進氣充量特征參數對CPF再生過程的影響

沈穎剛， 楊杰， 陳貴升， 陳朝輝， 彭勁松

(1. 昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室， 云南 昆明 650500； 2． 云內動力股份有限公司， 云南 昆明 650217)

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進氣充量特征參數對CPF再生過程的影響

沈穎剛1， 楊杰1， 陳貴升1， 陳朝輝1， 彭勁松2

(1. 昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室， 云南 昆明 650500； 2． 云內動力股份有限公司， 云南 昆明 650217)

利用AVL BOOST,FIRE軟件分別構建了D19高壓共軌柴油機的一維仿真模型和催化型顆粒捕集器(CPF)三維模型，研究了不同進氣特征參數對CPF再生過程的影響規律。計算結果表明：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、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CPF再生過程的影響是大氣氧濃度與大氣壓力的綜合效應，其中大氣氧濃度占主導作用；針對海拔2 km高原環境，EGR率增大至15%時，CPF再生性能已明顯減弱，高原環境下采用EGR進一步加劇CPF的再生困難；EGR率對NO2的降低作用大于其對NO的降低作用。

進氣特征參數； 催化型顆粒捕集器； 再生； 顆粒； 排放

柴油機由于功率大、動力性和經濟性好等優點而得到廣泛應用。顆粒捕集器(DPF)作為目前公認最有效的柴油機顆粒物后處理凈化裝置之一，其再生技術是亟待解決的重要難題[1-2]。柴油機在大部分運行工況下都難以依靠其自身排氣溫度直接對DPF進行再生，而催化再生技術是實現其連續再生的有效措施[3-4]。催化型顆粒捕集器(CPF)通過在過濾體內部涂覆催化劑，使其具備顆粒捕集與催化再生兩大功能。采用CPF這種結構簡單、對再生外熱源依賴度降低的顆粒捕集器對于柴油轎車和輕型商用車等車型具有極大的應用優勢[5-6]。

EGR是降低NOx最有效的措施之一，采用EGR控制NOx并結合CPF控制顆粒的技術路線對柴油機實現超低排放具有極大潛力。CPF利用NO2的強氧化性可將過濾沉積的炭煙(Soot)氧化，但若生成的NO2過多或反應不完全，則會導致尾氣中的NO2排放大幅增加[7-8]。研究發現，大氣環境對柴油機運行性能有極大影響。隨海拔高度增加，大氣壓力與大氣氧濃度等關鍵環境參數同時快速降低[9]，這將加劇柴油機Soot的生成并降低排氣中O2和NO2質量濃度，進而密切影響CPF的再生性能。基于EGR結合CPF的技術路線，大氣環境和EGR率二者的綜合效應將會進一步影響CPF的再生性能。因此，深入研究大氣環境參數與EGR率對CPF再生過程的影響規律具有重要意義。

通過構建D19高壓共軌柴油機一維仿真模型，研究了不同進氣條件下柴油機排氣特性參數的變化規律。在此基礎上利用AVL FIRE構建了CPF的三維仿真模型，并耦合Soot詳細再生機理，將一維模擬中的排氣參數作為三維模擬的邊界條件，研究了柴油機不同進氣特征參數(大氣環境參數、EGR率)對CPF再生過程的影響規律，分析了CPF出口處的NO2排放特性，為不同海拔環境下低排放柴油機CPF的再生優化控制提供理論與工程指導。

1 模型的構建與驗證

1.1 模型的選擇與構建

利用AVL BOOST耦合柴油替代物簡化動力學機理，構建了帶有CPF的D19共軌柴油機一維仿真耦合模型(見圖1)，試驗發動機主要技術參數見表1。一維計算模型中的燃燒模型采用AVL MCC模型，Soot計算模型采用Schubiger模型[13]。柴油替代物簡化機理采用黃豪中[10]提出的正庚烷簡化動力學模型(其中包含NO生成機理)。由于排氣中NO2對顆粒捕集器再生極為重要，因此在該正庚烷簡化動力學模型中增補了NO和NO2之間的轉換反應[11-12]。具體反應式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

通過一維仿真耦合模型研究了不同進氣條件下柴油機排氣參數的變化規律，得到了不同進氣條件下柴油機排氣溫度、排氣流量及排氣組分等參數，為三維CPF模擬提供準確的初始邊界條件。

