非道路用柴油機DPF電加熱再生特性CFD研究

張春潤，井 磊，唐粵清，王宏濤，錢仁軍

(1.軍事交通學院 裝備保障系，天津300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161)

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非道路用柴油機DPF電加熱再生特性CFD研究

張春潤1，井 磊2，唐粵清2，王宏濤2，錢仁軍2

(1.軍事交通學院 裝備保障系，天津300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161)

通過STAR-CCM+軟件建立非道路用柴油機DPF電加熱再生裝置的仿真模型，對裝置的流場特征和再生特性進行仿真分析并進行優化設計。結果表明：運用大功率加熱管可以加熱柴油機尾氣，較好地實現DPF再生；提高再生效果的關鍵在于控制加熱室內尾氣的流動速度，并提高尾氣流場的均勻性。

非道路用柴油機；柴油機微粒捕集器(DPF)；電加熱再生；計算流體力學(CFD)

非道路用柴油機指非道路移動機械所使用的柴油機。相較于道路用柴油機，其更易受到沖擊和震動，使用環境較為惡劣[1]。當前，我國非道路用柴油機的設計理念落后，生產技術薄弱，具有較高的污染物排放值。隨著GB 20891—2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》等標準的發布和實施，對非道路用柴油機的排放控制越來越嚴格，對其進行相應的技術改造已刻不容緩。

本文根據非道路移動機械用柴油機的特點，使用柴油機微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)對其進行排放后處理，設計了對應的電加熱再生系統，并通過計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)軟件對其效果進行仿真優化研究。

1 系統的組成與工作原理

DPF是公認的控制顆粒物(particulate matter，PM)排放最有效的技術[2]，但由于其易堵塞，導致柴油機排氣背壓增加，降低柴油機的動力性和經濟性而限制了DPF的應用[3]。為此，需要將PM去除，使DPF恢復到初始狀態。在空氣中，PM在500～650 ℃才能完全氧化燃燒[4]，而柴油機的排氣溫度普遍較低，因此，各種DPF再生技術應運而生，可分為主動再生和被動再生兩大類[5]，本文采取的電加熱再生屬于主動再生方式。在道路車輛上，受限于狹小的布置空間和有限的蓄電池容量，所使用的電加熱系統往往加熱功率低，且結構復雜、成本高[6]。而非道路用柴油機往往具有使用地點相對固定、有足夠大的布置空間等特點，因此本文設計了一套電加熱再生裝置，將其接入三相380 V工業用電進行加熱再生。

電加熱再生裝置結構如圖1所示。它由柴油機尾氣入口、尾氣加熱室、螺旋加熱管、微粒捕集器(DPF)、排氣口等組成。DPF過濾體由碳化硅(SiC)陶瓷材料制成，其物理特性見表1[7]。

(a)主視圖 (b)剖視圖1.柴油機尾氣入口；2.尾氣加熱室；3.螺旋加熱管；4.微粒捕集器(DPF)；5.排氣口圖1 DPF電加熱再生裝置結構

物理特性參數密度/(g·cm-3)3.2抗撓強度/MPa590抗壓強度/MPa690耐熱溫度/℃2220比熱/(J·kg-1·℃-1)1.05導熱系數/(W·m-1·℃-1)63熱膨脹系數/(106·℃-1)4.0

其工作原理：螺旋加熱管接入380 V交流電后開始升溫。柴油機尾氣進入加熱室后，由螺旋加熱管對其進行快速加熱。為減緩進氣速度，提高加熱效率，采用側面徑向進氣的方式。加熱后的尾氣流經微粒捕集器提升其溫度，從而實現再生。為驗證該裝置對DPF的增溫效果，判斷其再生特性，采用STAR-CCM+軟件對其進行仿真優化研究。

