基于GT-power的DPF捕集效率影响因素研究
来源:用户上传
作者:刘彪 唐成章 毛天美 黄杨 莫书婷 吴雪
摘 要：DPF是目前人们公认最有效的柴油C后处理装置，同时是柴油机满足国VI以上排放法规的必备装置。在实现其经济性和安全性的同时，提高DPF的捕集效率一直是研究的关键。文章利用GT-power软件搭建DPF仿真模型，研究不同载体直径、通道长度、载体壁厚、壁面渗透率和孔隙率对DPF捕集效率的影响。其研究结论表明DPF的捕集效率随着通道长度、孔隙率、载体壁厚的增加而增大，随着壁面渗透率的增大而下降。
关键词：DPF GT-POWER 捕集效率 孔隙率 壁面渗透率
1 引言
由于柴油机比汽油机具有更高的压缩比、经济性和动力性，以柴油机为动力的车辆保有量迅猛增加[1，2]。根据公安部最新数据统计，截至2022年3月，我国机动车保有量已达4.02亿辆，其中汽车达到3.07亿辆。柴油机的主要排放物为氮氧化物（NOx）和微粒物（PM），根据中国移动源环境管理年报相关数据显示，2020年，全国汽车一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）排放量分别为693.8万吨、172.4万吨、613.7万吨、6.4万吨。其中，柴油车排放的氮氧化物（NOx）占汽车排放总量的80%以上，颗粒物（PM）占90%以上[3]。由此可见柴油机的颗粒物排放仍是汽车尾气污染物排放的主要贡献者。
柴油机尾气中产生的PM2.5对导致人们发生各种疾病，如支气管炎，心脏病和胎儿发育迟缓等对人体健康的危害[4-6]。不仅如此，空气中PM2.5的浓度高低还会影响人们生活环境中的可见度。由PM引起的雾霾天气也在频繁发生，而这种环境问题已成为目前世界各地广泛关注和讨论的热点。造成雾霾天气的最大原因便是空气中存在的PM2.5超标，然而这些超标的污染物通常会被人们认为是来源于中重型汽车排放尾气[7-9]。目前环境污染问题亟需人们解决，所以降低重型机动车PM的排放已经成为柴油机技术发展的关键。同时，降低汽车微粒排放，提升环境质量，降低汽车尾气污染，提高DPF的捕集效率尤为重要[10，11]。
文章利用GT-power软件搭建DPF仿真模型，利用控制变量法研究不同通道长度、孔隙率、载体壁厚和壁面渗透率对DPF捕集效率的影响，以期为优化改进DPF装置提供科学依据。
2 DPF仿真模型搭建
2.1 模型参数
发动机需要和后处理装置进行良好的匹配，才能确保发动机的各项性能指标不受影响而正常工作运转。尤其是柴油机需要与之匹配一款各项基本参数均符合要求的微粒捕集器协同工作，确保达到相关排放指标。文章中的发动机参数和与之匹配的DPF结构参数如表1和表2所示。
载体直径和载体长度决定了DPF作用载体的尺寸大小，通道密度决定了载体过滤通道的数量，而过滤壁厚度、过滤壁孔隙率以及过滤壁渗透率等参数则是决定了过滤体对颗粒物过滤作用的效果。因此这些参数的改变都会对颗粒物的捕集过滤过程产生影响。
2.2 模型验证与建立
DPF仿真模型主要由进出口边界、载体模块以及参数分析模块等组成。DPF入口边界条件在进口边界模块设定，如排气温度、流量和组分等；载体模块是DPF消除颗粒物的载体和介质。此外模型中设置了颗粒物检测模块，压降检测模块和温度检测模块，可以方便查看后处理系统的指标参数，监测DPF的捕集效率和压降。
图1中试验值为参考唐成章论文《不同海拔下DPF碳烟加载及再生特性研究》[1]所得。从图中可以看出，仿真数据与试验数据有着较好的合理性，且两者的误差在5%以内，所以此模型满足仿真计算要求，经过不断对模型进行调试，最终搭建好的仿真模型如图2所示。
3 DPF捕集效率的影响因素分析
3.1 不同载体直径对DPF捕集效率的影响
载体指的是DPF中间过滤颗粒物部分也就是DPF中蜂窝状部分。不同排量的发动机需要与之匹配不同大小的DPF，而最直接的体现就是DPF载体的直径。图3所示为载体直径对捕集效率的影响。所取载体直径分别为200mm、250mm、300mm这三个值进行分析，从图中可以看出，随着载体直径的增大，DPF的捕集效率越来越好，这是因为载体直径的增大使得载体中过滤体的有效作用面积增大，因此对于颗粒物的捕集更加高效，从而提升了DPF的捕集效率。
3.2 不同载体长度对DPF捕集效率的影响
图4所示为载体长度对捕集效率的影响。所取载体长度分别为100mm、200mm、300mm这三个值进行分析，从图中可以看出，载体长度对于DPF捕集效率的影响与载体直径基本相同，捕集效率随着载体长度的增大而升高，而出现这种现象的原因在于增大载体长度的效果和增大载体直径相同。
3.3 不同载体壁厚对DPF捕集效率的影响
