基于FIRE的DOC+DPF微粒捕集连续再生特性仿真研究

贾传德 苏俭 杜健健

摘要：为研究柴油机后处理系统DOC+DPF微粒再生过程和再生影响因素及特性，在AVL FIRE 平台建立了DOC+DPF微粒捕集连续再生系统模型，通过计算DPF后NO质量分数和DOC+DPF前后的压降两个参数，与台架试验结果对比，验证模型的有效性。仿真研究了DOC-DPF微粒再生机理和再生过程，研究了DOC入口排气温度、CO浓度、排气质量流量、V（NO2）/V（NOX）、m （NOX）/m （Soot）五个因素对再生的影响特性。结果表明：增加排气的CO浓度、DOC入口排气温度、排气质量流量、m （NOX）/m （Soot）比值增大有利于再生过程，可有效降低残余微粒浓度;V（NO2）/V（NOX）比值增加，残余颗粒浓度有降低的趋势，但残余颗粒浓度值变化不明显。

Abstract： In order to study the regeneration process of diesel engine after-treatment system DOC + DPF and its influencing factors and characteristics， a continuous regeneration system model of DOC + DPF was established on AVL FIRE platform. The model was validated by calculating the NO mass fraction after DPF and the pressure drop before and after DOC + DPF and comparing with the results of bench test. The regeneration mechanism and process of DOC-DPF particles were simulated， and the effects of DOC inlet exhaust temperature， Co concentration， exhaust mass flow rate， V（NO2） / V（NOX） ， m （NOX） / m （Soot） on regeneration were studied. The results show that the increase of CO concentration， DOC inlet exhaust temperature， exhaust mass flow rate and m （NOX） / m （Soot） ratio is beneficial to the regeneration process and can effectively reduce the residual particulate concentration and the increase of V（NO2） / V（NOX）ratio， the residual particle concentration decreased， but the residual particle concentration did not change obviously.

關键词：DOC+DPF;连续再生;残余颗粒浓度

Key words： DOC + DPF;continuous regeneration;residual particle concentration

中图分类号：U464.172                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）12-0001-04

0  引言

柴油机因具有经济性好、热效率高、可靠性好等优点被广泛应用，但柴油机排放的微粒和NOX对环境有害，成为柴油机排放控制的重点。随着排放法规的升级，我国及欧美等国对柴油机微粒和NOX提出接近零排放的要求。目前颗粒捕集技术（DPF）是最有效的微粒控制方式，当DPF中颗粒捕集到一定数量时需要再生，其中DOC+DPF被动再生无需额外的燃油喷射，可在低温下（约230℃）连续氧化碳烟实现再生[1]，是一种结构相对简单、比较经济的再生方式。

DOC+DPF的减排特性方面，已有众多研究人员如谷雨、楼狄明等进行了试验研究[2-3]。在仿真研究方面，郑烨以GT-SUITE 和 AVL FIRE 软件为平台，建立颗粒连续再生CCRT 系统的仿真模型，通过一维GT-SUITE 确定模型基本参数，在FIRE中分别研究影响 DOC 和 CDPF 性能的主要因素[4]。牟洁姝是在 Boost 软件中搭建的 DOC+DPF 的再生控制系统的模型，余昳在FIRE平台建立DOC+DPF系统的三维仿真模型进行仿真研究[5-6]。本文在AVL FIRE 平台建立DOC+DPF模型，对微粒连续再生系统进行仿真研究。

1  模型建立与验证

根据后处理器实际尺寸，在FIRE中建立DOC+DPF三维模型，如图1所示，然后对模型进行网格划分，定义计算面、计算体，求解器参数设置，调试与仿真计算，计算结果分析等过程。通过调试模型相关计算参数，对模型的有效性进行验证，分别对1600rpm10%负荷、1600rpm 20%负荷、1600rpm 30%负荷、1200rpm 50%负荷、1030rpm 60%负荷、1600rpm 70%负荷、1400rpm 80%负荷共七个工况进行验证，验证结果如表1。通过对比仿真与试验趋势一致性好，误差在许可范围，模型能较好地反映后处理系统工作特性。

2  结果与分析

2.1 DOC- DPF微粒再生机理

在后处理模块DOC 和DPF反应模型采用软件提供的模型，具体如下：

在DPF中主要发生R4、R5、R6、R7化学反应，R4、R5反应温度为630℃ 以上，R6、R7反应温度为300℃左右，分析发现试验柴油机DOC入口排气温度范围为150～500℃，因此大多数工况下排气温度达不到R4、R5反应发生条件，DPF中主要发生R6、R7反应。其中反应R6和R7氧化微粒需要的NO2主要来源于两部分：排气中原有的NO2组分以及上游DOC中R3反应生成的NO2。

