柴油機顆粒過濾器再生性能仿真研究

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

引言

霧霾天氣從2013 年開始頻繁出現，為改變這種污染狀況，我國采取了一系列的大氣污染防治措施，包括對機動車排放進行控制。有研究表明，機動車排放中的PM 和NOx是引起霧霾的原因之一[1-2]。據統計，2018 年，我國機動車數量已達到3.27 億輛，其中汽車2.4 億輛。按燃料類型分類，柴油車占9.1%。但柴油車的NOx排放量接近汽車NOx排放總量的70%，PM 排放占汽車PM 排放總量的90%以上[3]。這些排氣污染物污染大氣環境，危害人體健康[4]。2018 年發布的GB17691-2018 重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[5]（簡稱重型柴油車國Ⅵ排放標準）對于顆粒物排放的要求更加嚴格，使得汽車企業必須依靠后處理裝置來達到排放限值標準。

顆粒過濾器（DPF）是削減顆粒物排放的一種裝置，但DPF 必須具有良好的過濾性能和再生性能，才能有效削減顆粒物[6]。本文利用GT-Power 軟件，建立了壁流式顆粒過濾器[7-8]的仿真模型。確定了顆粒過濾器再生性能評價指標，研究了不同因素對評價指標的影響，為整車DPF 的設計和再生條件的確定提供了理論支撐。

1 DPF 仿真模型的建立

顆粒過濾器的原理是利用過濾材料對尾氣中的顆粒物進行過濾，從而降低顆粒物排放。壁流式顆粒過濾器（WF-DPF）是其中的一種類型。在WF-DPF的工作過程中，顆粒物不斷沉積，當沉積達到一定程度時，會對發動機的排氣產生較大阻力，也就是排氣背壓升高，會降低柴油機的動力性和經濟性。此時，必須對過濾的顆粒物進行清除，使發動機恢復原有的背壓，該過程叫再生[9]。而恢復效率的高低則用再生性能來表示。

WF-DPF 再生模型利用數學方程來描述顆粒物被氧化去除的過程。整個再生過程包括尾氣流動、顆粒物燃燒、熱量傳輸和質量傳輸等。根據過濾器結構及顆粒物燃燒的特點對模型進行以下假設：

1）氣體在過濾器中的停留時間很短，可以看做準穩態過程；

2）累積的顆粒物成分為純碳，且均勻分布在壁面上；

3）過濾器入口通道內的氣體流速、溫度和濃度在徑向上沒有變化；

4）進入過濾器的氣體分布均勻，且各通道累積的碳煙分布相同。

本文所研究的顆粒過濾器使用銅基催化劑，加載的碳煙在過濾器中均勻分布。利用GT-Power 建立過濾器再生性能仿真模型如圖1 所示。

圖1 壁流式顆粒過濾器再生仿真模型

模型所包括的主要模塊[10]有壁流式顆粒過濾器、尾氣進入、尾氣排出、進氣溫度輸出、壁面溫度輸出、排氣溫度輸出和殘留碳煙質量等7 部分。模擬時主要參數設置見表1。

表1 模型基本參數

2 影響再生性能因素分析

WF-DPF 的再生本質上是將過濾器內沉積的微粒燃燒清除，使WF-DPF 和發動機能夠以良好的性能持續工作。再生過程主要涉及到化學反應，也就是WF-DPF 中沉積的顆粒被氧化。影響再生的因素有初始沉積的顆粒物密度、排氣體積流量、排氣中的氧氣濃度和排氣溫度等。在再生過程最直觀的表現是釋放大量的熱量，使得過濾器溫度升高，微粒質量減少。所以，再生性能的評價指標為壁面峰值溫度和過濾器中顆粒物殘留量。壁面峰值溫度越低，再生過程的時間越短，再生性能越好。

建模時，將過濾器長度L 平均分成10 段，測量點位置的長度為Z，則所有測量點位置分別為Z/L=0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 和1.0，所謂的壁面峰值溫度就是這11 個位置中壁面溫度的最高值[11]。顆粒物殘留量表示再生過程中過濾器內剩余的顆粒物質量，通過該指標可以反映出再生時間的長短。本文設定模擬時間為600 s，對于600 s 以后的情況不做分析。

2.1 初始沉積的顆粒物密度對再生性能的影響

初始沉積的顆粒物密度表示在再生過程開始前，單位體積WF-DPF 中所加載的顆粒物質量，為總的顆粒物質量與WF-DPF 總體積之比。模擬中，WFDPF 總體積為24.73 L，初始沉積的顆粒物密度分別取1、2、3、4 g/L，其他初始參數及初始條件不變，模擬結果如圖2 所示。

圖2 初始沉積的顆粒物密度對壁面峰值溫度和顆粒物殘留量的影響

從圖2a 可以看出，壁面峰值溫度隨著初始沉積的顆粒物密度的增大而升高。當顆粒物密度為4 g/L 時，最大壁面峰值溫度達到527 ℃；過了最大值后，壁面峰值溫度開始下降，最終與尾氣溫度一致。

