微粒捕集器压降特性理论与仿真分析.pdf

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1、第4期(总第213期)车用发动机No．4(Seria1No．213)2014年8月VEHICLEENGINEAug．2014微粒捕集器压降特性理论与仿真分析秦岩，刘宇，李君，王庆党，张卫国，张建川(1．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林长春130022；2．长城汽车股份有限公司，河北保定071000)摘要：对DPF的压降特性进行了理论和仿真分析，阐明了压降产生的机理，指出DPF的压降主要由可视为多孔介质的载体壁面和炭烟层及载体的入口通道和出口通道的摩擦造成，且压降历程与炭烟捕集过程相似，分为3个

2、阶段。在深床过滤阶段，载体壁面渗透率随炭烟的积累迅速减小，DPF压降迅速增大，当壁面达到饱和时，饼状层单独起到捕集炭烟的作用，且炭烟层的渗透率保持不变，DPF压降上升趋缓。由壁面带来的压降占压降的绝大部分。关键词：微粒捕集器；压降；仿真DOI：10．3969／j．issn．1001—2222．2014．04．014中图分类号：TK421．5文献标志码：B文章编号：1001—2222(2014)04—0069—04近年来，我国的环境污染程度日益严重，柴油机△P0ot：微粒物(PM)排放成为城市环境的主要污

3、染源之一(Ta+b+()，(1)一。随着排放法规的日益严格，微粒捕集器(DPF)得到广泛应用[1]。对于DPF，除了捕集效率，载体的压降水平也是衡量其性能的一个重要指标。本研(+)究从原理上阐明了壁流式蜂窝陶瓷结构的DPF载卸s一—==_In‘(2)体压降产生原理，并利用GT—Power软件进行了模式中：n为入口孔道边长；b为出口通道边长；W为拟计算，进一步对压降的产生机理以及压降分配进壁面厚度；72J为炭烟层厚度；为废气的动力黏度；行了研究分析。Q为气体体积流率；L为载体出人口孑L道长度；D为载体直径

4、；k。和k分别为壁面和炭烟层的渗1DPF压降的理论分析透率。从图1中可以看出，DPF压降损失主要分为3另外，由流体力学可以得出由入口和出口通道大类：气流收缩和扩张损失、人口和出口通道摩擦损的摩擦损失带来的压降损失Ap和Ap。：失、壁面和炭烟层损失。由于气流的收缩和扩张带Ap训(+()，(3)来的损失较小，而载体人口和出口通道的摩擦损失以及壁面和炭烟层带来的压降占据了总压降的绝大部分，所以，在一般的研究中忽略气体膨胀和收缩带Aph一(()。(4)来的压降损失。式中：F一28．454；V⋯为DPF载体体积。

5、所以，DPF的压降损失Ap为Ap—Apll+Ap。。。+Api1+Ap。l。(5)结合式(1)至(4)可知，对于新鲜的DPF或再生完成的DPF载体，在炭烟初始加载的过程中，在人图1DPF载体通道各部分压力损失示意嘲口通道壁面上还没有出现炭烟层，此时炭烟层厚度对于载体壁面和炭烟层，根据达西定律可以得训为0。对于物理参数固定的DPF载体，在发动机出壁面的压降损失Ap和炭烟层的压降损失稳态工况下，式(1)Ap圳仅与壁面渗透率k。有关，收稿日期：2013-08—10；修回日期：2014—05—23作者简介：秦岩

6、(1988一)，男，硕士，主要研究方向为内燃机排放控制；869884731@qq．corn。通讯作者：刘宇(1981-)，男，讲师，博士，主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制；]iuyu一07@jlu．edu．CIR。2014年8月秦岩，等：微粒捕集器压降特性理论与仿真分析2．2压降特性仿真分析在900S以后，壁面对炭烟的捕集达到饱和，此本研究入口排气流量设为108kg／h，排气温度时炭烟层单独起到捕集炭烟的作用，壁面的渗透率为563K。为了简化计算，同时排除其他的干扰因趋于一个稳定值。在900S以后，炭

7、烟层的厚度基素，排气成分设为标准空气(air)和炭烟(soot)的混本呈线性增长(见图9)。所以综合来看，此时DPF合物。其中air的质量分数为0．9998，soot质量分压降基本缓慢线性上升。数为0．0002。计算时间为3600S。图6示出计算过程中DPF压降随时间的变化。吕从图中可知，压降的变化历程与图3中的试验压降暑曲线是相符的。0～400S为深床过滤阶段；400～喽璺900S为深床过滤与饼状层过滤阶段；900S以后为饼状层过滤阶段。在深床过滤阶段，载体壁面上尚未有炭烟层形成，DPF的压降只与壁面

8、渗透率k。相关。载体壁面的渗透率随时间的变化见图7，随着时J司t／s炭烟的捕集，在0～400S壁面的渗透率急剧减小，图9炭烟层厚度随时间的变化所以在此阶段内，DPF的压降急剧上升。图8示出图1O示出DPF压降在载体壁面、炭烟层、人口炭烟加载过程中，炭烟层的渗透率随时间的变化。通道和出口通道各部分的分配情况。从图中可以看从图中可得，炭烟层的渗透率不随时间变化，基本为出，由DPF载体壁面带来的压降占DPF总压降的一定值，所以在400~900S时