柴油机颗粒过滤器再生性能仿真研究

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

引言

雾霾天气从2013 年开始频繁出现，为改变这种污染状况，我国采取了一系列的大气污染防治措施，包括对机动车排放进行控制。有研究表明，机动车排放中的PM 和NOx是引起雾霾的原因之一[1-2]。据统计，2018 年，我国机动车数量已达到3.27 亿辆，其中汽车2.4 亿辆。按燃料类型分类，柴油车占9.1%。但柴油车的NOx排放量接近汽车NOx排放总量的70%，PM 排放占汽车PM 排放总量的90%以上[3]。这些排气污染物污染大气环境，危害人体健康[4]。2018 年发布的GB17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[5]（简称重型柴油车国Ⅵ排放标准）对于颗粒物排放的要求更加严格，使得汽车企业必须依靠后处理装置来达到排放限值标准。

颗粒过滤器（DPF）是削减颗粒物排放的一种装置，但DPF 必须具有良好的过滤性能和再生性能，才能有效削减颗粒物[6]。本文利用GT-Power 软件，建立了壁流式颗粒过滤器[7-8]的仿真模型。确定了颗粒过滤器再生性能评价指标，研究了不同因素对评价指标的影响，为整车DPF 的设计和再生条件的确定提供了理论支撑。

1 DPF 仿真模型的建立

颗粒过滤器的原理是利用过滤材料对尾气中的颗粒物进行过滤，从而降低颗粒物排放。壁流式颗粒过滤器（WF-DPF）是其中的一种类型。在WF-DPF的工作过程中，颗粒物不断沉积，当沉积达到一定程度时，会对发动机的排气产生较大阻力，也就是排气背压升高，会降低柴油机的动力性和经济性。此时，必须对过滤的颗粒物进行清除，使发动机恢复原有的背压，该过程叫再生[9]。而恢复效率的高低则用再生性能来表示。

WF-DPF 再生模型利用数学方程来描述颗粒物被氧化去除的过程。整个再生过程包括尾气流动、颗粒物燃烧、热量传输和质量传输等。根据过滤器结构及颗粒物燃烧的特点对模型进行以下假设：

1）气体在过滤器中的停留时间很短，可以看做准稳态过程；

2）累积的颗粒物成分为纯碳，且均匀分布在壁面上；

3）过滤器入口通道内的气体流速、温度和浓度在径向上没有变化；

4）进入过滤器的气体分布均匀，且各通道累积的碳烟分布相同。

本文所研究的颗粒过滤器使用铜基催化剂，加载的碳烟在过滤器中均匀分布。利用GT-Power 建立过滤器再生性能仿真模型如图1 所示。

图1 壁流式颗粒过滤器再生仿真模型

模型所包括的主要模块[10]有壁流式颗粒过滤器、尾气进入、尾气排出、进气温度输出、壁面温度输出、排气温度输出和残留碳烟质量等7 部分。模拟时主要参数设置见表1。

表1 模型基本参数

2 影响再生性能因素分析

WF-DPF 的再生本质上是将过滤器内沉积的微粒燃烧清除，使WF-DPF 和发动机能够以良好的性能持续工作。再生过程主要涉及到化学反应，也就是WF-DPF 中沉积的颗粒被氧化。影响再生的因素有初始沉积的颗粒物密度、排气体积流量、排气中的氧气浓度和排气温度等。在再生过程最直观的表现是释放大量的热量，使得过滤器温度升高，微粒质量减少。所以，再生性能的评价指标为壁面峰值温度和过滤器中颗粒物残留量。壁面峰值温度越低，再生过程的时间越短，再生性能越好。

建模时，将过滤器长度L 平均分成10 段，测量点位置的长度为Z，则所有测量点位置分别为Z/L=0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 和1.0，所谓的壁面峰值温度就是这11 个位置中壁面温度的最高值[11]。颗粒物残留量表示再生过程中过滤器内剩余的颗粒物质量，通过该指标可以反映出再生时间的长短。本文设定模拟时间为600 s，对于600 s 以后的情况不做分析。

2.1 初始沉积的颗粒物密度对再生性能的影响

初始沉积的颗粒物密度表示在再生过程开始前，单位体积WF-DPF 中所加载的颗粒物质量，为总的颗粒物质量与WF-DPF 总体积之比。模拟中，WFDPF 总体积为24.73 L，初始沉积的颗粒物密度分别取1、2、3、4 g/L，其他初始参数及初始条件不变，模拟结果如图2 所示。

图2 初始沉积的颗粒物密度对壁面峰值温度和颗粒物残留量的影响

从图2a 可以看出，壁面峰值温度随着初始沉积的颗粒物密度的增大而升高。当颗粒物密度为4 g/L 时，最大壁面峰值温度达到527 ℃；过了最大值后，壁面峰值温度开始下降，最终与尾气温度一致。

