农用机械柴油机DPF再生性能的建模与仿真_刘昶.pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）是一种通过捕集柴油机尾气中的 PM 来达到降低排放污染物的装置，和催化氧化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）、选择性还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）等是有效的柴油机尾气后处理装置1。对 DPF 再生性能的研究是柴油机尾气排放领域重点关注和研究的课题2-4。国内外学者对DPF再生性能进行了广泛研究，Yamamoto 等5-6利用格子玻尔兹曼法建立了三维多孔结构模型，利用载体内部流动和温度等建立函数模型来模拟实现 DPF 中颗粒再生过程，并探讨了连续再生的条件；Melanie 等7建立了 STAR-CD模型，通过控制提高喷油量来增温，从而优化 DPF再生效率；Khan 等8建立一维数学模型研究了不同瞬态条件对 DPF 再生性能的影响；Bensaid 等9利用流体动力学计算方法,模拟了不同参数条件对不同工况下DPF内部颗粒沉积的影响；Zuccaro等10运用 PIC 方法建立相关模型，较好地模拟出了碳烟的沉积、载体通道密度和壁厚的情况；龚金科等11建立载体再生的物理模型来研究载体的加热再生，得出再生过程中载体通道内温度的分布规律；陈贵升等12建立了柴油机后处理三维模型，分析了DPF 孔道内部碳烟和灰度分布对再生性能的影响；楼狄明等13利用 GT-Power 软件建立了 DPF 的再doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.024农用机械柴油机 DPF 再生性能的建模与仿真刘昶，吴君华，张凤娇，于多友（210037 江苏省 南京市 南京林业大学 汽车与交通工程学院）摘要 为了更好地对农用机械柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）的再生性能进行优化，降低农用机械尾气中的颗粒物含量，对DPF再生原理进行数学分析，并在GT-Power中建立模型。通过单因素实验和设计正交试验，研究了各个影响因素对于通道内最大峰值温度和再生时间的影响规律。结果表明：对通道内最大峰值温度，各因素的影响能力从大到小依次为初始沉淀物密度、进气温度、进气中氧气含量和进气流量；对再生所需时间，各因素的影响能力从大到小依次为进气温度、进气中氧气含量、进气流量和初始沉淀物密度。最后将这 2 个指标结合起来综合考虑，得到最佳取值方案：载体内初始沉积的颗粒物密度取 1 g/L，进气温度取 400，进气中氧气含量取 16%，进气流量取 240 L/s。仿真后体通道内最大峰值温度为 424.6，再生所需时间为 193 s 时再生性能为最佳。关键词 DPF；再生性能；峰值温度；再生时间；建模；仿真分析 中图分类号 TK422 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0115-06引用格式：刘昶,吴君华,张凤娇,等.农用机械柴油机 DPF 再生性能的建模与仿真 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):115-120.Modeling and simulation of DPF regeneration performance of diesel engineLIU Chang,WU Junhua,ZHANG Fengjiao,YU Duoyou(School of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China)Abstract In order to optimize the regeneration performance of Diesel Particulate Filter(DPF)and reduce the particulate content in the tail gas of agricultural vehicles,the principle of DPF regeneration was analyzed and a model was established in GT-POWER.Through single factor experiment and design orthogonal experiment,the influences of various influencing factors on the maximum peak temperature and regeneration time in the channel were studied.The results show that the influence of each factor on the maximum peak temperature in the channel is in the order of density,intake temperature,oxygen content and intake flow.For the regeneration time,the influence of each factor is the inlet temperature,the oxygen content in the intake,the inlet flow rate and the density in descending order.Combining these two indexes,the best