張博琦

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基于GT-Power的柴油顆粒過(guò)濾器性能的模擬研究*

張博琦

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

使用GT-Power軟件建立了柴油顆粒過(guò)濾器的仿真模型，對(duì)柴油顆粒過(guò)濾器（DPF）的過(guò)濾性能進(jìn)行模擬仿真。研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其過(guò)濾性能的影響。結(jié)果表明，影響DPF過(guò)濾效率的主要參數(shù)有通道密度、過(guò)濾壁厚度、過(guò)濾體微孔直徑、過(guò)濾體的孔隙率、過(guò)濾器直徑；影響DPF壓降的主要參數(shù)有通道密度、過(guò)濾壁厚度、過(guò)濾體的孔隙率、過(guò)濾壁滲透率以及過(guò)濾器直徑。這些結(jié)論為DPF的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

柴油機(jī)；顆粒過(guò)濾器；GT-Power；過(guò)濾效率；壓降

前言

柴油機(jī)因其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性而被廣泛應(yīng)用，但是受限于燃燒方式和燃料自身的影響，柴油機(jī)顆粒物（PM）的排放因子很大，既對(duì)環(huán)境和人體健康造成了影響[1]，也制約了柴油車的發(fā)展。為滿足日益嚴(yán)格的國(guó)IV、國(guó)V法規(guī)中對(duì)于顆粒物排放的要求，柴油顆粒過(guò)濾器（DPF）作為一種解決方案而被應(yīng)用。

本文利用GT-Power軟件，建立了壁流式柴油顆粒過(guò)濾器[2]的仿真模型。通過(guò)模擬仿真，研究了顆粒過(guò)濾器微孔直徑、孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響，并且得到較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍[3]，為高性能DPF的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 DPF仿真模型的建立

柴油顆粒過(guò)濾器的過(guò)濾性能主要通過(guò)過(guò)濾效率和壓降兩個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。分析發(fā)現(xiàn)，排氣中的顆粒特征、排氣相關(guān)參數(shù)和過(guò)濾體本身的結(jié)構(gòu)特征等都對(duì)其性能產(chǎn)生影響[4]。在實(shí)際中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化，排放的顆粒大小、數(shù)量和排氣流量、溫度等都會(huì)發(fā)生變化，因此研究過(guò)濾器本身的結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)濾效率和壓降的影響，更具有實(shí)際意義。與實(shí)驗(yàn)研究相比，模擬仿真研究更節(jié)約時(shí)間、人力和物力成本。

建立的壁流式柴油顆粒過(guò)濾器仿真模型[5]如圖1所示。該模型主要包括：顆粒過(guò)濾器、廢氣進(jìn)入、廢氣排出、壓力損失輸出和過(guò)濾效率輸出五部分。

圖1 DPF仿真模型

模擬時(shí)的初始參數(shù)設(shè)置為：過(guò)濾器的直徑250mm，通道長(zhǎng)度300mm，通道密度150CPSI，過(guò)濾壁厚度0.3mm，微孔直徑0.020mm，孔隙率0.50，過(guò)濾器滲透率6.7×10-7mm2。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過(guò)濾性能的影響

柴油顆粒過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括過(guò)濾器壁厚、微孔直徑，孔隙率以及過(guò)濾器滲透率、孔密度（CPSI）和過(guò)濾器的直徑。不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柴油顆粒過(guò)濾器的過(guò)濾性能有不同程度影響[6]。柴油顆粒過(guò)濾器的過(guò)濾性能通過(guò)濾效率和壓力損失兩個(gè)重要指標(biāo)來(lái)衡量，其中壓力損失表示顆粒過(guò)濾器對(duì)流體流動(dòng)的阻礙程度，壓力損失越大，對(duì)柴油機(jī)的性能影響越大。本文通過(guò)改變過(guò)濾器單一結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，進(jìn)行仿真研究，得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)顆粒過(guò)濾器性能的影響。

2.1 通道密度（CPSI）對(duì)DPF性能的影響

通道密度(CPSI)表示每平方英寸橫截面積上的通道數(shù)量。本文選取了100、150、200、250四個(gè)CPSI值來(lái)研究。仿真結(jié)果如圖2和圖3。

