柴油机颗粒捕集器再生平衡仿真研究

1、第31卷第4期2010年8月内燃机工程ChineseInternalCombustionEngineEngineeringVol.31No.4August.2010文章编号:1000-0925(2010)04油机颗粒捕集器再生平衡仿真研究楼狄明1,张正兴1,谭丕强1,赵泳生1,张瑞峰2(1.同济大学汽车学院,上海201804;2.上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804)SimulationStudyonRegenerationBalanceofDieselParticulateFilterLOUDi2ming1,ZHANGZheng2xing1,TAN

2、Pi2qiang1,ZHAOYong2sheng1,ZHANGRui2feng2(1.SchoolofAutomobile,TongjiUniversity,Shanghai201804,China;2.TechnologyCenterofSAICMotorCorporationLtd.,Shanghai201804,China)Abstract:Asimulationmodelofdieselparticulatefilter(DPF)wasestablishedbasedonGT2Power.TheregenerationprocessofDPFandimpactofexhaustmass

3、flowrateandloadedPMmassonregenerationbalancepointtemperature(BPT)wereinvestigated.Thevalidityofthemodelwasprovedinthesimulationofregenerationprocess.ThesimulationresultsofregenerationBPTshowthatexhaustmassflowrateorloadedPMmass,theregenerationBPTvariesinat,heDPFregenerationbalancecanbereachedonlyina

4、verynarrowtemperatureBPTgoesupwiththeexhaustmassflowrateincreasingandhemassadding.摘要:(DPF)仿真模型,通过模拟计算对DPF。首先通过对DPF。对再生平衡温度的模拟计算结果表明:在一定排,DPF再生平衡点温度均在很小的区间内变动,即DPF的再生过程受温度影响很大,只在很小的温度区间内达到平衡,并且DPF再生平衡温度随着排气流量的增加而升高,随着颗粒载荷量的增加而下降。关键词:内燃机;柴油机;颗粒捕集器;再生平衡;温度;仿真Keywords:ICengine;dieselengine;dieselparticu

5、latefilter(DPF);regenerationbalance;temperature;simulation中图分类号:TK42415文献标识码:A0概述近年来,柴油车在动力性、经济性等方面的优势逐渐得到重视,轿车市场上的柴油化率也逐渐升高,柴油车的CO、HC排放比汽油车低,但颗粒(PM)和NOx排放较高,其中颗粒排放是汽油车的3080倍1。基于过滤净化技术的柴油机颗粒捕集器是目前公认的有效且实用的柴油机颗粒后处理技术,它利用过滤体对排气中的颗粒物进行过滤处理,过滤收稿日期:2008211218基金项目:上海汽车工业科技发展基金项目资助(053012009)效率一般情况下可达60%以上

6、,是目前降低柴油机颗粒排放的有效手段2,3。随着颗粒物在过滤体表面和床层的堆积,DPF过滤阻力将增大,使排气背压升高,导致柴油机性能下降。为防止捕集器排气背压过高影响发动机性能,必须对堆积在捕集器内的颗粒物进行清除4,即再生。本文建立了基于GT2Power软件的壁流式颗粒捕集器的仿真模型,并对DPF再生过程,排气流量、颗粒载荷量对DPF再生平衡点温度的影响进行作者简介:楼狄明(1963-),男,教授,主要研究方向为柴油机结构设计和性能优化,E2mail:loudiming。40内燃机工程2010年第4期了模拟计算。1模型介绍颗粒捕集器的仿真模型如图1所示。此模型为DPF台架试验仿真平台,通过定

7、义DPF和流入DPF的排气参数来研究DPF的再生过程,以及排气温度、排气流量等因素对再生效果及再生平衡点温度的影响。模型中DPF的基本参数设置如表1所示。过程中过滤体通道内温度变化如图3所示。由图3可以看出:过滤体通道内每个点的温度都是呈现先上升后下降的趋势。因为通道内的颗粒在达到起燃温度后迅速燃烧放出大量热量,使排气温度急剧上升;在颗粒完全氧化,即再生结束后,放热停止,温度便急剧下降。过滤体通道内各位置的温度由入口开始至末端依次达到各自的最大值,即入口处的颗粒物最先达到起燃温度;过滤体通道内的最高温度出现在通道的末端,并且由入口开始向后各点的温度峰值逐渐升高。因为过滤体通道前端颗粒燃烧释放的