DPF的载体壁厚是其装置的一个重要参数，载体壁的厚度不同会导致DPF内部气体的流动阻力不同，影响DPF的压降，从而影响DPF的捕集效率。如图5所示为过滤壁厚度对捕集效率的影响。分别取0.3mm、0.4mm、0.5mm这三个值为载体壁厚度，这里从图中可以看出，DPF对尾气中颗粒物的捕集效率随着载体壁厚的增大而增大，载体壁厚度越大，尾气穿过载体壁的阻力就越大，对颗粒物的拦截作用越强，因此捕集效果越好。这是因为随着载体壁厚的增加，DPF内部的气体的流程阻力越大，就会导致更多的PM被捕集在载体壁上，进而提高DPF的捕集效率。
3.4 不同载体渗透率对DPF捕集效率的影响
DPF中载体的渗透率是指在压差一定的情况下，载体允许气流通过的能力渗透率越大表明排气越容易通过过滤壁到达相邻通道。图6所示为载体渗透率对捕集效率的影响。从图中可以看出，载体渗透率对捕集效率有不利影响，渗透率越大，捕集效率越低，原因是因为随着渗透率的增大，DPF通道内的气体流动速度增大，流动阻力减小，更多的颗粒物就会随着小孔渗透到大气中，增加大气污染。因此在选择载体过滤体材料时，不宜选择渗透率过大的材料，否则会对DPF性能造成不利影响。
nlc202302071845
3.5 不同孔隙率对DPF捕集效率的影
孔隙率是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比，而孔隙率的大小表示了材料的密实程度，材料的孔隙率高，则表示密实程度小[12]。这里取0.35mm、0.45mm、0.55mm这三个值进行孔隙率对捕集效率的影响，图7所示为载体孔隙率对捕集效率的影响，从图中可以看出，捕集效率随着过滤壁孔隙率的增大而增大，说明较大的载体孔隙率更加有利于颗粒物的捕集。
4 结论
当下，我国经济发展已经从高速发展阶段过渡到高质量发展阶段。汽车的保有量随着经济的发展仍然在不断剧烈增长，由此带来的环境问题一直是人们关注焦点，特别是各大城市雾霾天气的频繁出现，而柴油机排放的尾气是引起雾霾天气的主要原因之一。随着尾气排放法的限定值越来越严，仅仅只通过前处理和机体内的净化显然已经达不到排放法的规定，所以后处理技术是降低柴油机尾气污染物有效措施之一。目前柴油颗粒捕集器相较其他后处理装置来说是最成熟的后处理技术。因此研究DPF不同结构参数对DPF捕集效率的影响，优化改进DPF结构，进而提升捕集效率，降低环境污染。本文运用GT-power软件建立DPF一维模型，主要从DPF的结构参数方面进行分析对捕集效率的影响，其分析结果如下：
（1）从DPF的结构参数上来看，随着DPF载体直径和载体长度的增大，DPF的捕集效率越高，且相对于其他参数而言，这两个参数对DPF的捕集效率影响更大，因此可以考虑改变DPF的载体直径和载体长度来达到提升捕集效率的目的，但是也要科学改变参数，达到DPF和发动机完美的匹配。
（2）从DPF的过滤壁参数上来看，DPF的捕集效率随着载体的壁厚和孔隙率的增加而增大，随着载体壁面渗透率的增加而下降。但这三个因素对DPF捕集效率影响不够明显。
基金项目：贵州省大学生创新创业训练计划项目（2020XJYB112），贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字[2022]111号）。
参考文献：
[1]唐成章. 不同海拔下DPF碳烟加载及再生特性研究[D].昆明理工大学，2019.
[2]2020年中国移动源环境管理年报――第Ⅰ部分 机动车排放情况[J].环境保护，2020，48（16）：47-50.
[3]唐成章，毕玉华，徐松，申立中，雷基林.DPF对柴油机性能影响的仿真研究[J].车用发动机，2018（01）：50-54+61.
[4]宋广舒，刘世通，苏东超，李旭.柴油机DPF系统研究现状综述[J].内燃机与配件，2020（12）：17-19.DOI：10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2020.12.008.
[5]楼狄明，赵泳生，谭丕强，张正兴，张瑞锋.基于GT-Power柴油机颗粒捕集器捕集性能的仿真研究[J].环境工程学报，2010，4（01）：173-177.
[6]满长忠，辛志鹏，王冲，唐运榜，姚金钰.基于GT-Power的柴油机微粒捕集器的性能模拟研究[J].农业装备与车辆工程，2014，52（06）：32-36.
[7]王丹.柴油机微粒捕集器及其再生技术研究[D].吉林大学，2013.
[8]周敏. 重型柴油机颗粒捕集器再生特性研究[D].清华大学，2013.
[9]安普尊. 柴油机微粒后处理器对超细微粒捕集特性的影响[D].吉林大学，2012.
[10]张德满. DOC辅助DPF再生方法研究[D].南京航空航天大学，2011.
[11]张伟. 基于GT-POWER的船用柴油机氮氧化物排放特性研究[D].大连海事大学，2007.
[12]胡凡. 大掺量橡胶砂浆力学及收缩性能试验研究[D].安徽理工大学，2019.
nlc202302071845
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15444858.htm
