周曉杰，顏伏伍，陳 曠

(1．武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070；2．武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；湖北 武漢 430070)

柴油機(jī)在節(jié)能與CO2排放方面具有汽油機(jī)無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)尾氣中碳?xì)浠衔?HC)和氮氧化物(CO)濃度較低，氮氧化物(NOx)排放量與汽油機(jī)處于同一數(shù)量級(jí)，但微粒物(PM)排放水平為同等汽油機(jī)的30～80倍，是造成霧霾等大氣污染天氣和導(dǎo)致人體疾病的原因之一[1]。在發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況范圍內(nèi)，僅僅采用機(jī)內(nèi)凈化措施，如EGR(exhaust gas recirculation)技術(shù)等來(lái)降低PM排放已逐漸趨于極限，只有對(duì)柴油機(jī)排氣采取后處理凈化措施，才能滿(mǎn)足未來(lái)更為嚴(yán)格的排放法規(guī)。微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)作為一種減低微粒物排放的后處理裝置，能大幅度降低微粒物排放。在我國(guó)，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，要達(dá)到非道路柴油機(jī)國(guó)三以及未來(lái)的國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)用柴油機(jī)國(guó)五及未來(lái)的國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)，微粒捕集器的使用將是必然的措施[2]。

目前，DPF過(guò)濾材料的研究已經(jīng)取得了較大的突破，已開(kāi)發(fā)出很多商品化的過(guò)濾材料，如日本NGK公司研究的壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體，美國(guó)3M公司研究的編織陶瓷纖維過(guò)濾體[3-4]，而微粒捕集器應(yīng)用所面臨的最大挑戰(zhàn)是微粒捕集器再生問(wèn)題，即采取一定的措施清除微粒捕集器內(nèi)的微粒，以恢復(fù)其捕集功能的過(guò)程[5-6]。

筆者基于GT Power軟件，建立柴油機(jī)微粒捕集器仿真模型，在微粒捕集器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下進(jìn)行仿真，分析通道密度、過(guò)濾壁滲透率對(duì)捕集性能的影響；基于噴油提溫再生技術(shù)，建立微粒捕集器噴油提溫再生仿真模型，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。通過(guò)優(yōu)化噴油率和補(bǔ)氣率的配比，縮短完成提溫所需的時(shí)間和提溫峰值溫度。

1 微粒捕集器捕集性能研究

1.1 捕集性能仿真模型建立

基于GT Power軟件建立微粒捕集器捕集性能仿真模型，如圖1所示。該模型包括廢氣入口、廢氣出口、壓力損失輸出和溫度輸出等。微粒捕集器過(guò)濾體直徑為229 mm，通道長(zhǎng)度為305 mm，孔道壁厚為0.31 mm，孔道密度為100 num/inch2,孔隙率為0.48，過(guò)濾壁滲透率為6.7×10-7mm2。

圖1 微粒捕集器捕集性能仿真模型

1.2 通道密度對(duì)捕集性能的影響

改變通道密度，分別仿真計(jì)算通道密度CPSI為50 num/inch2、100 num/inch2、200 num/inch2時(shí)的捕集效率、壓降、過(guò)濾體內(nèi)微粒質(zhì)量和微粒層厚度，仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可知，當(dāng)CPSI為50時(shí)初始捕集效率最低，為0.855；當(dāng)CPSI為200時(shí)，初始捕集效率最高，為0.965;隨著CPSI的增加，初始捕集效率也隨之增加，但最終捕集效率基本相同。從圖2(b)中可知，隨著CPSI的增加，初始?jí)航狄搽S之增加，但壓降上升速度變慢，且在8 130 s附近，CPSI為50的曲線(xiàn)和CPSI為100的曲線(xiàn)相交，此時(shí)壓降為5.92 kPa，如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，CPSI為50的曲線(xiàn)會(huì)在某一時(shí)刻超過(guò)CPSI為200的曲線(xiàn)。從圖2(c)和圖2(d)可知，隨著CPSI的增加，初始過(guò)濾體內(nèi)微粒質(zhì)量基本沒(méi)變化，但隨著時(shí)間的增加，微粒捕集器過(guò)濾體內(nèi)微粒質(zhì)量隨著CPSI的增加而增加，而微粒層厚度隨CPSI的增大而減小。因此CPSI一般取100～200 num/inch2最佳。本文取CPSI為200 num/inch2。