为研究DOC- DPF微粒再生过程，在该模型上进行了模拟计算，仿真参数如下：氧气体积分数11.8%、CO质量分数5.91E-3、C3H6质量分数7.65E-3、NO质量分数6.67E-5、NO2质量分数5.58E-5、 排气流量0.05kg/s、排气温度456K、DOC载体初始温度700K、DPF载体初始温度700K、碳载量10g/L，仿真结果见图2。图2中横坐标为时间，图2（a）表示的是DOC载体温度变化，图2（b）是DPF载体温度变化，图2（c）是DPF中O2的转化率变化，图2（d）是DPF的颗粒物质量浓度变化。

DOC内随着氧化反应发生载体温度由700K升高至900K，经20s后基本稳定。在DPF中约从20s开始部分碳颗粒开始氧化放热，30s左右温度开始升至约900K，颗粒物质量浓度降至1g/L。这是由于DOC - DPF是一个整体的系统，在DOC中CO和HC被催化氧化放出热量，可提高DOC内部温度，同时提高进入下游DPF的排气温度，所以DPF载体温度受到上游DOC高温排气的影响而逐渐升高。当DPF内温度达到反应需要的温度条件，DPF中可以发生R4、R5反应，碳颗粒开始快速反应并释放热量，排气温度继续升高，氧气转化率急剧增加，颗粒物质量浓度明显减少，完成再生过程。

2.2 再生影响因素及影响特性

为研究再生特性的影响因素和影响规律，在仿真模型基础上主要从DOC入口排气温度、CO浓度、排气质量流量、V（NO2）/V（NOX）、m（NOX）/m（Soot）五个因素进行研究。由于碳颗粒与NO2发生连续氧化过程速率较稳定，为减少计算时间，仿真反应时间统一设定为80s。

2.2.1 DOC入口排气温度

温度是影响化学反应的重要因素，在DOC中NO的氧化反应与温度关系密切，根据排气温度的范围区间，设置排气温度分别为400K、500K、600K、700K、800K、900K，分析溫度变化对DPF中颗粒再生的影响，设置DPF初始碳载量为12g/L、排气中颗粒物质量分数为1.02E-4。仿真结果如图3，可知随DOC入口排气温度升高，残余颗粒浓度呈下降趋势。DOC内NO转化率在600K附近达到最大，NO被氧化生成的NO2数量最多，NO2数量增多，增大了颗粒物氧化的再生过程，从而使残余颗粒物浓度降低。

在温度为700K时NO转化率虽然不是最大，但在高温下部分碳颗粒与氧气发生氧化，使残余颗粒浓度降低。在排气温度为800K时，部分颗粒物与氧气反应，残余颗粒浓度迅速下降。碳颗粒数量减少后，氧化放热量减少，温度降低，再此条件下，颗粒物既与O2发生氧化反应，也与NO2发生氧化反应。在排气温度为900K时，颗粒物与NO2发生氧化反应受到抑制，与NO2的反应降至较低水平，颗粒物主要与O2发生氧化反应[7-8]，颗粒物残余浓度接近为零，再生较完全。

综上可见，增加柴油机尾气的温度有利于颗粒物再生，DOC和DPF靠近发动机排气歧管安装、对处理器和排气管路进行保温、DOC和DPF一体封装等措施都是有利的，可增加连续再生的持续性和高效性。

2.2.2 CO浓度

根据前期研究可知，排气中CO和HC氧化后使DOC中排气温度升高[9]，DOC的这种温升特性对DPF中颗粒再生产生一定的影响。为了解温升特性对再生的影响规律，分别设置排气中CO体积浓度分别为150ppm、1000ppm、2000ppm、4000ppm、6000ppm，颗粒捕集器初始碳载量2g/L，尾气中微粒的质量分数为1.2E-6。仿真结果如图4所示，CO浓度范围从150ppm变化到6000ppm时，DOC中排气温度的增加值在0-70℃ 之间，残余颗粒物浓度在由1.55g/L降低至1.50g/L左右，残余颗粒浓度变化呈下降趋势。这是因为CO氧化放出热量，使排气温度升高，排气温度增加越多，在 DOC中NO转化生成的NO2越多，NO2与颗粒物发生氧化反应，从而降低了残余颗粒物浓度。

2.2.3 排气质量流量

本节分析排气质量流量对再生的影响，排气流量分别设为200kg/h、400kg/h、600kg/h、800kg/h，排气中各组分质量分数以1030rpm 60%负荷参数为基础进行计算，进气温度570K、初始碳载量2g/L、排气中颗粒物质量分数为1.2 E-6。仿真计算结果见图5，排气质量流量从200kg/h增加到800kg/h，NO 的转化率降低，因为质量流量增加，流速加快，NO在DOC内停留时间减少，氧化反应时间减少，造成NO 的转化率降低。随着排气质量流量增加，残余颗粒物浓度降低，是因为当颗粒物浓度一定时，随着排气流量越大，排气中颗粒物的质量也越多，同时DPF中的NO2浓度和总数量也增加，可以有效氧化原有的微粒物，使得残余颗粒浓度降低。