圖2 CPSI對(duì)過(guò)濾效率的影響

圖3 CPSI對(duì)壓降的影響

圖2和圖3分別表示，在只改變通道密度，而不改變其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，通道密度對(duì)過(guò)濾效率和壓降的影響。從圖2中可以看出，100、150、200和250CPSI值下的過(guò)濾效率都比較低，且達(dá)到最大過(guò)濾效率的時(shí)間基本相同。隨著CPSI的值增大，顆粒過(guò)濾器的初始過(guò)濾效率也隨之增大，這主要是因?yàn)槊科椒接⒋鐧M截面積內(nèi)的通道數(shù)越多，過(guò)濾器的有效面積越大，從而提高了過(guò)濾器的過(guò)濾效率。從圖3中可以看出，壓降隨CPSI值的增大而增大，同時(shí)壓降隨著時(shí)間的增幅都比較近似。綜上可以看出，通道密度的值不能過(guò)高，也不能過(guò)低，需要兼顧過(guò)濾效率和壓降，所以取值最好在150CPSI~200CPSI范圍內(nèi)選取。

2.2 過(guò)濾壁厚度對(duì)DPF性能影響

顆粒過(guò)濾器的過(guò)濾壁是指排氣氣流通過(guò)的微孔壁，本文選取了以下幾個(gè)過(guò)濾壁參數(shù)：0.2mm、0.3 mm、0.4mm、0.5mm。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 過(guò)濾壁厚度對(duì)過(guò)濾效率的影響

圖5 過(guò)濾壁厚對(duì)壓降的影響

由圖4可知，隨著過(guò)濾壁厚度的增加，初始過(guò)濾效率也隨之增加。當(dāng)過(guò)濾器壁厚為0.2mm時(shí)，初始過(guò)濾效率為0.726，相對(duì)較低。當(dāng)厚度達(dá)到0.5mm時(shí)，初始過(guò)濾效率為0.931。這是因?yàn)殡S著過(guò)濾器壁厚度的增大，有效過(guò)濾面積隨之增大，排氣通過(guò)過(guò)濾壁的時(shí)間增加，過(guò)濾效率也就隨之提高。

在圖5中，隨著過(guò)濾器壁厚的增大，顆粒過(guò)濾器的壓降在不斷升高，這對(duì)柴油機(jī)的工作性能是不利的。綜合來(lái)看，過(guò)濾壁的厚度取值宜在0.3mm~0.4mm之間選取。

2.3 過(guò)濾器微孔直徑對(duì)DPF性能影響

過(guò)濾器材料的微孔直徑是柴油顆粒過(guò)濾器的重要物理參數(shù)之一[6]，本文在仿真中選取的微孔直徑的尺寸為：0.010，0.015，0.020和0.025mm。仿真結(jié)果如圖6和圖7。

圖6 微孔直徑對(duì)過(guò)濾效率的影響圖

圖7 微孔直徑對(duì)壓降的影響

從圖6和圖7中可以看出，微孔直徑越小，過(guò)濾器的過(guò)濾效率越大，當(dāng)微孔直徑為0.010mm時(shí)，其初始過(guò)濾效率接近1，而壓降基本保持在同一位置。即微孔直徑對(duì)過(guò)濾器的壓降基本沒(méi)有影響。綜上可知，應(yīng)該選取盡可能小的微孔直徑，但是更小的微孔直徑增加了材料的制造難度和成本，因此對(duì)于微孔直徑的選取要綜合考慮，至少要低于0.02mm。

2.4 過(guò)濾器材料孔隙率對(duì)DPF性能影響

本文選取了以下4個(gè)孔隙率用于仿真：0.4、0.5、0.6、0.7。仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 孔隙率對(duì)過(guò)濾效率的影響

圖9 孔隙率對(duì)壓降的影響

由圖8和圖9可知，隨著孔隙率的增大，初始過(guò)濾效率和壓降都隨之增大?？紫堵蕿?.7時(shí)，初始過(guò)濾效率接近0.95，但是壓降增速也非常大，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響較大。綜合來(lái)看，孔隙率宜在0.5~0.6之間選擇。