從圖2b 可以看出，初始沉積的顆粒物密度越大，再生所需的時間越短。但再生時間隨密度的變化幅度較小，所有情況下的再生時間都集中在300～400 s 之間。在時間相近的基礎上，初始沉積的顆粒物密度越大，顆粒物總質量越高，再生效率也就越高。因此，初始沉積的顆粒物密度較大時，再生的時間較短，再生效率較高；但初始沉積的顆粒物密度過大時，會提高壓降，不僅會降低柴油機的工作性能，還會增大壁面峰值溫度，大大降低WF-DPF 的使用壽命。因此，在確定再生時機時，初始沉積的顆粒物密度不宜選擇過大或過小。

2.2 排氣體積流量對再生性能的影響

排氣體積流量表示單位時間內排出的尾氣體積，本文選取的排氣體積流量分別為70、140、210、280 L/s，其他初始條件不變，模擬結果如圖3 所示。

圖3a 和圖3b 分別表示排氣體積流量對壁面峰值溫度和顆粒物殘留量的影響。

圖3 排氣體積流量對壁面峰值溫度和顆粒物殘流留量的影響

由圖3a 可知，隨著排氣體積流量的增加，壁面峰值溫度上升很快，但最大壁面峰值溫度反而降低。這是因為排氣體積流量增加，尾氣流會帶走過濾器內較多的熱量，從而使最大壁面溫度降低。當排氣體積流量為70 L/s 時，溫度上升較慢。在600 s 時，壁面峰值溫度還未達到最大值。

從圖3b 可以看出，隨著排氣體積流量的增加，再生時間減少。當排氣體積流量從70 L/s 增加到140 L/s 時，再生時間減少較多；當排氣體積流量增加到210 L/s 時，再增加排氣體積流量對于再生時間的影響較小。這是因為進一步增加排氣體積流量，氧氣量不再起主要作用，溫度開始占主導地位。溫度下降越多，燃燒越緩慢，再生時間變化越小。在使用WFDPF 時，再生期間的排氣體積不能太小，同時也不需要太大。

2.3 排氣中的氧氣濃度對再生性能的影響

圖4 為排氣中的氧氣濃度分別取5%、7%、10%、15%時，再生期間的壁面峰值溫度和顆粒物殘留量隨時間的變化關系。

圖4 排氣中的氧氣濃度對壁面峰值溫度和顆粒物殘留量的影響

由圖4a 可以看出，隨著排氣中氧氣濃度的升高，最大壁面峰值溫度升高。當排氣中的氧氣濃度為5%時，壁面峰值溫度上升較慢，說明顆粒物燃燒的速率較慢。

由圖4b 可知，排氣中的氧氣濃度越高，再生時間越短。當排氣中的氧氣濃度為5%時，再生在600 s時還未結束。

在WF-DPF 再生期間，必須保證排氣中有較高的氧氣濃度，適當的時候可以從外部引入新鮮空氣，以提高再生效率。

2.4 排氣溫度對再生性能的影響

排氣溫度是指尾氣進入過濾器時的溫度。圖5為排氣溫度分別取200、300、400、500 ℃時，再生過程中壁面峰值溫度和顆粒物殘留量隨時間的變化關系。

圖5 排氣溫度對壁面峰值溫度和顆粒物殘留量的影響

從圖5a 可以看出，隨著排氣溫度的升高，壁面峰值溫度升高。當排氣溫度為200 ℃時，壁面峰值溫度與初始壁面溫度基本保持一致。這是由于此時的排氣溫度較低，未達到顆粒物的燃燒溫度，沒有燃燒熱量釋放出來，所以壁面峰值溫度沒有變化。當排氣溫度為400 ℃時，壁面峰值溫度有波峰出現，為470 ℃左右；當排氣溫度為500 ℃時，并沒有出現波峰。這是因為顆粒物燃燒釋放的熱量只能將壁面溫度提高到470 ℃，如果排氣溫度高于這個溫度，壁面的峰值溫度主要由排氣溫度決定。

從圖5b 可以看出，隨著排氣溫度的升高，再生所需時間減少。當排氣溫度為200 ℃時，顆粒物幾乎不再生；當排氣溫度升高到300 ℃時，雖然顆粒物緩慢再生，但再生所需時間較長；當排氣溫度升高到400 ℃時，顆粒物再生較快；當排氣溫度從400 ℃升高到500 ℃時，再生時間減少得比較少。

3 結論

通過對影響顆粒過濾器再生性能的因素進行研究，得到以下結論：

1）評價WF-DPF 再生性能的指標有壁面峰值溫度和再生所需的時間，壁面峰值溫度越低、再生所需時間越短，再生性能越好。

2）排氣溫度升高、初始沉積的顆粒物密度增大、排氣中的氧氣濃度增加，則壁面峰值溫度升高；排氣體積流量增加，則壁面峰值溫度降低。

3）初始沉積的顆粒物密度增大、排氣體積流量增加、排氣中的氧氣濃度增加、排氣溫度升高，則再生所需時間減少。

4）初始沉積的顆粒物密度、排氣體積流量、排氣中的氧氣濃度、排氣溫度等4 個因素中，只有排氣體積流量越大越有利于降低壁面峰值溫度和減少再生時間，其余3 個因素則需綜合考慮，以確定一個最佳的再生時機。