柴油机微粒捕集器中微粒物分布特性研究★

侯献军，张 新，杜松泽，李孟孟，许 京（1. 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室（武汉理工大学），武汉 430070；2. 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070）

柴油机微粒捕集器中微粒物分布特性研究★

侯献军1，2，张 新1，2，杜松泽1，2，李孟孟1，2，许 京1，2
（1. 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室（武汉理工大学），武汉 430070；2. 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070）

为分析微粒在柴油机微粒捕集器中的分布特性，建立微粒捕集器内部过滤体微元通道模型，利用STAR-CCM+软件对简化后的模型进行仿真分析。得出微元通道内微粒物的浓度及压力场分布，根据进口和出口端面上的平均微粒物浓度可以求解过滤通道的捕集效率，根据进口和出口端面的平均压力可以求解微元通道的背压。并研究进出口孔穴形状及孔隙率对通道背压和捕集效率的影响。结果表明，正方形孔穴比正八边形孔穴的捕集效率和背压综合性能指标更佳；随着过滤层孔隙率的增加，捕集效率和背压均有所下降。

微粒捕集器；过滤体；微元通道；捕集效率

侯献军

毕业院校于武汉理工大学，博士研究生学位，现任武汉理工大学汽车工程学院教授。主要研究方向：汽车及发动机CAD/CAE，发动机排放控制及

1　引言

柴油机微粒捕集器（DPF）是微粒净化后处理技术中最为直接有效的方式，具有良好的商业应用前景［1］。DPF的核心部件是过滤体，其主要的设计要求是具有较高的过滤效率和较低的排气阻力［2］。研究DPF过滤体内微粒物的分布特性对过滤体的优化设计具有重要意义。国外在20世纪80年代就开始对微粒捕集器的流动进行研究，利用CFD方法对微粒捕集器的流动进行数值模拟日趋活跃［3-5］。目前国内外对微粒捕集器的研究日渐深入。

2008年，谭丕强和胡志远［6］等人阐述了微粒捕集器对微粒物过滤机理，并建立了整体的微粒捕集器的过滤模型，研究过滤体长度和微粒直径等因素对微粒物过滤效率的影响；

2011年，孟忠伟和宋蔷［7］等人通过建立一维非稳态模型来描述柴油机微粒捕集器的工作捕集过程中流场和微粒物分布，利用数值分析的方法，研究了不同过滤层渗透系数的条件下，微粒层加载厚度的变化情况及其均匀性分布；

2011年，S.Bensaid和D.L.Marchisior［8］等人建立了微粒捕集器的几何模型，计算分析了不同渗透率和微粒物直径下微粒捕集器内部的流场分布和微粒层的沉积过程；

2012年，Kazuhiro Yamamoto 和 Shingo Satake［9］等人从微观结构方面研究了柴油机微粒捕集器的微粒物加载过程和微粒捕集器内部的流场分布，研究了灰分的沉积对微粒捕集器的内流场的影响。

本文利用数值模拟的方法来研究微粒捕集器内部微粒物的浓度分布及压力分布，为微粒捕集器的优化设计打下理论基础，从而减少试验工作量，缩短设计周期。

2　计算模型的简化及建立

DPF过滤体结构几何模型如图1所示，排气气流从入口端流入，流经多孔介质过滤层从相邻通道流出。为减少计算量，只考虑一个单元的微元通道模型，简化如图2所示，进出通道均为正方形，边长为1.5mm，过滤层壁厚为0.55mm，孔隙率为0.4。

为更清晰的反映通道内部微粒物分布状况，只建立长度为15mm的通道模型。微元通道体网格模型如图3所示：

3　物理及边界条件的设定

物理模型为三维流动、定常气体、分离求解、标准K-Epsilon湍流模型。微粒物为拉格朗日多相流，固体微粒为离散相。过滤层视作多孔介质区域。

入口边界条件：气源相的入口条件设置为质量流量入口，质量流量为0.001kg/m3。

出口边界条件：取压力出口，默认值0 Pa，方向垂直于出口端面向外。

4　过滤体内微粒物分布仿真分析

4.1微粒物浓度分布及分析

对所建微元通道模型进行瞬态仿真分析，计算t=2h时刻的流场分布状况。在相邻的入流通道和出流通道上作纵剖面，观察其微粒物浓度分布状况，如图4所示。上面部分的通道为入流通道，下面部分的通道为出流通道，中间为过滤层。由图可知，整个入流通道内微粒物浓度明显高于出流通道，微粒物在入流通道尾端发生堆积，并有部分微粒物穿过过滤层从出流通道流出。求解进口和出口端面上的平均微粒物浓度，可得进口端面上平均浓度为12.82795×10-9，出口为2.29322×10-9，过滤通道的捕集效率为82.13%。