value scheme was obtained:the density of particulate matter deposited in the carrier was 1 g/L;the intake temperature was 400 ;16%oxygen content in the intake air;The intake flow rate was 240 L/s.The simulation results show that the regenerative energy is the best when the maximum peak temperature in the body channel is 424.6 ,and the regeneration time is 193 s.Key words DPF;regeneration performance;peak temperature;regeneration time;modeling;simulation analysis基金项目：江苏省重点研发计划项目（BE2017008）收稿日期：2022-01-18 116农业装备与车辆工程 2023 年生模型，研究进气流量和进气温度对 DPF 的再生性能的影响；孙晨等14利用 Fire 软件建立 DPF 的三维网格模型，研究了再生时排气气流压强、流速及温度等参数随着时间的变化情况；姜大海15建立 DPF 的压力损失模型，确定了堇青石和 SiC 两种不同材料载体的再生时机。本文以载体通道内峰值温度和载体内最后残余颗粒物的质量为评价指标，研究进气温度、载体内初始沉积的颗粒物密度、进气中氧气含量和进气流量对再生性能的影响，以 SCBD220D2 型柴油机为原型进行建模，利用软件进行仿真实验，根据结果对各个参数的影响进行分析。1 DPF 再生模型本文中再生模型是以若干个单通道模型为原型建立起来的，如图 1 所示。图 1 中：T1、P1气体在 DPF 进气通道内的温度和压降；Tw、Pw气体在 DPF 捕集时的温度和压降；T2、P2气体在 DPF 排气通道内的温度和压降；D1、D2进气和排气通道的宽度。根据载体的结构和进入载体气流的特点，做如下定义：（1）进入载体的气体分布均匀；（2）各个单通道内被捕集的颗粒物均匀分布；（3）被捕集的颗粒物全部为碳分子。模型主要涉及到的数学方程式有质量守恒方程、压降方程和碳烟氧化反应等，分别为：（1）质量守恒方程()()ddzuDu14iiiiww=-i=1 or 2 (1)式中：i，ui气体进入进气或排气管道内的气体密度和流速；w，uw捕集壁面的气体密度和流速；D当量直径。（2）能量守恒方程()ddCuzTDhCuTT41fiiiiiifwwwi=-+-()(2)式中：Cf 气体比热容；hi 热传递系数。（3）碳烟氧化反应式C+O2 2（-0.5）CO2+2（1-）CO (3)式中：完全氧化系数。（4）碳烟质量平衡方程expexpddtwMMu Y NNuS K TwRTE1OCOOsswwwpwsw222=-=-(4)式中：Ws 碳烟层的厚度；s 碳烟层密度；M摩尔质量；KO氧化反应速率的前因子；Sp碳烟层的比表面积；R气体常数；E活化能；YO氧气浓度。（5）固相能量平衡方程()ddddtABQHHAw C TBw C TQMHtwHh TTh TTHzWzTzWzTreactcontranreactCcontranssmwpwwwwswwsswwww1122+=+=-=-+-=+()(5)式中：pw 捕集密度；Cm 碳烟层比热容；Cw 捕集壁面比热容；H碳烟氧化标准焓值；Qreact 碳烟氧化反应放热；Hcon对流换热量；Htran传导热量；传导系数。以 SCBD220D2 型柴油机为原型建立仿真试验模型，其结构参数如表 1 所示。表 1 模型参数Tab.1 Model parameters主要参数数值主要参数数值发动机排量/L11.8L通道密度/CPSI200转速/(r/min)1 500孔隙率0.5载体直径/mm300微孔直径/mm0.035载体长度/mm400进气温度/350载体壁厚/mm0.4进气中含氧量/%12载体渗透率/mm27.1 10-8进气流量/(L/s)160载体内初始温度/200初始沉积的颗粒物密度/(g/L)2利用 GT-Power 建立上述 DPF 的再生模型，该模型主要包括进气、DPF、排气 3 个输入部分和温度输出及沉积颗粒物质量输出 2 个输出部分，如图2 所示。2 单因素试验2.1 参数选取对进气温度、载体内初始沉积的颗粒物密度、进气流量和进气中氧气含量分别进行单因素实验，碳烟层碳烟层进气通道捕集壁面排气通道D1D2T1 P1Tw PwT2 P2图 1 DPF 单通道模型Fig.1 DPF single channel model117第 61 卷第 3 期参数选取如下：（1）进气温度选取 200，300，400，500；（2）载体内初始沉积的颗粒物密度选取 1，2，3，4 g/L；（3）进气流量选取 80，160，240，320 L/s；（4）进气中 O2含量选取 6%，8%，12%，16%。每次实验仿真模拟时间都设定为 540 s，DPF总体积为 28.26 L。为了研究方便，以过程中颗粒残余量来反映再生反应速率的大小及再生时间的长短。在载体的通道内选择6个间隔均匀分布的点15，如图 3 所示。在某一时刻，其中的某一个点的温度最高，取该温度为此时的通道内峰值温度。2.2 试验结果进气温度对通道内峰值温度的影响如图 4 所示，对颗粒残余量的影响如图 5 所示。从图 4 中可知，在 t=0 s 时，4 种进气温度的通道初始温度皆为 200。当进气温度为 200 时，整个过程通道内峰值温度基本上维持在 200 附近不变，这是因为当温度为 200 时，温度达不到颗粒物的着火点，颗粒物无法氧化放出热量。