柴油機(jī)顆粒捕集器再生平衡仿真研究

1、第31卷第4期2010年8月內(nèi)燃機(jī)工程ChineseInternalCombustionEngineEngineeringVol.31No.4August.2010文章編號(hào):1000-0925(2010)04油機(jī)顆粒捕集器再生平衡仿真研究樓狄明1,張正興1,譚丕強(qiáng)1,趙泳生1,張瑞峰2(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海201804;2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心,上海201804)SimulationStudyonRegenerationBalanceofDieselParticulateFilterLOUDi2ming1,ZHANGZheng2xing1,TAN

2、Pi2qiang1,ZHAOYong2sheng1,ZHANGRui2feng2(1.SchoolofAutomobile,TongjiUniversity,Shanghai201804,China;2.TechnologyCenterofSAICMotorCorporationLtd.,Shanghai201804,China)Abstract:Asimulationmodelofdieselparticulatefilter(DPF)wasestablishedbasedonGT2Power.TheregenerationprocessofDPFandimpactofexhaustmass

3、flowrateandloadedPMmassonregenerationbalancepointtemperature(BPT)wereinvestigated.Thevalidityofthemodelwasprovedinthesimulationofregenerationprocess.ThesimulationresultsofregenerationBPTshowthatexhaustmassflowrateorloadedPMmass,theregenerationBPTvariesinat,heDPFregenerationbalancecanbereachedonlyina

4、verynarrowtemperatureBPTgoesupwiththeexhaustmassflowrateincreasingandhemassadding.摘要:(DPF)仿真模型,通過模擬計(jì)算對(duì)DPF。首先通過對(duì)DPF。對(duì)再生平衡溫度的模擬計(jì)算結(jié)果表明:在一定排,DPF再生平衡點(diǎn)溫度均在很小的區(qū)間內(nèi)變動(dòng),即DPF的再生過程受溫度影響很大,只在很小的溫度區(qū)間內(nèi)達(dá)到平衡,并且DPF再生平衡溫度隨著排氣流量的增加而升高,隨著顆粒載荷量的增加而下降。關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī);柴油機(jī);顆粒捕集器;再生平衡;溫度;仿真Keywords:ICengine;dieselengine;dieselparticu

5、latefilter(DPF);regenerationbalance;temperature;simulation中圖分類號(hào):TK42415文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0概述近年來,柴油車在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢逐漸得到重視,轎車市場上的柴油化率也逐漸升高,柴油車的CO、HC排放比汽油車低,但顆粒(PM)和NOx排放較高,其中顆粒排放是汽油車的3080倍1?；谶^濾凈化技術(shù)的柴油機(jī)顆粒捕集器是目前公認(rèn)的有效且實(shí)用的柴油機(jī)顆粒后處理技術(shù),它利用過濾體對(duì)排氣中的顆粒物進(jìn)行過濾處理,過濾收稿日期:2008211218基金項(xiàng)目:上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金項(xiàng)目資助(053012009)效率一般情況下可達(dá)60%以上

6、,是目前降低柴油機(jī)顆粒排放的有效手段2,3。隨著顆粒物在過濾體表面和床層的堆積,DPF過濾阻力將增大,使排氣背壓升高,導(dǎo)致柴油機(jī)性能下降。為防止捕集器排氣背壓過高影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能,必須對(duì)堆積在捕集器內(nèi)的顆粒物進(jìn)行清除4,即再生。本文建立了基于GT2Power軟件的壁流式顆粒捕集器的仿真模型,并對(duì)DPF再生過程,排氣流量、顆粒載荷量對(duì)DPF再生平衡點(diǎn)溫度的影響進(jìn)行作者簡介:樓狄明(1963-),男,教授,主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化,E2mail:loudiming。40內(nèi)燃機(jī)工程2010年第4期了模擬計(jì)算。1模型介紹顆粒捕集器的仿真模型如圖1所示。此模型為DPF臺(tái)架試驗(yàn)仿真平臺(tái),通過定