为进一步清晰描述轴向（X方向）上入流和出流通道微粒物浓度的变化，分别截取X=3mm、X=7.5mm、X=14mm处的横截面，其浓度分布如图5所示。由图可知，在通道前端部分，出流通道微粒物浓度基本为0，中间部分渐渐增大但分布不均匀，而在出流通道尾端部分微粒物浓度增加较大。这说明微粒物由通道尾端开始渐渐渗透穿过过滤层。

4.2过滤体内压力场分布及分析

同样截取X=3mm、X=7.5mm、X=14mm处的横截面，图6所示为其压力场分布。由图可知，在过滤体前端和中端部分，入流通道和出流通道压力分布均匀，这是由于此区域过滤层处无微粒物的穿过，只有纯气体流过过滤层时，压降较小。而在过滤通道尾部，入流通道的压力明显高于出流通道压力，其入流通道和出流通道在尾部横截面的平均背压约为115kPa。这是由于此区域内微粒物发生堆积，并沉积在过滤层上，使气体的流动阻力增大。

此外，求得微元通道进口端面和出口端面的平均压力，可知整个微元通道的背压为158kPa。相对于通道尾部横截面出流和入流通道115kPa的背压来说，整体背压明显增大，这是由于整体背压损失不仅包括尾部微粒物沉积所引起的压损，而且包括通道内气流的沿程阻力损失以及气体流经过滤层所引起的摩擦损失。

5　结构参数对微粒物分布的影响

5.1孔穴形状变化对微粒物分布的影响

过滤通道孔穴形状、边长和过滤层壁厚的变化将会对DPF捕集效率产生影响，本文设计5种孔穴形状方案，如表1所示，其中方案一为原始结构。

表1　5种孔穴形状方案

分别建立各方案的几何模型，并进行网格划分，得到体网格模型如图7-图10所示：

保持与方案一相同的边界条件，在同一时刻t=2h对不同方案进出口截面上微粒物浓度分布及通道尾端入出流通道背压进行分析，结果如表2所示：

表2　不同方案计算结果

在方案二中，过滤层壁厚减小时，微元通道对微粒捕集效率减小，背压减小。过滤层对气体的流动阻力减小，因而通道尾部横截面入出流通道的背压降低。此外，在通道前端部分也由于过滤层厚度减小对排气中气体的流动阻力减小，因而通道的整体背压也有所减小。背压越小，可以延长DPF再生间隔时间，从而延长其使用寿命。

在方案三中，当出流通道形状不变边长变小时，其微粒捕集效率低，而且背压却大幅增长。此时过滤层的过滤面积减小，因此捕集效率减小。同时由于出流通道面积减小，对气流的流动阻力加大，因而背压增大。通道整体背压升高至748kPa，背压过高会影响微粒捕集器的工作效率，乃至影响发动机性能。

在方案四中，当进出口形状都为正八边形时，其捕集效率减小，背压减小。虽然正八边形总边长与原模型即方案一的总边长相等，但正八边形的有效过滤边长却只有一个边的长度即0.75mm，只为正方形有效过滤边长的一半，但此时过滤厚度有所增加，会引起捕集效率增加，但此增加幅度没有有效过滤边长减小所引起的效果显著。因此其总体的捕集效率降低。而在对背压的影响上，过滤层壁厚的增加对其影响占主要地位，引起背压降低。

在方案五中，当进口形状为正八边形，出口形状为正方形时，其捕集效率最低，背压最高。与方案一的模型相比，其过滤效率下降，在同等流量的状况下，排气的流动阻力增大，导致背压增高。

综合考虑微粒捕集器的捕集效率和背压，方案一和方案二效果最佳，即进出口形状都设计为同等边长的正方形。

5.2孔隙率变化对微粒物分布的影响

在同一时刻t=2h，进行计算，在其他边界条件保持不变的基础上，仅改变孔隙率的大小，分析其对过滤通道进出口微粒物浓度、捕集效率及通道尾部背压和通道整体背压的影响，结果如表3所示：

