微粒捕集器炭烟加载和再生特性仿真分析

李成元，刘 宇，李 君，秦 岩，张卫国

（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130022；2.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000）

柴油机微粒捕集器（DPF）是目前公认的能够有效消除柴油机排放微粒的后处理装置，利用载体的多孔介质特性对排放的微粒进行物理捕集，使微粒在载体内逐渐积累，以达到消除微粒的目的。为了应对日益严格的排放法规，对于满足国Ⅳ排放法规的柴油机，后处理系统加装DPF是一个很好的途径。在实际应用中，DPF再生的控制是一个难点问题［1］。本研究利用AVLFire三维仿真软件建立了DPF模型，并对炭烟加载过程和再生过程进行阐述和分析。

1 DPF模型的建立与校准

由于DPF为对称结构，且在仿真计算中气体流动一般忽略重力的影响，本研究为了节省计算时间，根据载体相关参数（见表1）建立了DPF 1／4模型（见图1）。网格总数为13.2万个，且坏网格数为0。

表1 DPF载体相关参数

本研究中，DPF的再生方式为主动再生，DPF入口再生温度标定为600℃。在再生过程中主要关注炭烟的氧化所带来的温度变化。以DPF出口的温度为依据来校准模型。式（1）为DPF再生过程中主要的化学反应方程式，根据阿累尼乌斯方程，把反应前因子K和化学反应活化能E作为标定参数。

由于考虑到DPF再生的台架试验和仿真计算的差别，仅对不同炭烟加载量的再生过程DPF出口处的最高温度进行标定，得出准确的K和E。本研究所用的发动机为GW4D20轿车柴油机，发动机再生工况为1800r／min，45N·m。基于开放ECU，通过减小增压压力、DPF前加装DOC和两次燃油后喷等措施，使排温由288.6℃上升到600℃，并稳定在600℃进行再生。再生的初始炭烟加载量分别为18g，21g和24g。分别取若干组K和E的值进行仿真计算，得出最佳值：K0＝5×1081／ks，E0＝1.5×105kJ／kmol。结果见图2，DPF出口最高温度试验值与仿真值的误差在允许范围内，认为K0和E0合理。

2 DPF炭烟加载过程分析

2.1 炭烟在载体内的积累过程

为了阐明加载过程中炭烟在DPF载体内的分布情况，选择排气流量为26.1kg／h，排气温度为500K，排气中炭烟相对质量为0.0012kg／kg的工况进行炭烟加载仿真计算。截取载体轴向中心截面，结果见图3。

从图中可以看到，每个图中都是载体左上角的炭烟质量浓度最低，通过分析可知，载体内部气流运动过程中在此处出现涡流，使得气体在此区域产生回流现象，造成该区域炭烟质量浓度较低；炭烟首先在DPF出口附近堆积，之后逐渐向DPF入口方向堆积；载体中心的炭烟浓度要高于两侧的炭烟浓度，这也是与气流运动规律相符合的。

2.2 炭烟在载体壁面的积累过程

Shigeki Daido等人对堇青石和碳化硅材质的DPF进行了实验研究，准确地描述了壁流式DPF的炭烟加载过程和压降特性。图4示出DPF载体壁面的剖视图，从图中可以看出，炭烟的捕集过程按先后顺序分为3个阶段：①深床过滤阶段（炭烟在壁中积累）；②深床过滤与饼状层过滤阶段（炭烟在壁面中和炭烟层中积累）；③饼状层过滤阶段（炭烟在炭烟层中积累）［3］。也就是说，对于新鲜DPF载体或者再生完成后的DPF载体，炭烟首先在壁中积累；随着壁中炭烟量的增加，载体入口通道壁面上开始出现炭烟层，这时载体壁面和炭烟层共同完成炭烟的捕集；当载体壁面中炭烟达到饱和状态，炭烟不能够继续在壁面中积累，这时炭烟层开始单独起作用。

3 DPF再生过程分析

为了阐明DPF再生过程中的炭烟减少情况和载体内部温度分布情况，选择表2所示再生工况进行仿真计算。在所选用的工况下发动机排温为319℃，而标定的DPF再生温度为580～620℃，本研究选择600℃作为DPF入口再生温度，所以采取燃油后喷的升温措施，由DOC氧化未燃碳氢达到温升的目的。将排气流量和DPF入口温度作为边界条件，初始炭烟加载量设定为5g／L，进行DPF再生仿真计算。