圖1 帶有CPF的D19柴油機一維仿真模型

型式直列、四沖程、增壓中冷燃油噴油系統BOSCH高壓共軌發動機排量/L1.5缸徑/mm80行程/mm92缸數/4排量/L1.9燃燒室型式ω型壓縮比18.5∶1最大扭矩/N·m235最大扭矩轉速/r·min-12200標定功率/kW82標定功率轉速/r·min-14000

圖2示出根據實際的CPF物性參數，采用AVL FIRE構建的CPF三維仿真計算模型。根據模型劃分空間網格，該模型共計253 884個計算網格，網格形式為精度較高的空間六面體網格，并通過定義CPF載體、入口、出口以及連接面等，使該模型盡可能準確地模擬實物。CPF模型主要物性參數見表2。在正常柴油機排氣溫度下O2難以有效氧化Soot，而CPF在過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再生方式為連續被動再生，基于AVL FIRE中用戶自定義模塊，編譯了文獻[14]中的Soot詳細再生機理。該機理涉及了Soot與O2，NO2，NO以及NO+O2的多步反應，并包含了Soot氧化過程中產生的中間產物。具體相關反應如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

圖2 CPF三維仿真模型

材質碳化硅載體直徑/mm143載體長度/mm152目數/目·cm-247孔道壁厚/mm0.4318載體密度/kg·m-31500

與AVL FIRE自帶的Soot再生機理進行模擬對比，計算發現該機理具有更加全面、預測精度高等優點。因此，采用該Soot詳細再生機理能夠更為準確地模擬和預測柴油機CPF中Soot的再生規律。

1.2 模型的驗證

模擬計算工況選擇2 200 r/min(最大扭矩轉速)，75%負荷工況點。實際運行中，該工況采用單次噴射，噴油壓力為150 MPa，噴油定時為上止點前7° 曲軸轉角，每循環噴油量約為37 mg。

圖3示出發動機在計算工況點(2 200 r/min，75%負荷)時，缸內壓力和瞬時放熱率的試驗值與一維仿真模擬值對比。圖4示出2 200 r/min時，不同負荷下輸出扭矩、NOx排放、Soot比排放量以及排氣溫度(渦后溫度)的試驗值與模擬值對比。

圖3 缸內壓力和放熱率試驗值與模擬值的對比

圖4 發動機燃燒性能和排放對比

由圖3、圖4可知，缸內壓力、瞬時放熱率、輸出扭矩以及NOx排放的模擬值與試驗值重合度較高，Soot比排放和排氣溫度的模擬值與試驗值的變化趨勢總體一致。因此，構建的柴油機一維仿真耦合模型的計算結果較為準確，預測能力較好，能夠滿足對真實發動機工作過程的仿真需求。

本研究所構建的三維CPF模型載體物理參數與文獻[15]中CPF載體物理參數完全一致(主要參數見表2)。借助文獻中的試驗數據對該CPF模型及Soot詳細再生機理耦合模型進行驗證。文獻中CPF進口氣體質量流量為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三維模型模擬結果與文獻中試驗結果的對比。從圖5可知，在Soot加載初期階段，CPF壓降增速較快，這是因為Soot主要沉積在CPF多孔的過濾壁面上；隨著時間推移，CPF壓降增速變緩，這是由于此階段Soot主要沉積在炭餅層上，表現出更小的壓降梯度。此外，CPF壓降的模擬值稍高于試驗值，當Soot累積量較大時，模擬值與試驗值相差增大，但二者的變化趨勢總體保持一致。因此，該三維CFD仿真模型可用于對真實CPF再生過程的預測研究。

圖5 CPF壓降隨Soot累積量的變化趨勢

2 計算結果與分析

進氣特征參數不同導致發動機排氣參數變化主要體現在排氣流量、排氣溫度與組分這3個關鍵因素上。通過模擬計算研究進氣邊界參數(大氣氧濃度、大氣壓力、海拔高度、EGR率)對排氣中這3個主要因素的影響，以此來反映不同進氣充量參數對CPF再生特性的影響規律。模擬計算工況選擇2 200 r/min，75%負荷工況點。具體計算方案見表3和表4。