表3　不同过滤层孔隙率下计算结果

随着孔隙率的增大，捕集效率和背压都减小。这是由于过滤层孔隙率增加，过滤层微孔直径增加，对固体微粒物的过滤效果减弱，更多细小微粒物不能被捕集而随气流直接流出，因此出口端面微粒物平均浓度增大。沉积的微粒物减少，对排气气流的流动阻力减小，因而背压减小。

6　结论

（1）建立了DPF微元通道模型，完成其物理及边界条件设计；

（2）对DPF过滤体内微粒物分布进行仿真分析，根据进口和出口端面上的平均微粒物浓度得出微元通道的捕集效率，根据进口和出口端面的平均压力得出微元通道的背压；

（3）对DPF过滤体进出口孔穴形状及过滤层厚度对通道背压和捕集效率的影响进行仿真分析，结果表明正方形孔穴比正八边形孔穴的捕集效率和背压综合性能指标更佳；

（4）随着过滤层孔隙率的增加，DPF捕集效率和背压下降。

［1］姚春德， 邵玉平， 张春润， 等. 柴油机壁流式过滤体内的流动分析及模拟计算［J］. 内燃机学报， 2009，22（6）： 504-509.

［2］龚金科， 赖天贵， 董喜俊， 等. 车用柴油机微粒捕集器流场的数值模拟与分析［J］. 汽车工程， 2006， 28（2）：129-133.

［3］Yi， Y. Simulating the soot loading in wall-flow DPF using a three-dimensional macroscopic model ［C］. SAE Paper 2006-01-0264， 2006.

［4］Wu， G， A. V. Kuznetsov， Warren J. Jasper. Distribution characteristics of exhaust gases and soot particles in a wall-flow ceramics filter ［J］. Journal of Aerosol Science， 2011， 42（7）： 447-461.

［5］William Wangard， A. E. a. H. M. CFD simulations of transient soot trapping and regeneration in a diesel particulate filter ［C］. SAE Paper 2004-01-2658.

［6］谭丕强， 胡志远， 楼狄明， 等. 柴油机捕集器结构参数对不同粒径微粒过滤特性的影响［J］. 机械工程学报， 2008， 44（2）： 175-181.

［7］孟忠伟， 宋蔷. 柴油机颗粒捕集器内颗粒层不均匀分布的数值研究［J］. 西华大学学报， 2011， 30（1）： 1-4.

［8］V. Bermudez， J. R. Serrano， P. Piqueras， et al. Assessment by means of gas dynamic modeling of a preturbo diesel particulate filter configuration in a turbocharged HSDI diesel engine under full-load transient operation Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ［J］.Journal of Automobile Engineering， 2011. 225（9）： 165-170.

［9］Kazuhiro Yamamoto， Masamichi Nakamura. Simulation of heat conduction and soot combustion in diesel particulate filter Progress in computational fluid dynamics ［J］. Journal of Automobile Engineering， 2012，12（4）： 143-147.

专家推荐

逯海：

通过模拟计算结果可以指导设计、预测“颗粒捕集器（DPF）”内部结构生产工艺要求来达到理想的捕集效率和背压要求。数值模拟分析，其准确性、计算效率大大提高，可以代替试验装置和初步性能预测作用。文章数值模拟分析方法有较好理论性和实用性强，对指导DPF的工艺设计实践有一定参考价值，同意全文发表。

Research on Distribution of Particulates Filter in Diesel Engine

HOU Xian-jun1，2， ZHANG Xin1，2， DU Song-ze1，2， LI Meng-meng1，2， XU Jing1，2
（1.Hubei Key Laboratory ofAdvanced Technology for Automotive Components （Wuhan University of Technology）， Wuhan 430070， China； 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology， Wuhan 430070， China）

The paper sets up the micro channel geometry model of the filter body in diesel particulate filter， using STAR-CCM + software for simplified model simulation analysis. It is concluded that the concentration of the particles and the pressure field distribution in the micro channel. The capture efficiency of filtering channel can be solved according to the average concentration of particles on the import and export. The back pressure of micro channel can be required according to the average pressure of the import and export. Then the paper studies the influence of import and export cavity shape and porosity on the efficiency of the channel back pressure and capture efficiency. The results show that the square cavity is better than octagon cavity， concluding capture efficiency and back pressure comprehensive performance. The capture efficiency and back pressure were decreased with the increase of the porosity of filter layer.

diesel particulate filter； filter body； micro channel； capture efficiency

TK422

A

1005-2550（2015）05-0009-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.002

2015-07-02

★湖北省自然科学基金重点项目（2013CFA104）资助。