表2 DPF再生所选用发动机工况

图5示出仿真过程中DPF载体最高温度变化。从图中可以看出，在100s左右载体最高温度上升到600℃左右，开始再生；在350s左右，DPF最高温度稳定在600℃左右，说明再生过程已经结束。所以整个再生过程为100s到350s，DPF在再生过程中的最高温度为1000K左右。

3.1 DPF再生炭烟燃烧过程分析

图6示出DPF再生过程中载体中炭烟随时间的变化情况。从图中可以看出，由于DPF入口处的炭烟最先接触到高温排气，所以入口处首先达到燃烧温度并开始氧化。在轴向方向，炭烟沿排气流动方向逐渐向后氧化；而在径向方向，越靠近中心的炭烟越早被氧化，这种现象在305s的截图中可以清晰看到，载体中心的炭烟已几乎氧化完，而外侧的炭烟质量浓度还有2g／L左右。这是载体内部气流运动不均匀造成的结果，由之前的分析可知，载体内部气流速度总体呈沿径向方向由中心向两侧递减的趋势，载体中心部位流速较大，携带的热量相对较多，就使得中心部位的炭烟较外侧的炭烟优先发生氧化。

3.2 DPF再生过程温度分布分析

图7示出DPF再生过程中载体温度随时间的变化情况。从图中可以看出，与再生过程炭烟的氧化顺序相对应，在某个时间段内，发生炭烟氧化部位的温度相对其他部位要高些，而且也呈现沿排气流动方向逐渐升高的趋势。为了更准确地描述再生过程中载体的温度分布情况，在DPF载体的入口部位、中间部位和出口部位分别截取3个截面，并在每个截面的径向方向等间隔设置3个测量点，用以监测再生过程中的温度变化（见图8）。

图9至图11分别示出DPF再生过程中载体入口截面、中间截面和出口截面的测点温度分布。从图中可以很容易看到，在DPF从再生开始到结束这段时间内，在载体的径向方向温度由中心向两侧逐渐降低，这与上文中对再生过程中的炭烟分布情况的分析是相吻合的［4］。

图12示出测点1－1，2－1，3－1的温度对比，从图中可以看出，3个测点的温度峰值分别为880.1K，948.5K和979.3K，由此可以得知沿废气流动方向温度峰值逐渐增大。另一方面，3个测点的温度快速上升时刻分别为50s，100s和150s左右，所以越靠后方的测点温度上升时刻就越延迟。综合本节的分析可知，在DPF再生过程中，载体最高温度的出现点位于靠近载体出口的中心位置。这个结论对实现DPF再生过程中温度的良好控制是十分有意义的，因为在再生过程中需要考虑的一个重要问题是DPF的“超温”问题［5］。在实际的操作中可以把温度的关注重点放在出口附近位置，使得控制策略得以简化。

4 结论

a）炭烟在加载过程中首先在DPF出口附近堆积，之后逐渐向DPF入口方向堆积；载体中心的炭烟浓度要高于两侧的炭烟浓度；

b）炭烟在壁面中的积累过程依次为深床过滤阶段、深床过滤与饼状层过滤阶段、饼状层过滤阶段；

c）DPF再生过程中，在轴向方向，炭烟沿排气流动方向逐渐向后氧化；而在径向方向，越靠近中心的炭烟越早被氧化；

d）DPF再生过程中，沿废气流动方向温度峰值逐渐增大，且越靠后方的测点温度上升时间就越延迟，从而得出，在DPF再生过程中，载体最高温度的出现点位于靠近载体出口的中心位置。

［1］张 辉.轿车柴油机微粒捕集器工作过程数值模拟及再生控制策略研究［D］.长春：吉林大学，2011.

［2］秦 岩.GW4D20轿车柴油机微粒捕集器内部气流运动分析［J］.车用发动机，2013（2）：40－43.

［3］Evdoxia A，Kladopoulou.A Study Describing the Performance of Diesel Particulate Filters During Loading and Regeneration－A Lumped Parameter Model for Control Applications［C］.SAE Paper 2003－01－0842.

［4］Shigeki Daido.Visualization of the PM Deposition and Oxidation Behavior Inside the DPF Wall［C］.SAE Paper 2009－01－1473.

［5］Alessandro Cozzolini.Advanced Modeling of Diesel P－articulate Filters to Predict Soot Accumulation and Pressure Drop［C］.SAE Paper 2011－24－0187.