微粒捕集器炭煙加載和再生特性仿真分析

李成元，劉 宇，李 君，秦 巖，張衛國

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022；2.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

柴油機微粒捕集器（DPF）是目前公認的能夠有效消除柴油機排放微粒的后處理裝置，利用載體的多孔介質特性對排放的微粒進行物理捕集，使微粒在載體內逐漸積累，以達到消除微粒的目的。為了應對日益嚴格的排放法規，對于滿足國Ⅳ排放法規的柴油機，后處理系統加裝DPF是一個很好的途徑。在實際應用中，DPF再生的控制是一個難點問題［1］。本研究利用AVLFire三維仿真軟件建立了DPF模型，并對炭煙加載過程和再生過程進行闡述和分析。

1 DPF模型的建立與校準

由于DPF為對稱結構，且在仿真計算中氣體流動一般忽略重力的影響，本研究為了節省計算時間，根據載體相關參數（見表1）建立了DPF 1／4模型（見圖1）。網格總數為13.2萬個，且壞網格數為0。

表1 DPF載體相關參數

本研究中，DPF的再生方式為主動再生，DPF入口再生溫度標定為600℃。在再生過程中主要關注炭煙的氧化所帶來的溫度變化。以DPF出口的溫度為依據來校準模型。式（1）為DPF再生過程中主要的化學反應方程式，根據阿累尼烏斯方程，把反應前因子K和化學反應活化能E作為標定參數。

由于考慮到DPF再生的臺架試驗和仿真計算的差別，僅對不同炭煙加載量的再生過程DPF出口處的最高溫度進行標定，得出準確的K和E。本研究所用的發動機為GW4D20轎車柴油機，發動機再生工況為1800r／min，45N·m?；陂_放ECU，通過減小增壓壓力、DPF前加裝DOC和兩次燃油后噴等措施，使排溫由288.6℃上升到600℃，并穩定在600℃進行再生。再生的初始炭煙加載量分別為18g，21g和24g。分別取若干組K和E的值進行仿真計算，得出最佳值：K0＝5×1081／ks，E0＝1.5×105kJ／kmol。結果見圖2，DPF出口最高溫度試驗值與仿真值的誤差在允許范圍內，認為K0和E0合理。

2 DPF炭煙加載過程分析

2.1 炭煙在載體內的積累過程

為了闡明加載過程中炭煙在DPF載體內的分布情況，選擇排氣流量為26.1kg／h，排氣溫度為500K，排氣中炭煙相對質量為0.0012kg／kg的工況進行炭煙加載仿真計算。截取載體軸向中心截面，結果見圖3。

從圖中可以看到，每個圖中都是載體左上角的炭煙質量濃度最低，通過分析可知，載體內部氣流運動過程中在此處出現渦流，使得氣體在此區域產生回流現象，造成該區域炭煙質量濃度較低；炭煙首先在DPF出口附近堆積，之后逐漸向DPF入口方向堆積；載體中心的炭煙濃度要高于兩側的炭煙濃度，這也是與氣流運動規律相符合的。

2.2 炭煙在載體壁面的積累過程

Shigeki Daido等人對堇青石和碳化硅材質的DPF進行了實驗研究，準確地描述了壁流式DPF的炭煙加載過程和壓降特性。圖4示出DPF載體壁面的剖視圖，從圖中可以看出，炭煙的捕集過程按先后順序分為3個階段：①深床過濾階段（炭煙在壁中積累）；②深床過濾與餅狀層過濾階段（炭煙在壁面中和炭煙層中積累）；③餅狀層過濾階段（炭煙在炭煙層中積累）［3］。也就是說，對于新鮮DPF載體或者再生完成后的DPF載體，炭煙首先在壁中積累；隨著壁中炭煙量的增加，載體入口通道壁面上開始出現炭煙層，這時載體壁面和炭煙層共同完成炭煙的捕集；當載體壁面中炭煙達到飽和狀態，炭煙不能夠繼續在壁面中積累，這時炭煙層開始單獨起作用。