从图2b 可以看出，初始沉积的颗粒物密度越大，再生所需的时间越短。但再生时间随密度的变化幅度较小，所有情况下的再生时间都集中在300～400 s 之间。在时间相近的基础上，初始沉积的颗粒物密度越大，颗粒物总质量越高，再生效率也就越高。因此，初始沉积的颗粒物密度较大时，再生的时间较短，再生效率较高；但初始沉积的颗粒物密度过大时，会提高压降，不仅会降低柴油机的工作性能，还会增大壁面峰值温度，大大降低WF-DPF 的使用寿命。因此，在确定再生时机时，初始沉积的颗粒物密度不宜选择过大或过小。

2.2 排气体积流量对再生性能的影响

排气体积流量表示单位时间内排出的尾气体积，本文选取的排气体积流量分别为70、140、210、280 L/s，其他初始条件不变，模拟结果如图3 所示。

图3a 和图3b 分别表示排气体积流量对壁面峰值温度和颗粒物残留量的影响。

图3 排气体积流量对壁面峰值温度和颗粒物残流留量的影响

由图3a 可知，随着排气体积流量的增加，壁面峰值温度上升很快，但最大壁面峰值温度反而降低。这是因为排气体积流量增加，尾气流会带走过滤器内较多的热量，从而使最大壁面温度降低。当排气体积流量为70 L/s 时，温度上升较慢。在600 s 时，壁面峰值温度还未达到最大值。

从图3b 可以看出，随着排气体积流量的增加，再生时间减少。当排气体积流量从70 L/s 增加到140 L/s 时，再生时间减少较多；当排气体积流量增加到210 L/s 时，再增加排气体积流量对于再生时间的影响较小。这是因为进一步增加排气体积流量，氧气量不再起主要作用，温度开始占主导地位。温度下降越多，燃烧越缓慢，再生时间变化越小。在使用WFDPF 时，再生期间的排气体积不能太小，同时也不需要太大。

2.3 排气中的氧气浓度对再生性能的影响

图4 为排气中的氧气浓度分别取5%、7%、10%、15%时，再生期间的壁面峰值温度和颗粒物残留量随时间的变化关系。

图4 排气中的氧气浓度对壁面峰值温度和颗粒物残留量的影响

由图4a 可以看出，随着排气中氧气浓度的升高，最大壁面峰值温度升高。当排气中的氧气浓度为5%时，壁面峰值温度上升较慢，说明颗粒物燃烧的速率较慢。

由图4b 可知，排气中的氧气浓度越高，再生时间越短。当排气中的氧气浓度为5%时，再生在600 s时还未结束。

在WF-DPF 再生期间，必须保证排气中有较高的氧气浓度，适当的时候可以从外部引入新鲜空气，以提高再生效率。

2.4 排气温度对再生性能的影响

排气温度是指尾气进入过滤器时的温度。图5为排气温度分别取200、300、400、500 ℃时，再生过程中壁面峰值温度和颗粒物残留量随时间的变化关系。

图5 排气温度对壁面峰值温度和颗粒物残留量的影响

从图5a 可以看出，随着排气温度的升高，壁面峰值温度升高。当排气温度为200 ℃时，壁面峰值温度与初始壁面温度基本保持一致。这是由于此时的排气温度较低，未达到颗粒物的燃烧温度，没有燃烧热量释放出来，所以壁面峰值温度没有变化。当排气温度为400 ℃时，壁面峰值温度有波峰出现，为470 ℃左右；当排气温度为500 ℃时，并没有出现波峰。这是因为颗粒物燃烧释放的热量只能将壁面温度提高到470 ℃，如果排气温度高于这个温度，壁面的峰值温度主要由排气温度决定。

从图5b 可以看出，随着排气温度的升高，再生所需时间减少。当排气温度为200 ℃时，颗粒物几乎不再生；当排气温度升高到300 ℃时，虽然颗粒物缓慢再生，但再生所需时间较长；当排气温度升高到400 ℃时，颗粒物再生较快；当排气温度从400 ℃升高到500 ℃时，再生时间减少得比较少。

3 结论

通过对影响颗粒过滤器再生性能的因素进行研究，得到以下结论：

1）评价WF-DPF 再生性能的指标有壁面峰值温度和再生所需的时间，壁面峰值温度越低、再生所需时间越短，再生性能越好。

2）排气温度升高、初始沉积的颗粒物密度增大、排气中的氧气浓度增加，则壁面峰值温度升高；排气体积流量增加，则壁面峰值温度降低。

3）初始沉积的颗粒物密度增大、排气体积流量增加、排气中的氧气浓度增加、排气温度升高，则再生所需时间减少。

4）初始沉积的颗粒物密度、排气体积流量、排气中的氧气浓度、排气温度等4 个因素中，只有排气体积流量越大越有利于降低壁面峰值温度和减少再生时间，其余3 个因素则需综合考虑，以确定一个最佳的再生时机。