柴油機微粒捕集器瞬態再生特性仿真

摘要：建立了基于柴油機微粒捕集器主動再生的GT-Power仿真模型，針對2 200 r/min、100%和1 400 r/min、50%兩種典型工況，對捕集器瞬態再生特性進行了研究。計算結果表明：柴油機由高轉速、大負荷變為低轉速、小負荷的瞬態工況下，微粒捕集器再生時，載體各端溫度曲線呈雙峰狀，載體壁面峰值溫度與穩態相比大大升高；且工況變化時間越短，這種現象越明顯。

關鍵詞：GT-Power；柴油機微粒捕集器；瞬態；再生

中圖分類號：TK421.5 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）04-0021-04

Simulation on Transient Regeneration of Diesel Particulate Filter

HOU Xian-jun1，2，MA Yi1，2，PENG Fu-ming1，2，YAN Fu-wu1，2

（1. School of Automotive Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；

2. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts，Wuhan 430070，China）

Abstract：The active regeneration simulation model of diesel particulate filter was established by GT-Power. The transient regeneration properties of DPF were studied based on two typical working conditions including 1 400 r/min，50% load and 2 200 r/min，100% load. The calculation results show that： When diesel engine operation conditions change from high speed with big load into low speed with small load，the wall temperature carve of filter had double-peak during particulate filter regeneration process. Compared with steady-state conditions，the wall peak temperature of filter increased greatly and the shortness of time as conditions changed. This kind of phenomenon was more obvious.

Key words：GT-Power；diesel particulate filter；transient；regeneration

近年來，隨著環境凈化要求的不斷提高，柴油機瞬態工況下的排放特性日益受到關注［1］。微粒捕集器（DPF）作為柴油機微粒排放最為有效的控制技術，其關鍵是捕集器的再生。目前，柴油機穩態工況下的捕集器再生特性研究已日趨成熟［2-5］，對于瞬態工況下的再生過程研究則較少，而實際的柴油機運行過程中，瞬態工況占整個運行工況的60%～80%［6］，故開展捕集器瞬態再生特性的研究具有重要意義。K.Chen，D.Luss等人［7，8］對柴油機由高速工況變為怠速工況條件下，捕集器瞬態再生溫度響應特性進行了大量仿真研究。本文利用GT-Power軟件建立柴油機及微粒捕集器主動再生仿真模型，對捕集器瞬態再生特性進行了探索性的研究。

1 柴油機模型

表1為計算用柴油機基本參數，建立的柴油機GT-Power模型見圖1，圖2～圖4分別為柴油機外特性下功率、轉矩、有效燃油消耗率的試驗值與仿真計算值的校準圖，可以看出模擬值與試驗值誤差均不超過5%，說明該模型可以準確模擬柴油機運行工況，所建立的柴油機模型是可靠的。通過仿真計算，可以提取柴油機不同工況下排氣出口的邊界條件（排氣溫度、流量、氧濃度等）來作為再生系統模型的入口環境。

2 計算方案

表2為DPF基本參數，圖5為DPF主動再生仿真模型。計算時選取柴油機兩種典型工況（表3），即2 200 r/min、100%負荷（工況1）和1 400 r/min、50%負荷（工況2）進行研究。穩態工況是指再生過程中柴油機運行工況始終為工況1，而再生期間柴油機運行工況由工況1變為工況2則定義為變轉速變轉矩的瞬態工況，變化時間包括5 s、10 s、15 s，分為載體溫度達到峰值之前和之后兩種。考慮到載體較大的熱容量以及采用噴油助燃、電加熱等主動再生方式時載體再生入口溫度有較好的穩定性，瞬態工況下可忽略柴油機排氣溫度的變化對載體升溫的影響。仿真時，載體初始溫度為573 K，再生入口最高溫度為873 K，DPF初始微粒加載密度為10 g/L，計算時間為500 s。

3 計算結果及分析

圖6為柴油機穩態工況與瞬態工況下DPF再生特性對比曲線（Z/L=0表示入口，Z/L=1.0表示出口），從圖中可以看出：

穩態工況下再生時，載體軸向各端的壁面溫度依次達到最高，整個溫度曲線呈單峰狀；載體軸向前端由于微粒燃燒緩慢故溫度較低，同時載體軸向后端峰值溫度高于前端，過濾體峰值溫度為1 237 K（120 s），出現在載體軸向末端。

瞬態工況下再生且工況變化時刻在載體溫度達到峰值之前時，過濾體Z/L=0.3前端溫度曲線呈雙峰狀，第一個波峰溫度值及其出現時間與穩態工況下基本一致，第二個波峰溫度值遠遠高于第一個波峰。與穩態工況相比，載體各端峰值溫度大大升高，且隨著柴油機運行工況變化時間縮短，這種現象越來越明顯，這是因為再生過程中的工況變化會引起載體溫度波動。與工況1相比，工況2排氣氧濃度高而排氣流速低，這樣一方面促進了微粒的燃燒，另一方面降低了載體傳熱損失，導致載體壁面溫度上升。另外，工況變化時間越短，排氣平均氧濃度越高，排氣平均流速越低，因此微粒燃燒更為劇烈。

瞬態工況下再生且工況變化時刻在載體溫度達到峰值之后時，過濾體軸向各端溫度曲線都呈雙峰狀，第一個波峰溫度值及其出現時間與穩態工況下基本一致，過濾體Z/L=0.7前端溫度曲線第二個波峰溫度值遠遠高于第一個波峰。這是因為再生過程中，載體后端微粒燃燒速度最快。當載體溫度達到最高時，載體后端微粒已燃燒殆盡，此時載體前端仍有大量未被氧化的微粒，隨著柴油機運行工況的變化，這些微粒迅速點燃，導致載體壁面溫度再次升高。柴油機運行工況變化時間越短，載體各端溫度曲線的第二個波峰溫度值越高。

4 結論

柴油機穩態工況下微粒捕集器再生時，載體軸向各端的壁面溫度依次達到最高，整個溫度曲線呈單峰狀。柴油機由高轉速、大負荷變為低轉速、小負荷的瞬態工況下，微粒捕集器再生時，載體壁面溫度會發生波動：當工況變化時刻在載體壁面峰值溫度出現之前時，載體壁面峰值溫度大大升高，且隨著工況變化時間的縮短，這種現象越來越明顯；當工況變化時刻在載體峰值溫度出現之后時，載體各端溫度曲線呈雙峰狀，第一個波峰溫度值與穩態工況時基本一致，隨著工況變化時間的縮短，第二個波峰溫度值升高。

參考文獻：

［1］ 冀樹德，賈楨，張偉. 柴油機瞬態特性的臺架模擬［J］. 小型內燃機與摩托車，2010，39（3）：16-18.

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［4］ 李新，顏伏伍，資新運，等. 柴油機排氣加熱燃燒器熱力學特性數字模擬［J］. 燃燒科學與技術，2009，15（6）： 546-550.

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［6］ 張俊智，盧青春. 發動機動態試驗臺混合模擬方法的仿真研究［J］. 內燃機學報，2000（1）：1-5.

［7］ K.Chen，D.Luss. Temperature Excursions in Diesel Particulate Filters： Response to Shift to Idle .Ind.Eng.Chem.Res.2011，50（2）：832–842.

［8］ K.Chen，K.S.Martirosyan，D.Luss. Temperature Excursions during Soot Combustion in a Diesel Particulate Filter. Ind.Eng.Chem.Res.2010，49（21）：10358–10363.