張耀武

（呼和浩特職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

由于微粒捕集器的實(shí)際性能受實(shí)際道路工況的影響很大，因此在進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)值模擬分析前，應(yīng)該對(duì)實(shí)際道路工況進(jìn)行試驗(yàn)。在排氣背壓模擬試驗(yàn)、過濾體微粒捕集模型和排氣阻力模型研究以及道路工況試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)整個(gè)微粒捕集器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。本文主要利用模型分析微粒捕集器凈化效率、排氣阻力和微粒捕集器壽命的變化規(guī)律，對(duì)微粒捕集器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 道路工況試驗(yàn)

1.1 測試系統(tǒng)的安裝

測試系統(tǒng)在車上的供電，通過DC/AC變換器，將車載24 V直流電轉(zhuǎn)換為220 V交流電來實(shí)現(xiàn)；油門位置信號(hào)通過安裝在油門踏板機(jī)構(gòu)上的聯(lián)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)引入車內(nèi)；排氣煙度信號(hào)通過夾在排氣尾管上的取樣管引入車內(nèi)，再通過排風(fēng)管導(dǎo)出車外。

1.2 試驗(yàn)場地的選定

道路試驗(yàn)的目的是為了盡可能真實(shí)地記錄實(shí)際行車時(shí)的試驗(yàn)工況，因此，試驗(yàn)道路的選擇，應(yīng)盡可能兼顧高中低速道路工況。

1.3 測試結(jié)果分析

1.3.1 典型行駛工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷率分布

（1）70～90km/h高速行駛工況（高速路）。從圖1中可以看出，在駕駛員經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，?dāng)車輛行駛速度達(dá)到90 km/h時(shí)，油門位置為50%，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 500 r/min，排氣溫度達(dá)到近400℃，但消光率還不到15%，這是因?yàn)榇藭r(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率僅在50%左右，負(fù)荷率低意味著循環(huán)噴油量小，且轉(zhuǎn)速較高時(shí)的噴射壓力高，燃油霧化好，因而發(fā)動(dòng)機(jī)的排煙小。

圖1 高速行駛工況下的測試結(jié)果（70～90 km/h）

（2）50～70km/h勻速行駛工況。行駛速度大約為60km/h，這時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率也僅達(dá)到40%左右，排氣溫度維持在280℃左右。因?yàn)樨?fù)荷率低，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣煙度很小，如圖2所示。

圖2 勻速行駛工況的測試結(jié)果（50～70km/h）

（3）30～50km/h緩慢行駛工況。平均車速達(dá)到40 km/h時(shí)的排氣溫度穩(wěn)定在280℃，排氣煙度同樣很小，如圖3所示。

1.3.2 對(duì)測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見圖4）發(fā)現(xiàn)，在總數(shù)約8000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中，97%的發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置處于50%以下，其中1/3以上（約36%）的油門位置低于10%。也就是說，在實(shí)際的北京城市道路工況下，客車的最主要工況是小負(fù)荷工況，負(fù)荷率不足10%，高于50%的行駛工況非常少，只有在高速公路上才會(huì)出現(xiàn)。

在上述這些道路工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度處于150～400℃之間，因?yàn)槠骄?fù)荷率低，發(fā)動(dòng)機(jī)的平均排氣溫度也比較低（約為220℃）。考慮到試驗(yàn)過程中車輛基本處于輕負(fù)載狀態(tài)，與客車的實(shí)際運(yùn)營狀況相比，負(fù)載率可能偏低；因此，實(shí)際運(yùn)營中車輛的平均排氣溫度會(huì)高于此溫度，估計(jì)接近300℃。

圖3 緩慢行駛工況的測試結(jié)果（50～70km/h）

圖4 對(duì)測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

在低負(fù)荷工況占優(yōu)的情況下，有80%的數(shù)據(jù)點(diǎn)的排氣煙度位于0～10%之間（不透光率，相當(dāng)于BOSCH煙度0～1.1），雖然大部分工況下看不到排氣中的黑煙（Rb＜1），但仍有1/5的時(shí)間可目視到，且在局部工況下的排煙不透光率更高達(dá)55%。

2 系統(tǒng)模型假設(shè)

在排氣背壓模擬試驗(yàn)、過濾體微粒捕集模型、排氣阻力模型研究以及道路工況試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)整個(gè)微粒捕集器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

對(duì)模型中的假設(shè)說明如下：

（1）柴油機(jī)的排氣流量近似等于進(jìn)氣流量；

（2）用過濾體排氣阻力近似替代柴油機(jī)排氣背壓；

（3）過濾體微粒捕集模型和排氣阻力模型需要加入溫度修正，可以用理想氣體狀態(tài)方程來計(jì)算；

（4）過濾體是通過逆向噴氣再生的，其再生過程涉及到高壓高速氣體的流動(dòng)，而且過濾體微粒累積層的脫落過程沒有比較成熟的物理模型來描述，因此用再生效率這個(gè)參數(shù)來反映再生的效果。

用再生次數(shù)來評(píng)價(jià)微粒捕集器的使用壽命，對(duì)過濾體進(jìn)行了逆向噴氣再生沖擊考核試驗(yàn)。試驗(yàn)中排氣溫度保持在300℃左右，反吹再生氣體壓力為0.6MPa，反吹脈沖電磁閥開啟脈寬為0.5 s，再生周期為30s。通過考核試驗(yàn)，過濾體耐沖擊次數(shù)達(dá)到4 000次。因此本文的微粒捕集器使用壽命以4000次再生周期內(nèi)的車輛行駛里程來計(jì)算。