8、热量向后端传输,导致末端在再生过程中所达到的峰值温度高于前端。图1DPF仿真模型示意图表1DPF模块基本物理参数项目过滤体直径/mm通道长度/mm通道宽度过滤壁厚/通道密度/(cm-2)微孔直径/mm孔隙率干净过滤壁渗透率/mm2参数1801.50.315150.01250.486.7×10-13图3再生过程中通道内温度变化图4为再生过程中过滤体通道内的颗粒层厚度变化趋势。从图4可以看出:各点的颗粒层厚度在达到起燃温度后迅速下降,并且最终颗粒层厚度为0,即排气温度为750K时,DPF可以完全再生。颗为分析再生过程中过滤体通道内温度、颗粒层厚度等参数的变化趋势,在通道内选取从入口到通道

9、末端等间隔分布的6个点,并在模拟计算时对通道内每个点的数据进行采集分析,如图2所示。粒层厚度由入口位置开始至通道末端各点依次下降,并且远离入口的点颗粒层厚度下降速率较快。这是因为靠近入口的点先达到起燃温度,最先发生再生反应,而远离通道的点由于对流和传导带来的热量使得温度升高更快并且温度更高,因此颗粒层厚度下降也更迅速,这与温度变化的趋势一致。以上模拟计算结果表明:此模型可以准确地反映DPF再生过程,因此可以基于此模型对再生平衡点温度进行研究5。3再生平衡点温度图2再生通道内采集位置点的分布2再生过程仿真分析柴油机颗粒捕集器再生的平衡点温度(balancepointtemperature,BPT

10、)是指在排气流量一定的情况下,颗粒氧化燃烧速率等于颗粒物沉积速率时的排气温度。当捕集器处于再生平衡点时,捕集器内颗粒的质量达到动态平衡,排气背压保持稳定。可见再生平衡点温度是捕集器内颗粒质量、排气背压模拟仿真的初始条件设定如下:过滤体温度585K,排气流量240kg/h,排气中氧浓度11%,模拟计算时间为200s。排气温度设定为750K时,再生2010年第4期内燃机工程41图4通道内颗粒层厚度变化升高还是降低的临界值,对于研究DPF再生过程有重要意义。因此,本文对DPF再生的平衡点温度进行模拟计算,并分析影响平衡点温度的因素。3.1排气流量对平衡温度点的影响首先对排气流量对再生平衡点温度的影响

11、进行模拟计算。定义捕集器初始颗粒物载荷为15g,排气中颗粒物质量浓度为18.5×10-6。以图中颗粒质达到再生平衡的判断依据。下,通过调整排气温度,。200、220、240和260kg/h时DPF的再生平衡情况进行了模拟计算,结果如图5图8所示。575.0K。由图5图8可以看出:排气流量一定时,图5排气流量为200kg/h的再生平衡情况模拟计算结果显示:在排气流量为200kg/h时,平衡点温度区间为56810569.5K;排气流量为220kg/h时,平衡点温度区间为570.5571.8K;排气流量为240kg/h时,平衡点温度区间为572.5573.5K;排气流量为260kg/h时,

12、平衡点温度区间为574.3颗粒质量变化曲线和压降变化曲线的斜率只能近似于零,微小的温度变化即可改变斜率的正负性,即再生平衡点温度的变化区间很小。为考察不同排气流量下DPF再生平衡点温度的变化,对排气流量分别为200、220、240和260kg/h时,再生平衡点温度分布区间及其均值变化的趋势进行分析,分析结果如图9所示。42内燃机工程2010年第4期图9不同排气流量再生平衡点温度变化从图9可知,再生平衡点的温度分布区间很小,各再生平衡点的温度变化区间均在1.5内;随着排气流量的增加,再生平衡点温度呈线性增长趋势,排气流量每增加20kg/h,再生平衡点温度上升约2。分析认为,其原因是排气流量较大时