圖2 CPSI對(duì)捕集性能的影響

1.3 過(guò)濾壁滲透率對(duì)捕集性能的影響

分別取過(guò)濾壁的滲透率為6.7E-8 mm2、1.0E-7 mm2、2.0E-7 mm2、6.7E-7 mm2、1.0E-6 mm2、1.0E-5 mm2，分別仿真計(jì)算其捕集效率、壓降、過(guò)濾體內(nèi)微粒質(zhì)量和微粒層厚度，如圖3所示。由圖3(a)可知,隨著過(guò)濾壁滲透率的增加，捕集效率減小，但是總體來(lái)說(shuō)影響不大；由圖3(b)可知，隨著過(guò)濾壁滲透率的增加，壓降減小，且影響較為顯著；由圖3(c)可知，隨著過(guò)濾壁滲透率的增加，過(guò)濾體內(nèi)微粒的質(zhì)量減?。挥蓤D3(d)可知，隨著過(guò)濾壁滲透率的增加，微粒層厚度增加。綜合來(lái)看，過(guò)濾壁滲透率應(yīng)該取1.0E-6 mm2附近，這樣捕集效率基本沒(méi)有降低，而壓降大幅減小，可以減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。因此取過(guò)濾壁滲透率為1.0E-6 mm2。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型建立和校準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)用柴油機(jī)為L(zhǎng)R4A3LR，發(fā)動(dòng)機(jī)型式為直列4缸、增壓中冷、高壓共軌，其主要參數(shù)如表1所示，通過(guò)GT Power建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩的仿真值與實(shí)驗(yàn)值誤差最大為2.8%，且趨勢(shì)相同，因此該模型可用于仿真計(jì)算，可以提取發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下排氣出口的排氣成分、溫度、流量等作為再生系統(tǒng)模型的入口環(huán)境[7-8]。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)表

3 微粒捕集器再生研究

3.1 微粒捕集器再生模型建立

基于GT Power軟件建立微粒捕集器噴油提溫再生模型，模型包括噴油模塊和噴氣模塊以及其他控制模塊，具體模型如圖5所示。噴油模塊和噴氣模塊位于微粒捕集器的前端，再生程序啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)始噴射燃油和補(bǔ)入空氣，通過(guò)燃燒提高排氣溫度以達(dá)到微粒捕集器燃燒溫度，當(dāng)微粒捕集器出口溫度高于823 K時(shí)[9-11]，停止噴油跟噴氣，以此來(lái)完成微粒捕集器再生。實(shí)驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1,扭矩為401 N·m，噴油率為0.6 g/s，補(bǔ)氣率為24 g/s。微粒捕集器的參數(shù)如表2所示。

圖3 過(guò)濾壁滲透率對(duì)捕集性能的影響

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)模型外特性對(duì)比

圖5 微粒捕集器噴油再生模型

3.2 微粒捕集器提溫仿真

在停止噴油跟噴氣前，即當(dāng)微粒捕集器出口溫度高于823 K前，微粒捕集器入口的溫度變化的仿真值與實(shí)驗(yàn)值如圖6所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比，仿真值與實(shí)驗(yàn)值誤差在允許范圍內(nèi)，變化趨勢(shì)相同，且微粒捕集器初始溫度和最終溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本相同，因此該模型可以用于仿真計(jì)算。由圖6可知，微粒捕集器的提溫持續(xù)560 s左右，微粒捕集器入口最高溫度為870.10 K。

表2 微粒捕集器參數(shù)

圖6 微粒捕集器入口溫度變化曲線(xiàn)