表3 主要模擬方案及其計算參數

表4 不同EGR率時主要模擬參數

2.1 不同海拔大氣氧濃度對CPF再生過程的影響

表3中方案1，2，3是在大氣壓力為0.081 MPa(對應海拔2 km時的大氣壓力)、CPF初始加載顆粒物質量濃度為10 kg/m3的條件下，保證其他參數不變，僅改變進氣氧質量分數(增壓器壓氣機進口前)，模擬對比大氣氧質量分數分別為23%，20%和16.3%(對應海拔0 km，2 km和4 km時的大氣氧質量分數)時的CPF再生過程，計算結果見圖6和圖7。

圖6示出大氣氧濃度對CPF氧化再生速率和壓降的影響。從圖6a可知，當大氣氧質量分數為23%和20%時，CPF內沉積顆粒物迅速減少。伴隨再生時間的推移，CPF再生速率呈現先迅速升高再降低的變化趨勢，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。當大氣氧質量分數為16.3%時，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質量分數的同時增加(見表3)，導致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CPF再生速率和壓降的影響

圖7示出大氣氧濃度對CPF進口端和出口端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排放相比其進口端增加量逐漸增大，在大氣氧質量分數為16.3%時，CPF進、出口端NOx排放差異較小。從圖7b可知，相比進口端，CPF出口端的NO2以及NO2與NOx質量比m(NO2)∶m(NOx)急劇增大。大氣氧質量分數為23%時，CPF出口端的NO2質量分數和m(NO2)∶m(NOx)較進口端分別增加約3.80×10-4和0.417，對應增加倍數約為25.5和21.7。由此表明，發動機加裝CPF后會導致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。導致上述現象的主要原因是：排氣中的NO與O2在CPF內催化劑的作用下快速反應生成大量NO2，同時生成的NO2與顆粒氧化反應還原成NO，然后NO循環氧化再產生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進口端的NOx和NO2排放降低，加之排氣中O2濃度的減少，導致CPF出口端的NOx和NO2質量分數顯著降低，但大氣氧濃度對m(NO2)∶m(NOx)的降低作用則相對較小。總的來說，大氣氧濃度對CPF再生過程具有較大影響，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 進氣氧濃度對NOx和NO2排放的影響

2.2 不同海拔大氣壓力對CPF再生過程的影響

方案4，5，6(見表3)是在大氣氧質量分數為20%(對應海拔2 km時的大氣氧質量分數)、CPF初始加載顆粒物質量濃度為10 kg/m3條件下，保證其他參數不變，僅改變進氣壓力(增壓器壓氣機進口前)，模擬對比大氣壓力分別為0.101，0.081，0.062 MPa(分別對應海拔0,2,4 km時的大氣壓力)時的CPF再生過程，計算結果見圖8和圖9。

圖8 大氣壓力對再生速率和壓降的影響

圖9 大氣壓力對NOx和NO2排放的影響

圖8示出大氣壓力對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初始壓降明顯減小，不同大氣壓力條件下的CPF再生規律趨于一致。這是因為發動機進氣流量隨大氣壓力的降低而減小，從而使排氣流量減少，在保證過濾體結構與參數不變的條件下，排氣流量降低會導致排氣流經過濾體過程中產生的阻力減小，因此CPF的壓降則降低。

圖9示出大氣壓力對CPF進、出口端的NOx及NO2排放的影響。由圖9可知，相比CPF進口端的初始值，其出口端的NOx與NO2質量分數以及m(NO2)∶m(NOx)都呈現不同程度增大，其變化趨勢與2.1節基本一致。此外，隨大氣壓力減小，CPF進、出口端NOx，NO2質量分數降低，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CPF再生過程的影響作用顯著減弱。

2.3 海拔高度對CPF再生過程的影響

方案7，8，9(見表3)是在CPF初始加載顆粒物質量濃度為10 kg/m3的條件下，對海拔分別為0，2，4 km(同時改變壓氣機前的進氣氧濃度與進氣壓力)時的CPF再生過程進行模擬計算，結果見圖10和圖11。

由表3可知，海拔高度增加會導致發動機進氣參數和排氣參數產生較大變化。隨著海拔升高，發動機排氣流量降低，排氣溫度升高，排氣中O2，NO和NO2三者的質量濃度顯著降低。因此，海拔高度對CPF再生過程的影響是多因素綜合作用結果。

