微粒捕集器系统数值模拟研究

张耀武

（呼和浩特职业学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

由于微粒捕集器的实际性能受实际道路工况的影响很大，因此在进行系统数值模拟分析前，应该对实际道路工况进行试验。在排气背压模拟试验、过滤体微粒捕集模型和排气阻力模型研究以及道路工况试验的基础上，可以对整个微粒捕集器系统进行数值模拟。本文主要利用模型分析微粒捕集器净化效率、排气阻力和微粒捕集器寿命的变化规律，对微粒捕集器系统进行数值模拟研究。

1 道路工况试验

1.1 测试系统的安装

测试系统在车上的供电，通过DC/AC变换器，将车载24 V直流电转换为220 V交流电来实现；油门位置信号通过安装在油门踏板机构上的联动装置，转换为电信号引入车内；排气烟度信号通过夹在排气尾管上的取样管引入车内，再通过排风管导出车外。

1.2 试验场地的选定

道路试验的目的是为了尽可能真实地记录实际行车时的试验工况，因此，试验道路的选择，应尽可能兼顾高中低速道路工况。

1.3 测试结果分析

1.3.1 典型行驶工况下的发动机转速与负荷率分布

（1）70～90km/h高速行驶工况（高速路）。从图1中可以看出，在驾驶员经验模式下，当车辆行驶速度达到90 km/h时，油门位置为50%，发动机转速达到2 500 r/min，排气温度达到近400℃，但消光率还不到15%，这是因为此时的发动机负荷率仅在50%左右，负荷率低意味着循环喷油量小，且转速较高时的喷射压力高，燃油雾化好，因而发动机的排烟小。

图1 高速行驶工况下的测试结果（70～90 km/h）

（2）50～70km/h匀速行驶工况。行驶速度大约为60km/h，这时的发动机负荷率也仅达到40%左右，排气温度维持在280℃左右。因为负荷率低，发动机的排气烟度很小，如图2所示。

图2 匀速行驶工况的测试结果（50～70km/h）

（3）30～50km/h缓慢行驶工况。平均车速达到40 km/h时的排气温度稳定在280℃，排气烟度同样很小，如图3所示。

1.3.2 对测试结果的统计分析

对全部试验数据进行统计分析（见图4）发现，在总数约8000个数据点中，97%的发动机油门位置处于50%以下，其中1/3以上（约36%）的油门位置低于10%。也就是说，在实际的北京城市道路工况下，客车的最主要工况是小负荷工况，负荷率不足10%，高于50%的行驶工况非常少，只有在高速公路上才会出现。

在上述这些道路工况下，发动机的排气温度处于150～400℃之间，因为平均负荷率低，发动机的平均排气温度也比较低（约为220℃）。考虑到试验过程中车辆基本处于轻负载状态，与客车的实际运营状况相比，负载率可能偏低；因此，实际运营中车辆的平均排气温度会高于此温度，估计接近300℃。

图3 缓慢行驶工况的测试结果（50～70km/h）

图4 对测试结果的统计分析

在低负荷工况占优的情况下，有80%的数据点的排气烟度位于0～10%之间（不透光率，相当于BOSCH烟度0～1.1），虽然大部分工况下看不到排气中的黑烟（Rb＜1），但仍有1/5的时间可目视到，且在局部工况下的排烟不透光率更高达55%。

2 系统模型假设

在排气背压模拟试验、过滤体微粒捕集模型、排气阻力模型研究以及道路工况试验的基础上，可以对整个微粒捕集器系统进行数值模拟。

对模型中的假设说明如下：

（1）柴油机的排气流量近似等于进气流量；

（2）用过滤体排气阻力近似替代柴油机排气背压；

（3）过滤体微粒捕集模型和排气阻力模型需要加入温度修正，可以用理想气体状态方程来计算；

（4）过滤体是通过逆向喷气再生的，其再生过程涉及到高压高速气体的流动，而且过滤体微粒累积层的脱落过程没有比较成熟的物理模型来描述，因此用再生效率这个参数来反映再生的效果。

用再生次数来评价微粒捕集器的使用寿命，对过滤体进行了逆向喷气再生冲击考核试验。试验中排气温度保持在300℃左右，反吹再生气体压力为0.6MPa，反吹脉冲电磁阀开启脉宽为0.5 s，再生周期为30s。通过考核试验，过滤体耐冲击次数达到4 000次。因此本文的微粒捕集器使用寿命以4000次再生周期内的车辆行驶里程来计算。

3 系统模型分析

整个数值模拟系统的计算流程图如图5所示。

图5 捕集器系统数值模拟流程图

3.1 模型验证

为验证模型的正确性与合理性，对东风八平柴试验车安装的逆向喷气再生微粒捕集器系统进行数值模拟。图6是高速公路工况下排气背压数值模拟分析结果与实际整车试验结果的对比图（为2011年10月15日在天津-秦皇岛高速公路试验数据）。