2 計算模型

2.1 STAR-CCM+簡介

STAR-CCM+是CD-adapco公司研發的新一代CFD求解器，它采用了先進的連續介質力學數值技術。STAR-CCM+搭載獨創的網格生成技術，可以完成復雜模型導入、表面準備、網格重構、自動生成體網格等功能。STAR-CCM+生成的多面體網格，在相同的計算要求下，可以實現約3倍以上的計算性能提高。多面體網格具有許多顯著的優點:①相鄰單元多，梯度計算和流動狀態預測更加準確；②對模型變形的寬容度比四面體大；③在回流流動的計算上，比Hexa網格的精度都要高。和其他CFD軟件相似，該仿真具有以下基本步驟：建立模型→網格劃分→設置邊界條件→仿真運算→分析結果[8]。

2.2 數學模型

該仿真的實質是流體的流動與換熱問題。使用笛卡爾直角坐標系計算，流體的運動及換熱的控制方程[9]。

連續方程：

(1)

式中：ρ為流體密度；t為時間；ui為流體速度沿i方向的分量。

動量方程：

(2)

式中：p為靜壓力；τij是由于分子黏性作用而產生的作用于微元體表面上的黏性應力；ρgi為在i方向的重力分量；Fi為由阻力和能源引起的其他能源項。

能量方程：

(3)

式中：h為熵；k為分子傳導率；kt為由于湍流傳遞引起的傳導率；Sh為定義的體積源。

2.3 流體計算模型

依據再生裝置的幾何構型，建立裝置的三維模型，在其內部生成流體區域。利用STAR-CCM+劃分多面體網格。為提高仿真精度，在網格劃分的設置里對模型近壁面處生成一定厚度的較高質量的邊界層網格。生成的網格數量為37萬個。網格生成結果如圖2所示。

圖2 仿真模型網格

2.4 初始條件與邊界條件

壁流式微粒捕集器可看作多孔介質，在CFD仿真過程中需要設置有關參數。為簡化計算，僅將再生裝置內部流場特性納入考慮。對電加熱再生裝置的仿真邊界條件進行簡化[10]：

(1)不考慮柴油機排氣速度和排氣溫度的波動，在計算過程中排氣速率和溫度為恒定；

(2)不考慮柴油機排氣成分對仿真結果的影響；

(3)不考慮DPF上的積碳氧化產生的熱量對仿真結果的影響；

(4)忽略再生裝置外殼的熱影響。

邊界條件設定：整個再生過程都在柴油機怠速工況下進行，根據溫度傳感器和流速計測量數據，設定柴油機的排氣溫度為120 ℃，流速為13．3 m/s。再生裝置排氣口條件為壓力出口，固體為碳鋼材料，螺旋發熱管的發熱功率為10 kW。

入口湍流強度l和湍流長度L的求解公式為

l=0.16Re-1/8

(4)

L=0.07d

(5)

其中，雷諾數Re為

(6)

式中：d為排氣管入口直徑；ρ為空氣密度，在T=300 K時，ρ=1.185 kg/m3；μ為空氣動力黏性系數，常溫時μ=17.9×10-6Pa·s[10]。

計算可得，l=0.043 2，即湍流強度為4.32%，L=2.8×10-3m，Re=35 218．99。由計算可知，柴油機的尾氣是大雷諾數的湍流流動，因此需要用到湍流的控制方程。本文選用了標準的k-ε控制方程[11]。標準k-ε模型是半經驗公式。

湍流動能k方程：

(7)

湍流耗散率ε方程：

(8)

式中:μl為層流黏性系數；μt為湍流粘性系數；Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；G1ε、G2ε、G3ε、σk和σε為經驗常數；Cμ為湍流常數。

3 仿真結果與分析

3.1 流場分析

如圖3所示為電加熱再生裝置內部的速度流線圖。可以看出，柴油機尾氣流入加熱室后，流體的主體沖擊到加熱室壁，分散成兩部分，折回加熱室進行加熱。可以明顯看到：在進氣口的一側，氣流比較稀疏，流動的速度比較慢；在進氣口對側，受到氣體流動慣性的影響，氣流量比較大，速度比較快。加熱室內的氣流分布不夠均勻，流經DPF的氣流也有同樣的特點。

