口端的m(NO2)∶m(NOx)變化很小。由此表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的過(guò)程中，EGR率的增大對(duì)NO2的降低作用大于其對(duì)NO的降低作用。

圖13 EGR率對(duì)NOx和NO2排放的影響

3 結(jié)論

a) 隨大氣氧濃度減小，CPF沉積顆粒物的氧化速率和壓降的降低速率都顯著減緩，其進(jìn)、出口兩端的NOx，NO2以及m(NO2)∶m(NOx)呈不同程度降低；相比大氣氧濃度，大氣壓力的變化對(duì)CPF再生過(guò)程的影響作用明顯減弱，同時(shí)對(duì)CPF出口端m(NO2)∶m(NOx)的影響較小；

b) 海拔升高不利于顆粒物再生，但CPF的初始?jí)航岛驮偕鷾囟确逯禍p小，同時(shí)NOx和NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)也顯著降低；海拔對(duì)CPF再生過(guò)程和NO2的影響作用中，大氣氧濃度占主導(dǎo)作用，但并非是大氣氧濃度與大氣壓力影響作用的簡(jiǎn)單疊加關(guān)系；

c) 針對(duì)海拔2 km高原環(huán)境，EGR率增大至15%時(shí)，CPF再生速率和壓降降低速率明顯減緩，同時(shí)進(jìn)、出口端NOx和NO2排放降低，高原環(huán)境下采用EGR進(jìn)一步加劇CPF的再生困難；增大EGR率會(huì)導(dǎo)致CPF進(jìn)口端m(NO2)∶m(NOx)降低，但對(duì)CPF出口端m(NO2)∶m(NOx)影響較?。籈GR率的增大對(duì)NO2的降低作用大于其對(duì)NO的降低作用；

d) 在不同進(jìn)氣充量條件下，加裝CPF都會(huì)導(dǎo)致CPF出口端NO2不同程度顯著升高；因此，需根據(jù)實(shí)際進(jìn)氣充量特性，優(yōu)化CPF催化劑配方與涂覆策略，使其既能為高效再生提供合理的m(NO2)∶m(NOx)，同時(shí)又不會(huì)導(dǎo)致大量NO2的二次排放。

[1] 馬榮,何超,趙龍慶,等. 柴油機(jī)微粒捕集器被動(dòng)再生平衡研究[J]. 車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī),2014(5):75-77.

[2] 田徑,程義琳,劉忠長(zhǎng),等. 柴油機(jī)微粒捕集器降怠速再生過(guò)程載體溫度的控制[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2013,31(2):154-158.

[3] 龔金科,陳韜,鄂加強(qiáng),等. 基于灰燼沉積的微粒捕集器熱再生特性[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2014,32(3):242-248.

[4] 龔金科,龍罡,蔡皓,等. 基于鈰基添加劑的微粒捕集器催化再生研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2011,29(6):515-519.

[5] 李志軍,楊士超,焦鵬昊,等. 催化型微粒捕集器主被動(dòng)再生性能數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(5):37-43.

[6] Rong Ma, Chao He, Jiaqiang Li. The NO2Emission Characteristics of Catalyzed Diesel Particulate Filter Regeneration[C]. SAE Paper 2014-01-2820.

[7] 何超,汪勇,李加強(qiáng),等. 高壓共軌柴油機(jī)燃燒與二氧化氮排放特性研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程,2013,34(1):13-17.

[8] Hsieh M F, Wang J. NO and NO2concentration modeling and observer-based estimation across a diesel engine after-treatment system[J].Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control,2011,133(4):142-149.

[9] 周廣猛,劉瑞林,董素榮,等. 柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究綜述[J]. 車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī),2013(4):1-5.

[10] 黃豪中,蘇萬(wàn)華. 一個(gè)新的用于 HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒研究的正庚烷化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2005,23(1):42-51.

[11] Smith G P, Golden D M , Frenklach M, et al. GRI-mech3.0[CP/OL].[2015-11-25].http://www.me.berkeley.edu/gri.mech/.

[12] Fredriksson J, Bergman M, Golovitchev VI. Modeling the effect of injection schedule change on free piston engine operation[C]. SAE Paper 2006-01-0449.

[13] Schubiger R A, Eberle M K, Boulouchous K. Soot emission from diesel combustion; Russbildung und Oxidation bei der dieselmotorischen Verbrennung[J]. Motortechnische Zei-tschrift,2002,63(5):342-353.

[14] Kirsten Leistner, Andre Nicolle, Patrick Da Costa. Detailed Kinetic Analysis of Soot Oxidation by NO2, NO, and NO+O2[J]. physical chemistry,2012,116:4642-4654.

[15] Johann C, Susanne K. Advanced Simulation Technologies for Diesel Particulate Filters, A Fundamental Study on Asymmetric Channel Geometries[C]. SAE Paper 2007-01-1137.Effects of Intake Charge Parameter on CPF Regeneration

[編輯： 潘麗麗]

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

國(guó)家自然科學(xué)基金(51366007)；云南省院省?？萍己献鲗?zhuān)項(xiàng)(2013ID001)；云南省科技廳面上項(xiàng)目(2013FB019)

沈穎剛(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒過(guò)程及排放控制；shenyinggang@163.com。

陳貴升(1979—)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒過(guò)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