2.2.4 V（NO2）/V（NOX）

在柴油机原排中NOX主要由NO和NO2组成，其中NO约占90% ，但由于和微粒发生连续氧化反应的有效成分主要是NO2，因此本部分通过改变尾气中NO2与NOX体积浓度的比值即[V（NO2）/V（NOX）]，观察原排中[V（NO2）/ V（NOX）]比值对微粒再生的影响。保持NOX的体积浓度为2000ppm不变，体积浓度比V（NO2）/V（NOX）分别取1%、10%、20%、30%，进气温度为700K，DPF初始碳载量为2g/L。

结果如图6，可以看出，随V（NO2）/V（NOX）比值增大，残余颗粒浓度降低，但残余颗粒浓度数值上变化并不明显。通过图6中DOC的NO转化率曲线可以解释产生该现象的原因：在V（NO2）/V（NOX）比值为1%时，原排中NO2浓度较低，DOC中NO转化生成NO2的转化率为0.44左右;但随着V（NO2）/V（NOX）比值增大，NO的转化率降低，即DOC中NO转化生成NO2的量减少，最终通过转化得到的NO2与原排中原有NO2两者的总和基本保持稳定，造成在DPF中残余颗粒浓度虽然有降低的趋势，但变化不明显。

2.2.5 m（NOX）/m（Soot）

排气中NOX总量与颗粒物氧化再生有关，该部分研究NOX与Soot质量比对再生的影响。设置DPF初始碳载量为0g/L、DOC入口排气温度700K，排气中NOX与Soot质量分数比值[m（NOX）/m（Soot）] 分别为15、30、100、500，排气中NO/NO2体积浓度比为9：1，计算结果如图7。从图7可以看出随着排气中NOX与Soot质量比由15增加到500，颗粒物残余浓度降低，这是因为排气中NOX浓度增大，NO2浓度也随之增加，NO2相对于颗粒物呈现过剩状态，参加氧化反应的颗粒物较多，残余颗粒物浓度处于较低水平。通过观察DPF中NO2的转化率得出，随着排气中m（NOX）/m（Soot）比值增加，参与氧化颗粒物的NO2的量变少，NO2的转化率迅速降低。主要是由于颗粒物数量有限，过量的NO2没有参加反应，因此要求在排气中m（NOX）/m （Soot）比例要适当，NOX过多也会造成NO2的排放升高。

3  结论

①排气经过DOC后，NO2浓度增加，排温有一定增加，有利于下游DPF的微粒再生。

②DOC入口排气温度对再生过程影响明显，在排气温度低于800K时，主要是NO2参与的微粒连续再生过程，高于800K时，微粒与氧气发生氧化再生，再生速度加快。

③增加排气的CO浓度、排气质量流量、m（NOX）/m （Soot）比值增大有利于再生过程，可有效降低残余微粒浓度;V（NO2）/V（NOX）比值增加，残余颗粒浓度有降低的趋势，但残余顆粒浓度值变化不明显。

参考文献：

[1]帅石金，刘世宇，马骁，等.重型柴油车满足近零排放法规的技术分析[J].汽车安全与节能学报，2019，10（01）：16-31.

[2]谷雨，周圣凯.小型非道路柴油机前置DOC对DPF被动再生影响的研究[J].内燃机与配件，2019（12）：10-12.

[3]楼狄明，李泽宣，谭丕强，等.DOC+CDPF对重型柴油车颗粒物道路排放特性的影响[J].环境工程，2018，36（06）：90-94.

[4]郑烨，乔信起，李新令.生物柴油发动机的催化型连续再生系统的仿真研究[J].柴油机，2019，41（02）：1-7.

[5]牟洁姝.柴油机颗粒捕集器再生控制系统仿真及控制策略设计[D].重庆大学，2016.

[6]余昳.连续再生式柴油机颗粒捕集器的仿真与试验研究[D].合肥工业大学，2016.

[7]张业新，苏庆运，王姿姿，等.Pd和K共负载的Mg-Al水滑石基氧化物同时去除碳烟和NOX[J].燃烧科学与技术，2012，18（01）：56-61.

[8]马荣，何超，李加强，等.NO2对柴油机微粒捕集器再生特性的影响机理[J].车用发动机，2013（03）：71-74.

[9]贾传德，何超，李加强，等.氧化催化器对柴油机NO2排放影响的仿真研究[J].车用发动机，2013（04）：46-49，55.