基于Boost的柴油机微粒捕集器（DPF）性能分析

李 军，向 璐

LiJun，XiangLu

（重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074）

0 引 言1

柴油机通过高压将燃料喷入到缸内与高温压缩空气迅速混合、自燃，其油气混合过程不像汽油机那么均匀，总有一部分燃料不能完全燃烧而分解成以碳烟为主体的微粒 PM（Particulate Matter）[1]。文中以柴油机微粒排放控制为研究目标，建立微粒捕集器过滤与再生过程的仿真模型，结合试验对微粒捕集器的性能进行分析研究。利用数值模拟软件AVL Boost建立捕集器过滤与催化再生仿真模型，并进行对比性分析。分析研究微粒对捕集器性能的影响及其再生过程，得到相应工况下的载体温度、碳烟分布及变化规律，同时研究各个因素对柴油机微粒捕集嚣捕集及再生性能的影响。

1 . DPF的工作原理及仿真模型

1.1 工作原理

采用陶瓷基材料的壁流式蜂窝陶瓷过滤体微粒捕集器，其DPF结构原理如图1所示。v1、T1、ρ1、p1、v2、T2、ρ2、p2分别为发动机排出的废气和过滤后废气的气流速度、气体温度、气体密度及压强。在过滤过程中各孔道一端堵塞另一端开口且相邻孔道交替堵封；各孔道壁面为多孔介质，进入入口孔道的排气只能从壁面渗流到相邻的出口孔道排出。这样，排气中的微粒便被入口孔道多孔性壁面捕集。

柴油机微粒捕集器过滤体材料的结构与性能对捕集器的工作性能有很大影响。其净化机理主要有惯性碰撞原理、拦截机理、重力沉降原理、扩散原理[2-4]。对过滤体材料的要求是：在保证过滤效率高的同时还要尽可能地降低排气阻力，而且过滤体要具有较高的机械强度和抗振动性能以及抗高温氧化性、耐热冲击性和耐腐蚀性等。目前，国内外研究和应用较多的过滤材料主要有陶瓷基、金属基、复合基[5-8]。

1.2 仿真模型

选取壁流式蜂窝陶瓷过滤体，物理密度为1500 kg/m3、热导率为 5 W/（m·K）、比热为 1250 J/（kg·K）、过滤孔的直径为0.8712 mm、壁厚为0.3988 mm，在AVL Boost 软件里建立如图2的仿真模型。

由于DPF过滤孔的密度对捕集性能影响很大，所以在仿真过程中，选取过滤孔的密度为首选试验变量；DPF过滤体内经再生反应后所残留的碳烟量会影响到发动机的排气背压，所以在仿真过程中，选取残存的碳烟量为第 2类试验变量；发动机的排气温度以及排气流量是影响DPF捕集碳烟微粒性能的又一核心参数，所以在仿真的过程中，选取发动机的排气参数为第3类试验变量。针对这3类变量，设定不同的试验数据进行计算仿真分析，得到相关的变化曲线。

针对图 2所示的模型，选取某款车用柴油发动机为分析对象，其排气流量值为 0.02 kg/s，分析该发动机在怠速工况、正常运行工况和超负荷运行工况这 3种工况下微粒捕集器的性能变化。怠速工况下的排气温度取450℃（723 K），正常运转工况下的排气温度取500℃（773 K），超负荷工况的排气温度取600℃（873 K）。发动机排气温度的变化会直接影响到DPF的排气背压、过滤及再生水平。文中选择的微粒捕集器过滤孔的密度分别为200、300、400，过滤体内再生反应后所残留的碳烟量设定为5 g/L。

针对上述4个参数，在进行仿真时，只改变其中1个变量值，另外3个固定不变，应用Boost软件得到其变化规律曲线。试验数据如表 1所示。在变化曲线里，主要对DPF温度的最大值、DPF的排气背压以及DPF再生后残存的碳烟量这3个方面的曲线进行分析。

表1 试验数据

2 仿真与试验分析

2.1 DPF温度的最高值分析

1）CPSI对DPF最高温度值的影响

在分析CPSI（催化剂的孔密度，Channels Per Square Inch）对DPF温度的影响时，其他试验变量分别设置为：发动机排气温度773 K（即正常运转工况），流量0.02 kg/s，过滤体内残存碳烟量5 g/L，仿真结果曲线如图3所示。

如图3所示，3条曲线的变化趋势、峰值、稳定值都很接近，表明微粒捕集器过滤孔的密度（CPSI）的值对DPF最高温度值没有明显影响。

2）发动机的排气温度对DPF最高温度值的影响

在分析发动机的排气温度对DPF温度的影响时，其他试验变量分别设置为：CPSI 2001/in2，流量0.02 kg/s，过滤体内残存碳烟量5 g/L，仿真结果曲线如图4所示。