随着时间的增长，其余 3 种规格的通道内的峰值温度也在升高。当进气温度为 400 时，在 t=360 s 附近时，通道内峰值温度达到最大值，约为 486；当进气温度为 500 时，在 t=100540 s 时段，其峰值温度曲线一直在 500 上下波动。这是因为颗粒物氧化放出的热量所达到的最高温度为 480，在 480之后的通道内峰值温度由载体的进气温度决定。从图 5 可知，当进气温度为 200 时，因为温度太低，不发生再生反应，颗粒残余量随时间的增长几乎不变；当进气温度为 300 时，虽然有再生反应，但速率很慢，直至结束时，颗粒残余量还有约 28 g；当进气温度为 500 时，再反应速率最快，再生需要的时间也最小。初始沉积的颗粒物密度对通道内峰值温度的影响如图6所示，对颗粒残余量的影响如图7所示。由图 6 可知，刚开始时，这 4 种密度的通道内峰值温度相差不大，随着时间的推移，密度越大，对应通道内峰值温度也越高。在 t=350 s 附近时，密度为 4 g/L 的峰值温度最高，为 500，过了最大值后逐渐降低，直至结束，其峰值温度约为345。密度为 1 g/L 的最大峰值温度约为 380。刘昶 等：农用机械柴油机 DPF 再生性能的建模与仿真温度输出进气温度DPF进气通道温度排气温度排气沉积颗粒物质量输出 3 1 21 1 319 18图 2 DPF 再生模型Fig.2 DPF regeneration model位置1 位置2 位置3 位置4 位置5 位置6进气通道排气通道图 3 通道内位置点示意图Fig.3 Schematic diagram of position points in channel图 4 进气温度对通道内峰值温度的影响Fig.4 Influence of inlet temperature on peak temperature in the channel0 100 200 300 400 500时间/s600500400300200100峰值温度/200 400 300 500 图 5 进气温度对颗粒物残余量的影响Fig.5 Influence of inlet air temperature on particulate residual amount0 100 200 300 400 500时间/s6050403020100颗粒物残余量/g200 300 400 500 0 100 200 300 400 500时间/s550500450400350300250200150峰值温度/1 g/L2 g/L3 g/L4 g/L图 6 初始沉积的颗粒物密度对通道内峰值温度的影响Fig.6 Influence of initial deposition particle density on peak temperature in the channel118农业装备与车辆工程 2023 年从图 7 中可知，随着时间的增长，密度越大，再生反应速率也最快，再生需要的时间也越短。13 g/L 再生反应速率变化明显，而 34 g/L 再生反应速率增长幅度较小。进气流量对载体通道内峰值温度的影响如图 8所示，对颗粒残余量的影响如图 9 所示。由图 8 可知，当进气流量为 320 L/s 时，通道内最大峰值温度出现得最早，约为 385，在t=150 s 附近出现；t=150 s 之后，峰值温度逐渐降低；当进气流量为 240 L/s 时，最大峰值温度约在t=300 s 时为 400。当进气流量为 80 L/s 时，载体通道内最大峰值温度到 t=540 s 时还未出现，曲线一直为上升趋势。出现这种情况是因为大流量高流速的进气流会在短时间内将颗粒物氧化放出的热量带走，所以其最大峰值温度不高。由图 9 可以看出，进气流量由 80 L/s 提高到160 L/s 时，再生反应速率明显增快，再生所需的时间减少；从160 L/s提高到240 L/s乃至320 L/s时，再生速率变化不明显。这是因为虽然单位时间内进气流量多了，但是载体通道内的氧气是一定的，没有过多的氧气，燃烧无法进行，同时进气流量也会带走一定的热量使得载体内温度降低，再生反应速率将会进一步降低。进气中氧气含量对载体通道内峰值温度的影响如图10所示，对颗粒残余量的影响如图11所示。由图 10 可知，随着进气中氧气含量的增多，载体通道内的最大峰值温度也在升高。当氧气含量为 6%时，其最大的峰值温度为 365；当氧气含量为 16%时，其最大的峰值温度为 430。由图 11 可知，进气中氧气含量越高，再生所需要的时间越短。当氧气含量为 6%和 8%时，到试验结束时，颗粒残余量分别还有 18 g 和 12 g，因为进气中氧气太少，不足以支撑颗粒物氧化燃烧，再生反应还未完全结束3 正交实验3.1 试验设计选取根据进气温度、载体内初始沉积的颗粒0 100 200 300 400 500时间/s450400350300250200150峰值温度/80 L/s160 L/s240 L/s320 L/s图 8 进气流量对通道内峰值温度的影响Fig.8 Influence of inlet flow rate on peak temperature in the channel图 7 初始沉积的颗粒物密度对颗粒残余量的影响Fig.7 Influence of initial deposition particle density on particle residual amount0 100 200 300 400 500时间/s1201008060402001 g/L2 g/L3 g/L4 g/L颗粒物残余量/g图 9 进气流量对颗粒残余的影响Fig.9 Influence of inlet flow rate on