微粒捕集器系統數值模擬研究

張耀武

（呼和浩特職業學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

由于微粒捕集器的實際性能受實際道路工況的影響很大，因此在進行系統數值模擬分析前，應該對實際道路工況進行試驗。在排氣背壓模擬試驗、過濾體微粒捕集模型和排氣阻力模型研究以及道路工況試驗的基礎上，可以對整個微粒捕集器系統進行數值模擬。本文主要利用模型分析微粒捕集器凈化效率、排氣阻力和微粒捕集器壽命的變化規律，對微粒捕集器系統進行數值模擬研究。

1 道路工況試驗

1.1 測試系統的安裝

測試系統在車上的供電，通過DC/AC變換器，將車載24 V直流電轉換為220 V交流電來實現；油門位置信號通過安裝在油門踏板機構上的聯動裝置，轉換為電信號引入車內；排氣煙度信號通過夾在排氣尾管上的取樣管引入車內，再通過排風管導出車外。

1.2 試驗場地的選定

道路試驗的目的是為了盡可能真實地記錄實際行車時的試驗工況，因此，試驗道路的選擇，應盡可能兼顧高中低速道路工況。

1.3 測試結果分析

1.3.1 典型行駛工況下的發動機轉速與負荷率分布

（1）70～90km/h高速行駛工況（高速路）。從圖1中可以看出，在駕駛員經驗模式下，當車輛行駛速度達到90 km/h時，油門位置為50%，發動機轉速達到2 500 r/min，排氣溫度達到近400℃，但消光率還不到15%，這是因為此時的發動機負荷率僅在50%左右，負荷率低意味著循環噴油量小，且轉速較高時的噴射壓力高，燃油霧化好，因而發動機的排煙小。

圖1 高速行駛工況下的測試結果（70～90 km/h）

（2）50～70km/h勻速行駛工況。行駛速度大約為60km/h，這時的發動機負荷率也僅達到40%左右，排氣溫度維持在280℃左右。因為負荷率低，發動機的排氣煙度很小，如圖2所示。

圖2 勻速行駛工況的測試結果（50～70km/h）

（3）30～50km/h緩慢行駛工況。平均車速達到40 km/h時的排氣溫度穩定在280℃，排氣煙度同樣很小，如圖3所示。

1.3.2 對測試結果的統計分析

對全部試驗數據進行統計分析（見圖4）發現，在總數約8000個數據點中，97%的發動機油門位置處于50%以下，其中1/3以上（約36%）的油門位置低于10%。也就是說，在實際的北京城市道路工況下，客車的最主要工況是小負荷工況，負荷率不足10%，高于50%的行駛工況非常少，只有在高速公路上才會出現。

在上述這些道路工況下，發動機的排氣溫度處于150～400℃之間，因為平均負荷率低，發動機的平均排氣溫度也比較低（約為220℃）。考慮到試驗過程中車輛基本處于輕負載狀態，與客車的實際運營狀況相比，負載率可能偏低；因此，實際運營中車輛的平均排氣溫度會高于此溫度，估計接近300℃。

圖3 緩慢行駛工況的測試結果（50～70km/h）

圖4 對測試結果的統計分析

在低負荷工況占優的情況下，有80%的數據點的排氣煙度位于0～10%之間（不透光率，相當于BOSCH煙度0～1.1），雖然大部分工況下看不到排氣中的黑煙（Rb＜1），但仍有1/5的時間可目視到，且在局部工況下的排煙不透光率更高達55%。

2 系統模型假設

在排氣背壓模擬試驗、過濾體微粒捕集模型、排氣阻力模型研究以及道路工況試驗的基礎上，可以對整個微粒捕集器系統進行數值模擬。

對模型中的假設說明如下：

（1）柴油機的排氣流量近似等于進氣流量；

（2）用過濾體排氣阻力近似替代柴油機排氣背壓；

（3）過濾體微粒捕集模型和排氣阻力模型需要加入溫度修正，可以用理想氣體狀態方程來計算；

（4）過濾體是通過逆向噴氣再生的，其再生過程涉及到高壓高速氣體的流動，而且過濾體微粒累積層的脫落過程沒有比較成熟的物理模型來描述，因此用再生效率這個參數來反映再生的效果。

用再生次數來評價微粒捕集器的使用壽命，對過濾體進行了逆向噴氣再生沖擊考核試驗。試驗中排氣溫度保持在300℃左右，反吹再生氣體壓力為0.6MPa，反吹脈沖電磁閥開啟脈寬為0.5 s，再生周期為30s。通過考核試驗，過濾體耐沖擊次數達到4 000次。因此本文的微粒捕集器使用壽命以4000次再生周期內的車輛行駛里程來計算。