发动机不同的排气温度使DPF最高温度值曲线出现了比较大的差异。

如图4所示，图中3条曲线由上至下分别表示当发动机排气温度为873 K、773 K和723 K时所对应的DPF最高温度曲线。由排气温度723 K的DPF最高温度曲线可知怠速工况下，DPF最高温度值上升的速度较缓慢，在仿真开始后的 50 s达到峰值875 K，之后一直维持在825 K。由曲线的变化规律可得，当发动机处于怠速工况下，DPF的再生速率较低。

由排气温度773 K的DPF最高温度曲线可知正常工况下，DPF最高温度值上升的速度很快，在仿真开始后的37.5 s时达到峰值1050 K，之后又急剧下降，在62.5 s时达到稳定值875 K。由曲线的变化规律可得，当发动机处于正常运转工况下，DPF的再生速度很快，DPF的温度在过滤体材料使用温度的安全范围之内。

由排气温度873 K的DPF最高温度曲线可知超负荷工况下，DPF最高温度值极速上升，在仿真开始后的25 s就已达到1050 K，然后以缓慢的速度继续上升，在35 s时至峰值1075 K，接着急剧下降，在50 s时达到稳定值975 K。由曲线变化规律可得，当发动机处于超负荷工况下，DPF再生的速度极快，但伴随的温度也很高。由于受过滤体材料使用温度的影响，DPF的再生速度受到抑制。

DPF的最高温度会直接影响到过滤体的使用寿命和对碳烟微粒的过滤及再生水平，从以上分析可得，发动机处于运转工况时，DPF的最高温度处于良好变化规律。

2.2 DPF的排气背压分析

1）CPSI对DPF排气背压的影响

在分析微粒捕集器过滤孔密度对DPF排气背压的影响时，其他试验变量分别设置为：发动机的排气温度773 K（即正常运转工况），流量0.02 kg/s，过滤体内残存碳烟量5 g/L，仿真结果曲线如图5所示。

微粒捕集器过滤孔的疏密对DPF排气背压的变化影响很大。

如图5所示，图中3条曲线由上至下分别表示当CPSI为4001/in2、3001/in2和2001/in2时所对应的DPF排气背压曲线。从CPSI值为2001/in2时DPF的排气背压曲线可知，在0～25 s这段时间内，排气背压迅速从 42.5 kPa上升到最大值78.75 kPa，此时DPF正进行碳烟微粒过滤，从而导致排气背压迅速增加；在25～50 s这段时间内，排气背压又快速从最大值 78.75 kPa下降到 50 kPa，此时DPF在进行捕集器的再生，所以排气背压有所降低；在50 s以后，排气背压的值趋于缓慢减少，并且维持在较稳定的40～45 kPa区间范围之内，这个稳定值的出现说明了DPF再生的完全性和可靠性。

从CPSI值为3001/in2时DPF的排气背压曲线可知，在0～30 s这段时间内，排气背压迅速从最小值48.75 kPa上升到80 kPa，达到峰值，这个上升速度较前一个试验分析更快；在30～50 s这段时间内，排气背压又快速从 80 kPa下降到 60 kPa，此时DPF在进行微粒捕集器的再生；在50 s以后，排气背压的值缓慢减少，并且维持在45～50 kPa的稳定区间范围之内。

从CPSI值为4001/in2时DPF的排气背压曲线可知，在0～30 s这段时间内，排气背压迅速从最小值60 kPa上升到86.25 kPa，达到峰值，且可以明显地看出此时的过滤速度较前两者变化更快，表明CPSI增大可有效促进DPF的过滤速度；在30～50 s这段时间内，排气背压又比较缓慢地从86.25 kPa下降到80 kPa，此时的排气背压变化率较前两者小，且变化速度并不是很快，即说明捕集器的再生速度并不是很快，其变化与发动机的排气温度有关；在50 s以后，排气背压的值缓慢减少，并且维持在60～65 kPa稳定区间之内。

DPF的排气背压受过滤孔密度的影响很大，从以上分析可得，过滤孔过密使排气背压处于较大值，密度越小，排气背压越小，考虑发动机的综合性能指标，DPF过滤孔的密度取200为佳。

2）发动机排气温度对DPF排气背压的影响

在分析发动机排气温度对DPF排气背压的影响时，其他试验变量分别设置为：CPSI为 2001/in2，流量0.02 kg/s，过滤体内残存碳烟量5 g/L，仿真结果曲线如图6所示。