圖3 電加熱再生裝置內部的速度流線

3.2 溫度分析

如圖4所示為電加熱再生裝置內部溫度分布圖。由圖4(a)和(b)可知，柴油機尾氣進入加熱室后，首先被加熱管加熱。尾氣流經兩個加熱管后，溫度可達到300～400 ℃。在加熱室尾端，尾氣可達到800～900 ℃的高溫。隨后，廢氣流入顆粒捕集器的孔道內，使DPF的溫度升高，約有3/5的區域能達到500 ℃以上，局部最高溫度能達到800 ℃以上。圖4(c)為DPF前端視圖。由此圖可以看出，端面溫度分布較不均勻，最高溫度為867 ℃，低處溫度約為300 ℃，溫差比較大。

(b)z=0平面溫度分布云圖

(c)DPF前端面溫度分布圖4 電加熱再生裝置內部溫度分布

由圖4可以看出：在流量較大、流速較快的區域，尾氣得不到充分的加熱，因此溫度比較低，升溫效果不好；在流量較小、流速較慢的區域，尾氣受到的加熱比較充分，因而溫度比較高，升溫效果較好。因此，再生裝置優化的關鍵在于降低柴油機尾氣在裝置中的流速，使尾氣流動更加平緩、均衡。

4 優化設計

4.1 結構優化

根據仿真結果，對進氣結構進行優化。優化主要從以下兩個方面進行：一是將進氣方式改為沿切向方向進氣，使尾氣進入加熱室后，沿加熱室壁旋轉流動，從而流動更加均勻合理；二是延長加熱室的長度，避免高速的尾氣直接吹到加熱管上，而是在加熱室的前端減速后，再與加熱管接觸，從而提升加熱效果。改進后的再生裝置如圖5所示。

(a)主視圖 (b)剖視圖1.柴油機尾氣入口；2.尾氣加熱室；3.螺旋加熱管；4.微粒捕集器(DPF)；5.排氣口圖5 改進后的DPF電加熱再生裝置結構

4.2 優化后的仿真結果

保持初始條件和邊界條件不變，對改進后的電加熱再生裝置進行模擬仿真，結果如圖6、圖7所示。

圖6 改進后電加熱再生裝置內部的速度流線

(a)y=0平面溫度分布云圖

(c)DPF前端面溫度分布圖7 改進后電加熱再生裝置內部溫度分布

由仿真結果圖可以看出，尾氣沿切向進入加熱室后，沿加熱室壁旋轉流動,流場分布更加合理。由圖7(c)可以看出，DPF有5/6的區域能滿足500～650 ℃的PM完全氧化燃燒的溫度要求，且800 ℃以上高溫的區域比優化前擴大了8～10倍，加熱效果更加明顯，更易于實現DPF再生。

5 結 論

(1)本文設計了一種采用工業用電加熱DPF再生的裝置，并使用STAR-CCM+進行仿真優化研究。

由優化結果看，該裝置能夠實現比較理想的DPF再生。

(2)由仿真結果可以看出，實現理想再生的關鍵在于降低柴油機尾氣在裝置中的流速，使尾氣流動更加平緩、均衡。

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(編輯：張峰)

DPF Electrical Heating Regeneration of Non-road Diesel Engine Based on CFD

ZHANG Chunrun1, JING Lei2, TANG Yueqing2, WANG Hongtao2, QIAN Renjun2

(1.Equipment Support Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

The paper establishes simulation model of diesel partculate filter(DPF) electrical heating regeneration device of non-road diesel engine with STAR-CCM+ software, and analyzes and designs the device with the characteristics of flow field and reheat temperature. The result shows that using high-power heating pipe can heat diesel exhaust and achieve the DPF regeneration, and the key to improve the regeneration effect is to control exhaust flow rate in heating chamber and to improve the uniformity of the exhaust flow field.

non-road diesel engine; diesel particulate filter(DPF); electrical heating regeneration; computational fluid dynamics(CFD)

2016-04-26；

2016-05-24．

國家高技術研究計劃項目(2013AA065303)．

張春潤(1957—)，男，博士，教授，博士研究生導師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.010

TK421．5

A

1674-2192(2016)11- 0039- 05

● 車輛工程 Vehicle Engineering