3.3 微粒捕集器提溫優(yōu)化

為了進(jìn)一步縮短提溫時(shí)間和提高最高溫度，通過(guò)提高噴油率，能提高微粒捕集器入口溫度，但噴油率增加的同時(shí)，氧氣不足反而會(huì)使沉積的微粒物氧化燃燒速率變慢，因此需要補(bǔ)充氧氣；但氧氣過(guò)多又會(huì)造成微粒捕集器入口溫度的損失，因此合理設(shè)置噴油率跟補(bǔ)充空氣的質(zhì)量非常必要[12]?；贕T SUITE軟件中的DOE(design of experiment)模塊，通過(guò)改變噴油率跟補(bǔ)充空氣的質(zhì)量來(lái)獲得最佳的配比組合。

在微粒捕集器噴油提溫再生模型中，設(shè)置不同的噴油率和補(bǔ)氣率計(jì)算各組噴油補(bǔ)氣配比的提溫助燃效果。仿真結(jié)果如表3所示。

由表3可知，對(duì)比方案一與方案二，噴油率為0.6 g/s時(shí)，隨著補(bǔ)氣率的減少，峰值溫度提高，提溫時(shí)間縮短。因?yàn)樵趪娪吐蕿?.6 g/s時(shí)，過(guò)多的氧氣造成微粒捕集器入口溫度的損失；對(duì)比方案一、方案三、方案四、方案五、方案六，補(bǔ)氣率為24 g/s時(shí)，當(dāng)噴油率從0.6 g/s提高到1.2 g/s時(shí)，峰值溫度隨著噴油率的提高而提高，提溫時(shí)間隨著噴油率的提高而縮短，當(dāng)噴油率從1.2 g/s提高到1.4 g/s時(shí)，因噴油過(guò)多，氧氣不足而造成峰值溫度下降，提溫時(shí)間增加；對(duì)比方案六、方案七、方案八、方案九，噴油率為1.4 g/s時(shí)，補(bǔ)氣率從24 g/s提高到28 g/s時(shí)，峰值溫度隨著補(bǔ)氣率的提高而提高，提溫時(shí)間隨著補(bǔ)氣率的提高而縮短，當(dāng)補(bǔ)氣率從28 g/s提高到30 g/s時(shí)，由于氧氣過(guò)多，峰值溫度下降，提溫時(shí)間增加。因此方案五，即當(dāng)噴油率為1.2 g/s，補(bǔ)氣率為24 g/s時(shí)為最佳方案，此時(shí)峰值溫度最高，為891.91 K，且提溫時(shí)間最短，為511 s。優(yōu)化后的最佳提溫方案比原方案峰值溫度提高21.81 K，提溫時(shí)間減少49 s且滿(mǎn)足微粒捕集器再生要求。

表3 不同的噴油、補(bǔ)氣匹配提溫效果

4 結(jié)論

(1)CPSI值越大，初始捕集效率越高；CPSI值越大，初始?jí)航翟酱?，壓降的上升率越小，這是因?yàn)镃PSI值較低的過(guò)濾體，其通道內(nèi)過(guò)濾壁表面所沉積的顆粒層厚度會(huì)較大，引起較高的壓降。CPSI一般取值100～200 num/inch2最佳。

(2)過(guò)濾壁滲透率對(duì)捕集效率的影響不大，隨著過(guò)濾壁滲透率的增加，壓降減小，因此過(guò)濾壁滲透率取1.0E-6 mm2附近，這樣捕集效率基本沒(méi)有影響且壓降減小明顯。

(3)筆者建立的噴油提溫再生方式具有良好的提溫效果。微粒捕集器噴油提溫再生方式設(shè)計(jì)時(shí)噴油率與補(bǔ)氣率的配比尤為重要，通過(guò)優(yōu)化噴油補(bǔ)氣配比，溫度峰值溫度提高了21.81 K，再生時(shí)間減小了49 s，滿(mǎn)足微粒捕集器再生要求。