2.5 過(guò)濾器材料滲透率對(duì)DPF性能影響

材料的滲透率表明在一定流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)下，流體通過(guò)多孔介質(zhì)材料的難易程度。本文在仿真時(shí)，對(duì)于材料滲透率的選擇為：6.7×10-5、6.7×10-6、6.7×10-7、6.7×10-8。仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 滲透率對(duì)過(guò)濾效率的影響

圖11 滲透率對(duì)壓降的影響

從圖10中可以看出過(guò)濾器材料的滲透率對(duì)過(guò)濾效率沒(méi)有影響；從圖11中可以看出隨著過(guò)濾器材料滲透率的減小，壓降是增大的，其中滲透率為6.7×10-5的壓降與滲透率為6.7×10-6的壓降基本一致。因此，滲透率宜在6.7×10-6附近選擇。

2.6 過(guò)濾器直徑對(duì)DPF性能影響

從圖12和圖13中可以看出，隨著過(guò)濾器直徑的增大，初始過(guò)濾效率逐漸增大，而壓降則逐漸減小。當(dāng)過(guò)濾器直徑為200mm時(shí)，初始過(guò)濾效率為0.742，非常低；而壓降增速也急劇升高。綜合來(lái)看，過(guò)濾器的直徑宜在250mm~350mm之間選擇，同時(shí)還要考慮安裝時(shí)的空間大小。

圖12 過(guò)濾器直徑對(duì)過(guò)濾效率的影響

圖13 過(guò)濾器直徑對(duì)壓降的影響

3 結(jié)論

（1）與初始過(guò)濾效率呈正相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：通道密度、過(guò)濾壁厚度、孔隙率和過(guò)濾器直徑；呈負(fù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：過(guò)濾體微孔直徑；

（2）與壓降呈正相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：通道密度、過(guò)濾壁厚度和孔隙率；呈負(fù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：過(guò)濾器直徑和滲透率；

（3）當(dāng)過(guò)濾壁滲透率增大到一定程度時(shí)，再增加對(duì)過(guò)濾器的壓降幾乎沒(méi)有影響。

（4）在進(jìn)行過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇時(shí)，要綜合考慮對(duì)過(guò)濾效率、壓降、制造成本和空間大小等的影響。

[1] 黃飛,肖福明.車用柴油機(jī)顆粒排放控制綜述[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào),2006,14（4）:1-5.

[2] 周華,李孟良,景小軍等.DPF對(duì)柴油車氣態(tài)及顆粒物排放的影響[C].2007年APC聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)論文,2007:12-15.

[3] 賀泓,翁瑞,資新運(yùn).柴油車尾氣排放污染控制技術(shù)綜述[J].環(huán)境科學(xué).2007.28(6):1169-1173.

[4] 龔吉科.汽車排放及控制技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2007.

[5] 婁狄明,趙泳生,譚丕強(qiáng)等.基于GT-Power柴油機(jī)顆粒捕集器捕集性能的仿真研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,4(1):1-5.

[6] 嚴(yán)兆大,曹韻華,芮陽(yáng)等.柴油機(jī)用纖維顆粒捕集器的壓力損失研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2002,33（2）:1169-1173.

Simulation Study on Performance of DPF Basing on GT-Power*

Zhang Boqi

( Shaanxi Polytechnic Institute, Shaanxi Xianyang 712000 )

A simulation model of DPF is built by using GT-Power to study the performance of diesel particulate filters（DPF）.In this paper, studying the effect of the different structural parameters of DPF on filtration performance.The results show that the following structural parameters have effects on the filtration efficiency: CPSI, wall thickness, pore diameter, porosity and diameter. And the pressure drop is affected by the CPSI, wall thickness, porosity, permeability and diameter. These provide theoretical basis for the DPF optimization design.

diesel; DPF; GT-Power; filtration efficiency; pressure drop

U462.11

B

1671-7988(2018)21-93-03

U462.11

B

1671-7988(2018)21-93-03

張博琦（1991-），陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工學(xué)碩士，助教，主要研究方向：汽車節(jié)能減排，機(jī)動(dòng)車細(xì)顆粒物排放特征研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.033