从图6中可以看出，模拟结果的再生间隔里程与实际试验的再生间隔里程基本一致，都是30～35km。模拟的排气背压上升曲线基本上为线性，这与实际试验的排气背压上升规律基本符合。整个系统的数值模拟基本能够反映排气背压的变化规律，这说明模型有一定可靠性。

图6 数值模拟结果与整车试验结果对比图

表1 不同规格系列过滤体系统模型分析结果

3.2 不同型号过滤体的系统性能分析

对18种规格系列的过滤体进行数值模拟分析，得到的结果如表1。可以看出，18种规格的过滤体的系统寿命基本达到了105km的设计要求，在微粒捕集器系统匹配时，过滤体选型可以根据柴油机的排气流量和需要达到的净化效率来确定过滤体型号，然后参考表1就可以确定系统的使用寿命。

3.3 系统寿命分析

3.3.1 再生时排气背压的影响

再生时机主要表现为再生时排气背压限值，不同的排气背压限值对应着不同的柴油机动力损失和油耗上升，此外主要研究不同排气背压限值（即再生控制策略）对系统寿命的影响。

图7为BL2903过滤体微粒捕集器在不同的排气背压限值时仿真分析结果。可以看出，排气背压限值与系统寿命成线性关系，排气背压限值每上升10kPa，系统寿命增加约2×104km。

3.3.2 过滤体净化效率的影响

过滤体净化效率决定着微粒捕集器的净化效率，同时净化效率也影响微粒累积的速度，从而影响微粒捕集器的寿命。图8为过滤体不同净化效率对系统寿命的影响分析图。

图7 排气背压限值对系统寿命的影响

图8 过滤体净化效率对系统寿命的影响

从图8可以看出，净化效率越高，系统寿命越短，两者基本成线性关系。净化效率每增加10%，系统寿命减小约2×104km。

3.3.3 过滤体再生效率的影响

再生效率是由逆向喷气再生系统中一系列因素综合决定的，再生效果的好坏直接影响系统的使用寿命，图9是过滤体不同再生效率对系统寿命的仿真分析结果图。可以看出，再生效率越高，系统寿命越长。因此为了延长系统寿命，提高系统的可靠性，研究可靠、高效的再生技术是必要的。再生效率与系统寿命基本成线性关系，再生效率提高10%，系统寿命约增加2×104km。

3.3.4 柴油机微粒排放水平的影响

柴油机微粒排放水平受很多因素影响，如柴油机燃烧状况、保养水平、车辆使用水平、道路状况等，本文以每公里微粒排放量来评价排放水平，图10是排放水平系数对系统寿命的影响曲线。可以看出，微粒排放水平与系统寿命基本成指数关系。当微粒排放量为0.3 g/km（相当于EURO1）时，系统寿命约为105km，可见微粒捕集器受柴油机排放水平的影响很大。当柴油机技术状况恶化或严重超载时，系统寿命会很快下降，因此使用了微粒捕集器的柴油车也应该注意日常维护保养。

4 结束语

本文对道路工况试验数据进行了整理和统计分析，在此基础上，对微粒捕集器系统建立了数学物理模型，通过数值试验与整车试验对比，验证了模型的正确性与合理性。

图9 再生效率对系统寿命的影响

图10 微粒排放量对系统寿命的影响

根据所建立的系统模型，对影响系统寿命的各因素进行了分析：柴油机排放水平是影响系统寿命的最显著因素，两者呈指数关系；再生时排气背压限值、过滤体净化效率和再生效率与系统寿命呈线性关系，对微粒捕集器系统使用寿命有一定的影响。

[1]资新运.柴油机排放控制对策及排气后处理技术[R].清华大学博士后研究报告，2001（4）：21-30.

[2]Peter JE A，Ake R L.Brandberg.Relative impact on environment and health from the introduction of low emission city buses in sweden[J].SAE 2000，1882：32-45.

[3]汪卫东.国外三大汽车排放法规体系[J].柴油机设计与制造，2003（4）：24-32.

[4]杨寿藏.全球中、重载车用柴油机排放法规和对策[J].柴油机设计与制造，2002（2）：30-43.

[5]Heavy-duty diesel truck and bus engines[DB/OL].[2012-12].http：//www.dieselnet.com/index.html：2012-12.

[6]李兴虎.汽车排气污染与控制[M].北京：机械工业出版社，1999：46-49.

[7]杨妙梁.汽车发动机与环境保护[M].北京：中国物资出版社，2001：24-37.

[8]大众汽车公司1999/2000环境保护报告 [R].大众汽车：15-21.