杜明軒，景露霞，閆旭

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

隨著更加嚴(yán)格的排放法規(guī)的頒布實(shí)施，更多的汽車廠商選擇在后處理系統(tǒng)中加裝顆粒捕集器，顆粒捕集器能夠很好地過濾柴油機(jī)排放中產(chǎn)生的顆粒物。我國將于2020年實(shí)施國六排放標(biāo)準(zhǔn)，屆時顆粒捕集器必將成為柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的標(biāo)配。本文依據(jù)道依茨一款柴油機(jī)的參數(shù)，設(shè)計(jì)了與之配套的顆粒捕集器的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了CFD仿真，仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的顆粒捕集器結(jié)構(gòu)滿足其功能要求。

1 柴油機(jī)顆粒捕集器的總體設(shè)計(jì)

本文依據(jù)道依茨F3L2011款柴油機(jī)設(shè)計(jì)了一款串聯(lián)式柴油機(jī)顆粒捕集器，發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)及顆粒捕集器的基本參數(shù)如下所示：

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

1.1 濾芯尺寸的確定

顆粒捕集器濾芯容量與柴油機(jī)排量有很大的關(guān)系。若濾芯容量過大，則會使有效過濾面積減小，增加整個后處理裝置成本；若容量過小，則容易使濾芯前部排氣背壓過高，影響發(fā)動機(jī)正常工作。根據(jù)本柴油機(jī)的排量，從國內(nèi)較為標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格中選取尺寸為￠150*150mm規(guī)格的濾芯。

圖1 顆粒捕集器結(jié)構(gòu)

1.2 加熱器的設(shè)計(jì)

加熱器安裝在排氣管道內(nèi)，不能影響整個排氣管道氣流的正常流通。本次設(shè)計(jì)中加熱器選取堇青石作為整個加熱器的材料。加熱器的功率設(shè)計(jì)可以按照空氣加熱器的功率設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算，本次顆粒捕集器所需要的加熱器功率為 2.4KW，采取埋入式方法在加熱器上布置電阻絲，電阻絲材料選取為表面負(fù)荷能力較高的0Cr27Al7Mo2材料。

1.3 內(nèi)襯及調(diào)節(jié)閥門的選擇

在管道內(nèi)加裝內(nèi)襯，可以起到保溫作用，同時降低安裝誤差對DPF使用的影響。本設(shè)計(jì)采取全隔熱方式安裝，選取Interam550系列的襯墊，并且選擇名義厚度為5mm的規(guī)格。經(jīng)過計(jì)算，襯墊總長度為210mm。

調(diào)節(jié)閥門根據(jù)發(fā)動機(jī)排氣管尺寸及閥門的流量系數(shù)進(jìn)行選擇，流量系數(shù)的計(jì)算公式如下：

Qg------氣體流量m3/h t----氣體溫度 ℃

G-------氣體比重（空氣等于1） Z-------高壓氣體的壓縮系數(shù)，本式取1.

經(jīng)過計(jì)算后的最大流量系數(shù)為40，閥門開度為70%左右時達(dá)到最大流量，符合閥門選擇要求。

2 柴油機(jī)顆粒顆粒捕集器建模與仿真

2.1 仿真模型設(shè)計(jì)與選擇

本設(shè)計(jì)中除去濾芯內(nèi)部的范圍，其他區(qū)域采用的湍流模型為為流體分析中常用的 k-ε標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型，k表示湍動能，ε表示湍動能耗散率，具體的計(jì)算方程如下：

式中：Cμ：經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，多取為 0.09 ui：坐標(biāo)中的速度分量

式中k，ε的運(yùn)輸方程為：

式中：C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

Sk，Sε用戶定義的源項(xiàng)。

本文的仿真模擬重點(diǎn)考慮流場的均勻性，不考慮排氣在濾芯內(nèi)部的顆粒過濾過程，為了簡化計(jì)算，將濾芯整體考慮為多孔介質(zhì)模型。

依據(jù)前文所述顆粒捕集器尺寸進(jìn)行仿真建模，分別選取60°，70°，80°，90°擴(kuò)張角時顆粒捕集器模型進(jìn)行分析。網(wǎng)格的劃分運(yùn)用workbench的網(wǎng)格劃分模塊，采用自動劃分網(wǎng)格的形式，以70°擴(kuò)張角的模型為例，劃分網(wǎng)格后的幾何模型為：

圖2 模型網(wǎng)格劃分

劃分后的總網(wǎng)格數(shù)為165624，其他幾何模型的設(shè)置方法與此相同。

本文模擬計(jì)算所采用的離散化方法為有限體積法，采用壓力與速度耦合的SIMPLE算法，空間離散化設(shè)置梯度設(shè)置為least Squares Cell Based,壓力設(shè)置為Standard,其余各項(xiàng)均設(shè)置為Second Order Upwind.收斂精度設(shè)置為0.001，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)初始化。

2.2 不同擴(kuò)張角下仿真結(jié)果分析

在所有解算中，結(jié)果都能很好收斂，如60°擴(kuò)張角時，運(yùn)算在220步時收斂，從速度云圖中可以看出，速度分布的基本特點(diǎn)是氣流進(jìn)入入口以后，在排氣管部分速度呈現(xiàn)出均勻分布；當(dāng)氣流進(jìn)入擴(kuò)張管部分后，在之前速度分布的影響下，會在中部與排氣管幾何尺寸相當(dāng)?shù)牟糠中纬蓢娚淞?，呈現(xiàn)出中部速度大于邊緣速度的分布；在擴(kuò)張管接近邊緣的部分，速度很小，從速度矢量圖上可以看出，這一部分出現(xiàn)了漩渦回流；氣流進(jìn)入多孔介質(zhì)區(qū)域后，呈現(xiàn)出中部速度大于邊緣速度的分布特征；氣流流過多孔介質(zhì)區(qū)域后，速度呈現(xiàn)階梯型增加的趨勢，到出口處速度略大于入口速度。我們還可以觀察到，雖然擴(kuò)張管邊緣附近出現(xiàn)了渦流，但在多孔介質(zhì)后的收縮管部分卻沒有出現(xiàn)渦流。

為了更加精確分析速度情況，在多孔介質(zhì)區(qū)域的中間截面上沿徑向方向建立一條直線，分析直線上的速度分布情況，即可以代表這一截面的徑向速度分布?？v坐標(biāo)取速率，橫坐標(biāo)取沿z軸方向相對位置，得到xy坐標(biāo)散點(diǎn)圖。

圖3 60°擴(kuò)張角速度分布云圖

圖4 速度矢量局部放大圖

從散點(diǎn)圖中可以得到，60°擴(kuò)張角時的流動均勻性好于其他角度，當(dāng)擴(kuò)張角小于60°時，相同的濾芯尺寸下擴(kuò)張管軸向尺寸會加長，這也是不好的，因此，60°是比較合適的擴(kuò)張角度。

2.3 不同氣體流速下仿真結(jié)果分析

在這種設(shè)置下，從速度分布散點(diǎn)圖上可以看出，在10m/s的工況下，最高速度為1.2m/s，最低速度為1m/s；30m/s時最高速度為 4.25m/s，最低速度為 3m/s?？梢钥闯?，管道氣體流速越低，則管道內(nèi)部的流動均勻性越好。

本文依據(jù)特定的柴油機(jī)，根據(jù)柴油機(jī)的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)了柴油機(jī)顆粒捕集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了CFD仿真實(shí)驗(yàn)，該顆粒捕集器的設(shè)計(jì)過程及思路對其他類型顆粒捕集器的設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語