7、義DPF和流入DPF的排氣參數(shù)來研究DPF的再生過程,以及排氣溫度、排氣流量等因素對(duì)再生效果及再生平衡點(diǎn)溫度的影響。模型中DPF的基本參數(shù)設(shè)置如表1所示。過程中過濾體通道內(nèi)溫度變化如圖3所示。由圖3可以看出:過濾體通道內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的溫度都是呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。因?yàn)橥ǖ纼?nèi)的顆粒在達(dá)到起燃溫度后迅速燃燒放出大量熱量,使排氣溫度急劇上升;在顆粒完全氧化,即再生結(jié)束后,放熱停止,溫度便急劇下降。過濾體通道內(nèi)各位置的溫度由入口開始至末端依次達(dá)到各自的最大值,即入口處的顆粒物最先達(dá)到起燃溫度;過濾體通道內(nèi)的最高溫度出現(xiàn)在通道的末端,并且由入口開始向后各點(diǎn)的溫度峰值逐漸升高。因?yàn)檫^濾體通道前端顆粒燃燒釋放的

8、熱量向后端傳輸,導(dǎo)致末端在再生過程中所達(dá)到的峰值溫度高于前端。圖1DPF仿真模型示意圖表1DPF模塊基本物理參數(shù)項(xiàng)目過濾體直徑/mm通道長度/mm通道寬度過濾壁厚/通道密度/(cm-2)微孔直徑/mm孔隙率干凈過濾壁滲透率/mm2參數(shù)1801.50.315150.01250.486.7×10-13圖3再生過程中通道內(nèi)溫度變化圖4為再生過程中過濾體通道內(nèi)的顆粒層厚度變化趨勢。從圖4可以看出:各點(diǎn)的顆粒層厚度在達(dá)到起燃溫度后迅速下降,并且最終顆粒層厚度為0,即排氣溫度為750K時(shí),DPF可以完全再生。顆為分析再生過程中過濾體通道內(nèi)溫度、顆粒層厚度等參數(shù)的變化趨勢,在通道內(nèi)選取從入口到通道

9、末端等間隔分布的6個(gè)點(diǎn),并在模擬計(jì)算時(shí)對(duì)通道內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析,如圖2所示。粒層厚度由入口位置開始至通道末端各點(diǎn)依次下降,并且遠(yuǎn)離入口的點(diǎn)顆粒層厚度下降速率較快。這是因?yàn)榭拷肟诘狞c(diǎn)先達(dá)到起燃溫度,最先發(fā)生再生反應(yīng),而遠(yuǎn)離通道的點(diǎn)由于對(duì)流和傳導(dǎo)帶來的熱量使得溫度升高更快并且溫度更高,因此顆粒層厚度下降也更迅速,這與溫度變化的趨勢一致。以上模擬計(jì)算結(jié)果表明:此模型可以準(zhǔn)確地反映DPF再生過程,因此可以基于此模型對(duì)再生平衡點(diǎn)溫度進(jìn)行研究5。3再生平衡點(diǎn)溫度圖2再生通道內(nèi)采集位置點(diǎn)的分布2再生過程仿真分析柴油機(jī)顆粒捕集器再生的平衡點(diǎn)溫度(balancepointtemperature,BPT

10、)是指在排氣流量一定的情況下,顆粒氧化燃燒速率等于顆粒物沉積速率時(shí)的排氣溫度。當(dāng)捕集器處于再生平衡點(diǎn)時(shí),捕集器內(nèi)顆粒的質(zhì)量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,排氣背壓保持穩(wěn)定?？梢娫偕胶恻c(diǎn)溫度是捕集器內(nèi)顆粒質(zhì)量、排氣背壓模擬仿真的初始條件設(shè)定如下:過濾體溫度585K,排氣流量240kg/h,排氣中氧濃度11%,模擬計(jì)算時(shí)間為200s。排氣溫度設(shè)定為750K時(shí),再生2010年第4期內(nèi)燃機(jī)工程41圖4通道內(nèi)顆粒層厚度變化升高還是降低的臨界值,對(duì)于研究DPF再生過程有重要意義。因此,本文對(duì)DPF再生的平衡點(diǎn)溫度進(jìn)行模擬計(jì)算,并分析影響平衡點(diǎn)溫度的因素。3.1排氣流量對(duì)平衡溫度點(diǎn)的影響首先對(duì)排氣流量對(duì)再生平衡點(diǎn)溫度的影響