3 DPF再生過程分析

為了闡明DPF再生過程中的炭煙減少情況和載體內部溫度分布情況，選擇表2所示再生工況進行仿真計算。在所選用的工況下發動機排溫為319℃，而標定的DPF再生溫度為580～620℃，本研究選擇600℃作為DPF入口再生溫度，所以采取燃油后噴的升溫措施，由DOC氧化未燃碳氫達到溫升的目的。將排氣流量和DPF入口溫度作為邊界條件，初始炭煙加載量設定為5g／L，進行DPF再生仿真計算。

表2 DPF再生所選用發動機工況

圖5示出仿真過程中DPF載體最高溫度變化。從圖中可以看出，在100s左右載體最高溫度上升到600℃左右，開始再生；在350s左右，DPF最高溫度穩定在600℃左右，說明再生過程已經結束。所以整個再生過程為100s到350s，DPF在再生過程中的最高溫度為1000K左右。

3.1 DPF再生炭煙燃燒過程分析

圖6示出DPF再生過程中載體中炭煙隨時間的變化情況。從圖中可以看出，由于DPF入口處的炭煙最先接觸到高溫排氣，所以入口處首先達到燃燒溫度并開始氧化。在軸向方向，炭煙沿排氣流動方向逐漸向后氧化；而在徑向方向，越靠近中心的炭煙越早被氧化，這種現象在305s的截圖中可以清晰看到，載體中心的炭煙已幾乎氧化完，而外側的炭煙質量濃度還有2g／L左右。這是載體內部氣流運動不均勻造成的結果，由之前的分析可知，載體內部氣流速度總體呈沿徑向方向由中心向兩側遞減的趨勢，載體中心部位流速較大，攜帶的熱量相對較多，就使得中心部位的炭煙較外側的炭煙優先發生氧化。

3.2 DPF再生過程溫度分布分析

圖7示出DPF再生過程中載體溫度隨時間的變化情況。從圖中可以看出，與再生過程炭煙的氧化順序相對應，在某個時間段內，發生炭煙氧化部位的溫度相對其他部位要高些，而且也呈現沿排氣流動方向逐漸升高的趨勢。為了更準確地描述再生過程中載體的溫度分布情況，在DPF載體的入口部位、中間部位和出口部位分別截取3個截面，并在每個截面的徑向方向等間隔設置3個測量點，用以監測再生過程中的溫度變化（見圖8）。

圖9至圖11分別示出DPF再生過程中載體入口截面、中間截面和出口截面的測點溫度分布。從圖中可以很容易看到，在DPF從再生開始到結束這段時間內，在載體的徑向方向溫度由中心向兩側逐漸降低，這與上文中對再生過程中的炭煙分布情況的分析是相吻合的［4］。

圖12示出測點1－1，2－1，3－1的溫度對比，從圖中可以看出，3個測點的溫度峰值分別為880.1K，948.5K和979.3K，由此可以得知沿廢氣流動方向溫度峰值逐漸增大。另一方面，3個測點的溫度快速上升時刻分別為50s，100s和150s左右，所以越靠后方的測點溫度上升時刻就越延遲。綜合本節的分析可知，在DPF再生過程中，載體最高溫度的出現點位于靠近載體出口的中心位置。這個結論對實現DPF再生過程中溫度的良好控制是十分有意義的，因為在再生過程中需要考慮的一個重要問題是DPF的“超溫”問題［5］。在實際的操作中可以把溫度的關注重點放在出口附近位置，使得控制策略得以簡化。

4 結論

a）炭煙在加載過程中首先在DPF出口附近堆積，之后逐漸向DPF入口方向堆積；載體中心的炭煙濃度要高于兩側的炭煙濃度；

b）炭煙在壁面中的積累過程依次為深床過濾階段、深床過濾與餅狀層過濾階段、餅狀層過濾階段；

c）DPF再生過程中，在軸向方向，炭煙沿排氣流動方向逐漸向后氧化；而在徑向方向，越靠近中心的炭煙越早被氧化；

d）DPF再生過程中，沿廢氣流動方向溫度峰值逐漸增大，且越靠后方的測點溫度上升時間就越延遲，從而得出，在DPF再生過程中，載體最高溫度的出現點位于靠近載體出口的中心位置。

［1］張 輝.轎車柴油機微粒捕集器工作過程數值模擬及再生控制策略研究［D］.長春：吉林大學，2011.

［2］秦 巖.GW4D20轎車柴油機微粒捕集器內部氣流運動分析［J］.車用發動機，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.