13、,通道内的对流换热损失增大,导致DPF需要较高的温度才能达到再生平衡,即再生平衡点温度较高;此外,随着排气流量的增加,再生平衡点温度只有小幅上升,说明排气流量对DPF再生过程的影响不大。3.2颗粒物载荷量对平衡点温度的影响计算中,为了调整出再生平衡,设置了2个再生平衡点变化曲线可知,略大于零,。因为在再生过程中颗粒捕集和再生同时发生,颗粒沉积速率与再生速率之间的差异会造成颗粒载荷量略微改变。因此再生没有达到平衡时,捕集器内颗粒物的质量是不断变化的。随着时间的推移,如果颗粒沉积速率大于再生速率,那么颗粒载荷量会上升,反之,颗粒载荷量就会下降。因此认为造成2个再生平衡点压降及颗粒质量变化曲线斜率差

14、异的原因是颗粒载荷量的变化。为了考察颗粒载荷量对DPF再生过程的影响,本文通过模拟计算对颗粒载荷量对平衡点温度的影响进行了研究。设定排气流量为240kg/h,观察颗粒载荷量分别为10、12.5、15、20g时的再生情况。仿真结果如图10图13所示。从图10图13可看出:在一定的颗粒载荷量下,再生平衡点温度变化区间很小,在1.5以内。压降变化曲线与颗粒质量变化曲线的斜率只能接近零,微小的温度变化即可使曲线斜率的正负发生改变。不同颗粒载荷情况下DPF平衡点温度的变化情况如图14所示。2010年第4期内燃机工程43流量越高,DPF再生平衡点温度也略高。(3)颗粒载荷量一定时,捕集器再生平衡点温度变化

15、区间也很小,在11.5之间;随着捕集器内颗粒载荷量的增加,再生平衡点温度逐渐下降。参考文献:1龚金科,赖天贵,刘孟祥,等.柴油机微粒捕集器过滤材料与再生方法分析与研究J.柴油机,2004,6(3):122.GongJK,LaiTG,LiuMX,etal.AnalysisandresearchoffiltermaterialsanditsregenerationofdieselparticulatefilterJ.DieselEngine,2004,6(3):122.2朱天乐,王建昕,傅立新,等.柴油机排气后处理技术J.车用图14不同颗粒载荷量再生平衡点温度变化由图14可见,再生平衡点温度随着颗

16、粒载荷量的增加而下降,并具有较好的线性,颗粒载荷量每增加2.5g,再生平衡点温度下降约2。分析其原因,一方面颗粒载荷量增加造成捕集器压降的升高,流通阻力增加,因此颗粒氧化燃烧释放的热量不易散失;另一方面,颗粒载荷越多,在一定温度下某一时刻参与氧化的颗粒量也越多,释放的热量也更多,而当捕集到的颗粒质量不变时,那么在颗粒载荷量较多的情况下较低的氧化燃烧程度就能达到再生平衡,因此再生平衡温度点较低。4结论(1)发动机,2002(6):125.ZhuTL,WangJX,FuLX,etal.AstudyonaftertreatmentofdieselengineemissionsJ.VehicleEng

17、ine,2002(6):125.3JohnsonJH,BagleyST,GratzLD,etal.AreviewofdieselparticulatecontroltechnologyandemissioneffectsC/SAE940233,1994.4谭丕强,胡志远,楼狄明,等.颗粒捕集器再生技术的研究动态和发展趋势J.):629.TanP,Hu,etAreviewofregenerationforJ.VehicleEngine,(5)9.,鄂加强,等.柴油机微粒捕集器加热再生过程的数值模拟J.华南理工大学学报:自然科学版,2007,35(6):14220.GongJK,LiuYQ,EJQ

18、,etal.Numericalsimulationofpy2rogenationregenerationprocessinparticulatefilterofvehicle,dieselJ.JournalofSouthChinaUniversityofTechnology:次达到最高温度点,并且通道后端的最高温度高于NaturalScienceEdition,2007,35(6):14220.前端。(2)排气流量一定时,捕集器再生平衡点温度(编辑:张妍)变化区间很小,在11.5之间;同等条件下,排气(上接第38页)tionJ.JournalofJiangsuUniversity:NaturalScienceEdition,2006,27(6):5012504.6EliassonB,Kogelsahatz