微粒捕集器系统数值模拟研究

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