particle residue0 100 200 300 400 500时间/s6050403020100颗粒物残余量/g80 L/s160 L/s240 L/s320 L/s图 10 进气中氧气含量对通道内峰值温度的影响Fig.10 Influence of oxygen content in intake on peak temperature in the channel0 100 200 300 400 500时间/s峰值温度/6%8%12%16%450400350300250200150图 11 进气中氧气含量对颗粒物残余量的影响Fig.11 Influence of oxygen content in air intake on residual particulate matter0 100 200 300 400 500时间/s颗粒物残余量/g6%8%12%16%6050403020100119第 61 卷第 3 期物密度、进气流量和进气中氧气含量 4 因素，表中分别用字母 A、B、C、D 表示进气温度、载体内初始沉积的颗粒物密度、进气流量和进气中氧气含量。根据单因素试验结果，去除明显的高峰值温度和再生所需太长时间的数值，再辅以一定量的中间数值，每个影响因素共有3个水平取值如表2所示。表 2 正交试验各因素取值Tab.2 Values of each factor in orthogonal test水平因素A/B/(g/L)C/(L/s)D/%135011601224002200143450324016正交试验不考虑交互作用，选用L9（34）正交表，如表 3 所示。表 3 正交试验表Tab.3 Orthogonal test table试验序号因素ABCD111112122231333421235223162312731328321393321采取与单因素试验同样的试验设定，并设定评价指标为再生反应时载体通道内最大峰值温度和再生反应效率达到 90%所需要的时间。3.2 试验结果按照表 3 中安排进行仿真试验，得到每组参数的再生反应时载体通道内温度最大值和再生反应所需要的时间，具体结果如表 4 所示。表 4 具体实验结果Tab.4 Specific experimental results试验序号最大峰值温度/再生所需时间/s1386.35402478.53173421.92894394.51755453.22136430.82327408.12518510.82099452.6264将表 4 中得到的具体实验结果进一步分析得到表 5 和表 6。表 5 最大峰值温度具体分析结果Tab.5 Specific analysis results of maximum peak temperatureABCDT11 268.71 170.91 309.91 274.1T21 278.51 442.51 315.61 317.4T31 371.51 305.31 283.21 327.4t1422.9390.3436.6424.7t2426.2480.8438.5439.1t3457.2435.1427.7442.4R102.8271.632.453.1由表 5 可知，对通道内最大峰值温度，各因素的影响能力从大到小依次为密度、进气温度、进气中氧气含量和进气流量。最大峰值温度数值越低越好，所以最优方案为密度取 1 g/L，进气温度取350，进气中氧气含量取12%，进气流量取240 L/s。表 6 再生所需时间具体分析结果Tab.6 Specific analysis results of regeneration timeABCDT111469669811017T2620739756800T3724785733673t1382322327339t2206.7246.3252266.7t3241.3261.7244.3224.3R526227248344由表 6 可知，对于再生所需时间，各因素影响能力从大到小依次为进气温度、进气中氧气含量、进气流量和密度。再生所需时间也是数值越低越好，所以最优方案为进气温度取 400，进气中氧气含量取 16%，进气流量取 240 L/s，密度取 2 g/L。最后，将这 2 种指标结合起来综合考虑。把2 种最优方案根据主次关系结合，得到本次仿真试验的最佳方案为：载体内初始沉积的颗粒物密度取 1 g/L，进气温度取 400，进气中氧气含量取16%，进气流量取 240 L/s。对上述最佳方案进行仿真，得到最终模拟结果：载体通道内最大峰值温度为 424.6，再生所需时间为 193 s，DPF 再生效率得到提高，尾气排放因此得到改善。4 结论（1）根据单因素试验结果得出：进气温度的选择需要权衡颗粒残余量和载体通道内的峰值温度，既不能太高也不能太低；初始沉淀颗粒物密度影响压降，适中为好；进气流量不能太低也不能太刘昶 等：农用机械柴油机 DPF 再生性能的建模与仿真120农业装备与车辆工程 2023 年高，适中即可；载体再生时所需的进气中氧气含量不能太低。（2）根据正交试验结果得出：对通道内最大峰值温度，各因素的影响能力从大到小依次为密度、进气温度、进气中氧气含量和进气流量；对于再生所需时间，各因素的影响能力从大到小依次为进气温度、进气中氧气含量、进气流量和密度。（3）综合考虑 2 种指标中各因素的主次关系，得出最优方案：载体内初始沉积的颗粒物密度取 1 g/L，进气温度取 400，进气中氧气含量取16%，进气流量取 240 L/s。此参数条件下载体通道内最大峰值温度为424.6，再生所需时间为193 s，再生效率得到提高。参考文献1 吴君华,葛飞.基于 AMESim 的柴油机 SCR 尿素喷嘴性能仿真研究 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