11、進(jìn)行模擬計(jì)算。定義捕集器初始顆粒物載荷為15g,排氣中顆粒物質(zhì)量濃度為18.5×10-6。以圖中顆粒質(zhì)達(dá)到再生平衡的判斷依據(jù)。下,通過調(diào)整排氣溫度,。200、220、240和260kg/h時(shí)DPF的再生平衡情況進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果如圖5圖8所示。575.0K。由圖5圖8可以看出:排氣流量一定時(shí),圖5排氣流量為200kg/h的再生平衡情況模擬計(jì)算結(jié)果顯示:在排氣流量為200kg/h時(shí),平衡點(diǎn)溫度區(qū)間為56810569.5K;排氣流量為220kg/h時(shí),平衡點(diǎn)溫度區(qū)間為570.5571.8K;排氣流量為240kg/h時(shí),平衡點(diǎn)溫度區(qū)間為572.5573.5K;排氣流量為260kg/h時(shí),

12、平衡點(diǎn)溫度區(qū)間為574.3顆粒質(zhì)量變化曲線和壓降變化曲線的斜率只能近似于零,微小的溫度變化即可改變斜率的正負(fù)性,即再生平衡點(diǎn)溫度的變化區(qū)間很小。為考察不同排氣流量下DPF再生平衡點(diǎn)溫度的變化,對(duì)排氣流量分別為200、220、240和260kg/h時(shí),再生平衡點(diǎn)溫度分布區(qū)間及其均值變化的趨勢進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖9所示。42內(nèi)燃機(jī)工程2010年第4期圖9不同排氣流量再生平衡點(diǎn)溫度變化從圖9可知,再生平衡點(diǎn)的溫度分布區(qū)間很小,各再生平衡點(diǎn)的溫度變化區(qū)間均在1.5內(nèi);隨著排氣流量的增加,再生平衡點(diǎn)溫度呈線性增長趨勢,排氣流量每增加20kg/h,再生平衡點(diǎn)溫度上升約2。分析認(rèn)為,其原因是排氣流量較大時(shí)

13、,通道內(nèi)的對(duì)流換熱損失增大,導(dǎo)致DPF需要較高的溫度才能達(dá)到再生平衡,即再生平衡點(diǎn)溫度較高;此外,隨著排氣流量的增加,再生平衡點(diǎn)溫度只有小幅上升,說明排氣流量對(duì)DPF再生過程的影響不大。3.2顆粒物載荷量對(duì)平衡點(diǎn)溫度的影響計(jì)算中,為了調(diào)整出再生平衡,設(shè)置了2個(gè)再生平衡點(diǎn)變化曲線可知,略大于零,。因?yàn)樵谠偕^程中顆粒捕集和再生同時(shí)發(fā)生,顆粒沉積速率與再生速率之間的差異會(huì)造成顆粒載荷量略微改變。因此再生沒有達(dá)到平衡時(shí),捕集器內(nèi)顆粒物的質(zhì)量是不斷變化的。隨著時(shí)間的推移,如果顆粒沉積速率大于再生速率,那么顆粒載荷量會(huì)上升,反之,顆粒載荷量就會(huì)下降。因此認(rèn)為造成2個(gè)再生平衡點(diǎn)壓降及顆粒質(zhì)量變化曲線斜率差