3 系統(tǒng)模型分析

整個(gè)數(shù)值模擬系統(tǒng)的計(jì)算流程圖如圖5所示。

圖5 捕集器系統(tǒng)數(shù)值模擬流程圖

3.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的正確性與合理性，對(duì)東風(fēng)八平柴試驗(yàn)車安裝的逆向噴氣再生微粒捕集器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。圖6是高速公路工況下排氣背壓數(shù)值模擬分析結(jié)果與實(shí)際整車試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖（為2011年10月15日在天津-秦皇島高速公路試驗(yàn)數(shù)據(jù)）。

從圖6中可以看出，模擬結(jié)果的再生間隔里程與實(shí)際試驗(yàn)的再生間隔里程基本一致，都是30～35km。模擬的排氣背壓上升曲線基本上為線性，這與實(shí)際試驗(yàn)的排氣背壓上升規(guī)律基本符合。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)值模擬基本能夠反映排氣背壓的變化規(guī)律，這說明模型有一定可靠性。

圖6 數(shù)值模擬結(jié)果與整車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

表1 不同規(guī)格系列過濾體系統(tǒng)模型分析結(jié)果

3.2 不同型號(hào)過濾體的系統(tǒng)性能分析

對(duì)18種規(guī)格系列的過濾體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到的結(jié)果如表1?？梢钥闯?，18種規(guī)格的過濾體的系統(tǒng)壽命基本達(dá)到了105km的設(shè)計(jì)要求，在微粒捕集器系統(tǒng)匹配時(shí)，過濾體選型可以根據(jù)柴油機(jī)的排氣流量和需要達(dá)到的凈化效率來確定過濾體型號(hào)，然后參考表1就可以確定系統(tǒng)的使用壽命。

3.3 系統(tǒng)壽命分析

3.3.1 再生時(shí)排氣背壓的影響

再生時(shí)機(jī)主要表現(xiàn)為再生時(shí)排氣背壓限值，不同的排氣背壓限值對(duì)應(yīng)著不同的柴油機(jī)動(dòng)力損失和油耗上升，此外主要研究不同排氣背壓限值（即再生控制策略）對(duì)系統(tǒng)壽命的影響。

圖7為BL2903過濾體微粒捕集器在不同的排氣背壓限值時(shí)仿真分析結(jié)果。可以看出，排氣背壓限值與系統(tǒng)壽命成線性關(guān)系，排氣背壓限值每上升10kPa，系統(tǒng)壽命增加約2×104km。

3.3.2 過濾體凈化效率的影響

過濾體凈化效率決定著微粒捕集器的凈化效率，同時(shí)凈化效率也影響微粒累積的速度，從而影響微粒捕集器的壽命。圖8為過濾體不同凈化效率對(duì)系統(tǒng)壽命的影響分析圖。

圖7 排氣背壓限值對(duì)系統(tǒng)壽命的影響

圖8 過濾體凈化效率對(duì)系統(tǒng)壽命的影響

從圖8可以看出，凈化效率越高，系統(tǒng)壽命越短，兩者基本成線性關(guān)系。凈化效率每增加10%，系統(tǒng)壽命減小約2×104km。

3.3.3 過濾體再生效率的影響

再生效率是由逆向噴氣再生系統(tǒng)中一系列因素綜合決定的，再生效果的好壞直接影響系統(tǒng)的使用壽命，圖9是過濾體不同再生效率對(duì)系統(tǒng)壽命的仿真分析結(jié)果圖?？梢钥闯?，再生效率越高，系統(tǒng)壽命越長。因此為了延長系統(tǒng)壽命，提高系統(tǒng)的可靠性，研究可靠、高效的再生技術(shù)是必要的。再生效率與系統(tǒng)壽命基本成線性關(guān)系，再生效率提高10%，系統(tǒng)壽命約增加2×104km。

3.3.4 柴油機(jī)微粒排放水平的影響

柴油機(jī)微粒排放水平受很多因素影響，如柴油機(jī)燃燒狀況、保養(yǎng)水平、車輛使用水平、道路狀況等，本文以每公里微粒排放量來評(píng)價(jià)排放水平，圖10是排放水平系數(shù)對(duì)系統(tǒng)壽命的影響曲線?？梢钥闯觯⒘Ｅ欧潘脚c系統(tǒng)壽命基本成指數(shù)關(guān)系。當(dāng)微粒排放量為0.3 g/km（相當(dāng)于EURO1）時(shí)，系統(tǒng)壽命約為105km，可見微粒捕集器受柴油機(jī)排放水平的影響很大。當(dāng)柴油機(jī)技術(shù)狀況惡化或嚴(yán)重超載時(shí)，系統(tǒng)壽命會(huì)很快下降，因此使用了微粒捕集器的柴油車也應(yīng)該注意日常維護(hù)保養(yǎng)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)道路工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)微粒捕集器系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)物理模型，通過數(shù)值試驗(yàn)與整車試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性與合理性。

圖9 再生效率對(duì)系統(tǒng)壽命的影響

圖10 微粒排放量對(duì)系統(tǒng)壽命的影響

根據(jù)所建立的系統(tǒng)模型，對(duì)影響系統(tǒng)壽命的各因素進(jìn)行了分析：柴油機(jī)排放水平是影響系統(tǒng)壽命的最顯著因素，兩者呈指數(shù)關(guān)系；再生時(shí)排氣背壓限值、過濾體凈化效率和再生效率與系統(tǒng)壽命呈線性關(guān)系，對(duì)微粒捕集器系統(tǒng)使用壽命有一定的影響。

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