圖10示出不同海拔(大氣壓力與氧濃度同時變化)對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，發動機排氣中O2，NO和NO2三者質量濃度同時減小，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，CPF中顆粒物的氧化速率極低，氧化量極少。由圖10b可知，海拔升高使進氣壓力減小，排氣流量減少，CPF的初始壓降降低，但隨再生時間的推移，CPF再生性能較差導致其再生結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致發動機進氣流量減少，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，因此海拔升高會使CPF再生初始溫升速率略高。隨著再生持續時間的推移，CPF再生溫度峰值隨海拔高度的降低而快速升高，0 km海拔時的再生溫度峰值在大幅升高后呈現降低的變化趨勢。在4 km海拔時，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較低水平，其與0 km海拔時再生溫度峰值的最大差值接近100 K。

圖10 海拔對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CPF進、出口端的NOx及NO2排放的影響。從圖中可知，海拔升高對NOx和NO2排放影響較大。隨海拔升高，CPF進、出口端的NOx和NO2排放大幅度下降，同時m(NO2)∶m(NOx)也相應降低。與0 km海拔相比，海拔4 km時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NO2的降低作用大于對NO的降低作用。

結合2.1節和2.2節的分析可知，海拔高度對CPF再生過程和NO2排放的影響作用中，大氣氧濃度的影響作用占主導，而大氣壓力的影響作用則相對較弱，但海拔高度對CPF再生過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單疊加關系。

圖11 海拔高度對NOx和NO2排放的影響

2.4 高海拔下EGR率對CPF再生過程的影響

2.1～2.3節的研究表明，海拔升高會導致柴油機CPF再生性能明顯變差。目前，EGR技術是實現超低NOx排放的重要機內凈化技術手段。在高海拔下采用EGR技術時，缸內氧濃度、燃燒溫度等將進一步降低，這對CPF的高效再生提出了更艱巨的挑戰。因此，深入開展高海拔下EGR對CPF再生過程的影響規律研究對高原低排放柴油機CPF的開發及其再生優化控制具有重要現實意義。針對海拔高度為2 km，柴油機耦合EGR時的CPF再生特性進行了重點研究。計算方案10，11，12(見表4)是在海拔高度為2 km(對應大氣壓力0.081 MPa，大氣氧質量分數20%)時，其他條件不變，分別模擬EGR率為0%，15%和25%時CPF的再生過程，模擬結果見圖12和圖13。模擬中EGR率的定義為

(19)

圖12示出EGR率對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，當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的初始壓降降低。這是因為EGR率增大導致循環回缸內的廢氣增多，排氣流量降低，初始壓降降低。伴隨再生時間的推移，由于EGR率升高使排氣中O2，NO和NO2的質量分數快速下降，從而導致CPF再生性能變差，CPF壓降的降低速率變緩。

圖12 EGR率對CPF再生速率和壓降的影響

圖13示出EGR率對CPF進、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NO2三者的質量分數顯著降低，導致CPF進口端和出口端的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，在發動機缸內燃燒的過程中，EGR率的增大對NO2的降低作用大于其對NO的降低作用。

圖13 EGR率對NOx和NO2排放的影響

3 結論

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、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CPF再生過程的影響作用明顯減弱，同時對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的初始壓降和再生溫度峰值減小，同時NOx和NO2質量分數也顯著降低；海拔對CPF再生過程和NO2的影響作用中，大氣氧濃度占主導作用，但并非是大氣氧濃度與大氣壓力影響作用的簡單疊加關系；

c) 針對海拔2 km高原環境，EGR率增大至15%時，CPF再生速率和壓降降低速率明顯減緩，同時進、出口端NOx和NO2排放降低，高原環境下采用EGR進一步加劇CPF的再生困難；增大EGR率會導致CPF進口端m(NO2)∶m(NOx)降低，但對CPF出口端m(NO2)∶m(NOx)影響較小；EGR率的增大對NO2的降低作用大于其對NO的降低作用；

d) 在不同進氣充量條件下，加裝CPF都會導致CPF出口端NO2不同程度顯著升高；因此，需根據實際進氣充量特性，優化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)，同時又不會導致大量NO2的二次排放。

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[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

國家自然科學基金(51366007)；云南省院省校科技合作專項(2013ID001)；云南省科技廳面上項目(2013FB019)

沈穎剛(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向為柴油機燃燒過程及排放控制；shenyinggang@163.com。

陳貴升(1979—)，男，副教授，博士，主要研究方向為柴油機燃燒過程及排放控制；cgs_yly@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.011

TK421.5

B

1001-2222(2016)02-0058-08