14、異的原因是顆粒載荷量的變化。為了考察顆粒載荷量對(duì)DPF再生過程的影響,本文通過模擬計(jì)算對(duì)顆粒載荷量對(duì)平衡點(diǎn)溫度的影響進(jìn)行了研究。設(shè)定排氣流量為240kg/h,觀察顆粒載荷量分別為10、12.5、15、20g時(shí)的再生情況。仿真結(jié)果如圖10圖13所示。從圖10圖13可看出:在一定的顆粒載荷量下,再生平衡點(diǎn)溫度變化區(qū)間很小,在1.5以內(nèi)。壓降變化曲線與顆粒質(zhì)量變化曲線的斜率只能接近零,微小的溫度變化即可使曲線斜率的正負(fù)發(fā)生改變。不同顆粒載荷情況下DPF平衡點(diǎn)溫度的變化情況如圖14所示。2010年第4期內(nèi)燃機(jī)工程43流量越高,DPF再生平衡點(diǎn)溫度也略高。(3)顆粒載荷量一定時(shí),捕集器再生平衡點(diǎn)溫度變化

15、區(qū)間也很小,在11.5之間;隨著捕集器內(nèi)顆粒載荷量的增加,再生平衡點(diǎn)溫度逐漸下降。參考文獻(xiàn):1龔金科,賴天貴,劉孟祥,等.柴油機(jī)微粒捕集器過濾材料與再生方法分析與研究J.柴油機(jī),2004,6(3):122.GongJK,LaiTG,LiuMX,etal.AnalysisandresearchoffiltermaterialsanditsregenerationofdieselparticulatefilterJ.DieselEngine,2004,6(3):122.2朱天樂,王建昕,傅立新,等.柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)J.車用圖14不同顆粒載荷量再生平衡點(diǎn)溫度變化由圖14可見,再生平衡點(diǎn)溫度隨著顆

16、粒載荷量的增加而下降,并具有較好的線性,顆粒載荷量每增加2.5g,再生平衡點(diǎn)溫度下降約2。分析其原因,一方面顆粒載荷量增加造成捕集器壓降的升高,流通阻力增加,因此顆粒氧化燃燒釋放的熱量不易散失;另一方面,顆粒載荷越多,在一定溫度下某一時(shí)刻參與氧化的顆粒量也越多,釋放的熱量也更多,而當(dāng)捕集到的顆粒質(zhì)量不變時(shí),那么在顆粒載荷量較多的情況下較低的氧化燃燒程度就能達(dá)到再生平衡,因此再生平衡溫度點(diǎn)較低。4結(jié)論(1)發(fā)動(dòng)機(jī),2002(6):125.ZhuTL,WangJX,FuLX,etal.AstudyonaftertreatmentofdieselengineemissionsJ.VehicleEng

17、ine,2002(6):125.3JohnsonJH,BagleyST,GratzLD,etal.AreviewofdieselparticulatecontroltechnologyandemissioneffectsC/SAE940233,1994.4譚丕強(qiáng),胡志遠(yuǎn),樓狄明,等.顆粒捕集器再生技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢J.):629.TanP,Hu,etAreviewofregenerationforJ.VehicleEngine,(5)9.,鄂加強(qiáng),等.柴油機(jī)微粒捕集器加熱再生過程的數(shù)值模擬J.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,35(6):14220.GongJK,LiuYQ,EJQ

18、,etal.Numericalsimulationofpy2rogenationregenerationprocessinparticulatefilterofvehicle,dieselJ.JournalofSouthChinaUniversityofTechnology:次達(dá)到最高溫度點(diǎn),并且通道后端的最高溫度高于NaturalScienceEdition,2007,35(6):14220.前端。(2)排氣流量一定時(shí),捕集器再生平衡點(diǎn)溫度(編輯:張妍)變化區(qū)間很小,在11.5之間;同等條件下,排氣(上接第38頁)tionJ.JournalofJiangsuUniversity:NaturalScienceEdition,2006,27(6):5012504.6EliassonB,Kogelsahatz