图6中3条曲线由上至下分别表示当发动机排气温度为723 K、773 K和873 K时所对应的DPF的排气背压曲线，由曲线变化规律可知发动机排气温度越高，DPF排气背压变化越快。

由DPF排气背压变化曲线可知，其变化规律并不相似，排气背压随温度的升高变化率也越大，从排气背压取得最大值的时间可以说明：发动机的排气温度对排气背压有相当大的影响，温度越高，排气背压变化得越快，而且维持在较大值附近的时间越长；表明发动机排气温度越高，捕集器的再生速度越快。当温度达到873K时（即超负荷工况），DPF一边过滤微粒一边进行再生，其排气背压值在开始后不久开始降低，且一直维持在一个较低的值附近，这样更有利于下一循环微粒的过滤与再生，从而改善发动机的排放性能。

DPF的排气背压在发动机处于超负荷工况时是最小的，由此说明，如果提升DPF过滤体的耐高温性能，可以增强DPF过滤及再生水平。

2.3 DPF的残留碳烟量分析

1）发动机排气温度对DPF最终残留碳烟量的影响

在分析发动机排气温度对DPF内残留碳烟量的影响时，其他试验变量分别设置为：CPSI为2001/in2，流量0.02 kg/s，过滤体内残存碳烟量5 g/L，仿真结果曲线如图7所示。

图7中3条曲线由上至下分别表示当发动机排气温度为723 K、773 K和873 K时所对应的DPF的残留碳烟量曲线，由曲线可知排气碳烟残留量呈下降变化趋势，并且下降的速度随着发动机排气温度的升高而加快。当发动机排气温度为723K时（即怠速工况），从开始后的25 s时下降，并且下降速度较为缓慢，再生并不完全，到终止时，DPF内残存的碳烟量仍有1 g/L，说明当发动机处于怠速工况时，DPF再生的效率较低。

当发动机排气温度为 773 K（即正常运转工况），在开始后的35 s内碳烟以很快的速度下降至1.5 g/L，这种变化趋势表明，当发动机处于正常运转工况时，排气温度有利于DPF再生。在柴油机整个正常运转工况初期再生较为迅速，之后以较缓慢的速度继续再生，且再生质量较好，直至碳烟全部被消除，使DPF内残存碳烟量为0 g/L。

当发动机排气温度为873 K时（即超负荷工况），变化趋势非常明显，表明当发动机处于超负荷工况时，碳烟再生的速度非常快，仅在开始后的35 s以内碳烟就已经再生完全，DPF内的残存碳烟量为0 g/L，说明在此温度下，碳烟的转化速度很快，效率很高，表明发动机的排气温度越高，DPF的再生速度越快。因此柴油机排气温度越高其DPF再生越迅速，再生质量越好。

2）CPSI对DPF最终残留碳烟量的影响

在分析CPSI对DPF内残存碳烟量的影响时，其他试验变量分别设置为：发动机排气温度为773K（即正常运转工况），流量0.02 kg/s，过滤体内残存碳烟量5g/L，仿真结果曲线见图8。

如图8所示，CPSI对DPF内残存碳烟量的影响甚微。从曲线的变化趋势可知，改变过滤孔的密度并没有过多地影响碳烟在 DPF内再生的速度。

3 结 论

1）从DPF的最高排气温度曲线可以看出，提高DPF的耐热性能有利于提高陶瓷基微粒捕集器碳烟的再生能力。

2）从 DPF的排气背压曲线变化规律可以得出，微粒捕集器的过滤孔密度越大越有利于微粒的过滤速度和效率；发动机的排气温度越高，其碳烟再生速度会大幅度增加。所以提高微粒捕集器过滤孔的密度和提高DPF的耐热性能可以很大程度地增强微粒的再生能力，改善发动机的排放性能。

3）从DPF的碳烟微粒残留量变化曲线可以明显看出，随着排气温度升高，再生反应的速度越快；温度越高，碳烟再生的速度和效果以及彻底性越好。

4）若以柴油机优良的排放性为标准可得，当发动机处于超负荷工况时，其排放指标较其他工况好，减排效果显著，但是其经济效益不高，因为当柴油机处于这种工况时，发动机的排气温度很高，所要求的DPF过滤体的材料耐热性更高，经济性差一些，所以这种工况可用于严格要求排放指标的场合。若以柴油机经济性为标准可得，当发动机处于运转工况时，DPF的再生能力较好，能够完成大部分碳烟的再生，因其发动机排气温度并不太高，所以过滤体材料的选择范围更广，更具有实际意义，此种工况可用于经济性要求高、排放性要求适当的工况条件。文中讨论的柴油机怠速工况，其排放性和经济性都不高，所以还需提升DPF在发动机怠速工况下的再生能力。

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