3 系統模型分析

整個數值模擬系統的計算流程圖如圖5所示。

圖5 捕集器系統數值模擬流程圖

3.1 模型驗證

為驗證模型的正確性與合理性，對東風八平柴試驗車安裝的逆向噴氣再生微粒捕集器系統進行數值模擬。圖6是高速公路工況下排氣背壓數值模擬分析結果與實際整車試驗結果的對比圖（為2011年10月15日在天津-秦皇島高速公路試驗數據）。

從圖6中可以看出，模擬結果的再生間隔里程與實際試驗的再生間隔里程基本一致，都是30～35km。模擬的排氣背壓上升曲線基本上為線性，這與實際試驗的排氣背壓上升規律基本符合。整個系統的數值模擬基本能夠反映排氣背壓的變化規律，這說明模型有一定可靠性。

圖6 數值模擬結果與整車試驗結果對比圖

表1 不同規格系列過濾體系統模型分析結果

3.2 不同型號過濾體的系統性能分析

對18種規格系列的過濾體進行數值模擬分析，得到的結果如表1。可以看出，18種規格的過濾體的系統壽命基本達到了105km的設計要求，在微粒捕集器系統匹配時，過濾體選型可以根據柴油機的排氣流量和需要達到的凈化效率來確定過濾體型號，然后參考表1就可以確定系統的使用壽命。

3.3 系統壽命分析

3.3.1 再生時排氣背壓的影響

再生時機主要表現為再生時排氣背壓限值，不同的排氣背壓限值對應著不同的柴油機動力損失和油耗上升，此外主要研究不同排氣背壓限值（即再生控制策略）對系統壽命的影響。

圖7為BL2903過濾體微粒捕集器在不同的排氣背壓限值時仿真分析結果。可以看出，排氣背壓限值與系統壽命成線性關系，排氣背壓限值每上升10kPa，系統壽命增加約2×104km。

3.3.2 過濾體凈化效率的影響

過濾體凈化效率決定著微粒捕集器的凈化效率，同時凈化效率也影響微粒累積的速度，從而影響微粒捕集器的壽命。圖8為過濾體不同凈化效率對系統壽命的影響分析圖。

圖7 排氣背壓限值對系統壽命的影響

圖8 過濾體凈化效率對系統壽命的影響

從圖8可以看出，凈化效率越高，系統壽命越短，兩者基本成線性關系。凈化效率每增加10%，系統壽命減小約2×104km。

3.3.3 過濾體再生效率的影響

再生效率是由逆向噴氣再生系統中一系列因素綜合決定的，再生效果的好壞直接影響系統的使用壽命，圖9是過濾體不同再生效率對系統壽命的仿真分析結果圖。可以看出，再生效率越高，系統壽命越長。因此為了延長系統壽命，提高系統的可靠性，研究可靠、高效的再生技術是必要的。再生效率與系統壽命基本成線性關系，再生效率提高10%，系統壽命約增加2×104km。

3.3.4 柴油機微粒排放水平的影響

柴油機微粒排放水平受很多因素影響，如柴油機燃燒狀況、保養水平、車輛使用水平、道路狀況等，本文以每公里微粒排放量來評價排放水平，圖10是排放水平系數對系統壽命的影響曲線。可以看出，微粒排放水平與系統壽命基本成指數關系。當微粒排放量為0.3 g/km（相當于EURO1）時，系統壽命約為105km，可見微粒捕集器受柴油機排放水平的影響很大。當柴油機技術狀況惡化或嚴重超載時，系統壽命會很快下降，因此使用了微粒捕集器的柴油車也應該注意日常維護保養。

4 結束語

本文對道路工況試驗數據進行了整理和統計分析，在此基礎上，對微粒捕集器系統建立了數學物理模型，通過數值試驗與整車試驗對比，驗證了模型的正確性與合理性。

圖9 再生效率對系統壽命的影響

圖10 微粒排放量對系統壽命的影響

根據所建立的系統模型，對影響系統壽命的各因素進行了分析：柴油機排放水平是影響系統壽命的最顯著因素，兩者呈指數關系；再生時排氣背壓限值、過濾體凈化效率和再生效率與系統壽命呈線性關系，對微粒捕集器系統使用壽命有一定的影響。

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