何 帆, 呂 明, 寧 智, 陳曉明

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院,北京100044)

柴油機排氣微粒捕集器連續(xù)再生技術(CRT技術) 是柴油車排氣微粒后處理技術中的一項關鍵技術，已成為柴油車排氣微粒后處理技術研究的熱點技術之一[1].近年來，國內外學者對CRT技術進行了大量的研究，并取得了許多重要的研究成果[2～5]，但針對道路工況下的微粒捕集器連續(xù)再生特性及其影響因素的研究還很少.

道路試驗研究面臨著試驗費用昂貴、試驗周期長等問題，而仿真分析方法則可以部分彌補試驗研究的缺陷，縮短試驗周期并節(jié)約試驗費用.

根據(jù)CRT技術研究與開發(fā)的需要，文中利用在GT-Drive平臺上建立的某重型柴油車及微粒捕集器連續(xù)再生仿真模型，對不同道路循環(huán)工況下柴油車微粒捕集器連續(xù)再生的動態(tài)特性，以及捕集器微粒沉積量和柴油車載荷對捕集器連續(xù)再生特性的影響進行研究.

1 仿真模型

1.1 柴油機及整車參數(shù)

文中的研究對象是滿足歐IV排放標準的某重型柴油車，該車采用的渦輪增壓柴油機主要技術參數(shù)如表1和表2所示.

表1 柴油機主要技術參數(shù)

表2 柴油車整車主要參數(shù)

1.2仿真模型

GT-SUITE是一個集成化的CAE軟件包.利用GT-SUITE軟件包中的GT-Drive模塊可以進行車輛和動力系統(tǒng)的仿真計算.

根據(jù)柴油車的整車參數(shù)和柴油機萬有特性以及NOx排放和排溫MAP圖，利用GT-Drive軟件模塊建立了柴油車及微粒捕集器連續(xù)再生仿真模型[6]，如圖1所示.

圖1給出了仿真模型的整體結構和各部分關系；仿真模型可根據(jù)車輛運行的標準循環(huán)工況并依據(jù)特定的換擋策略，計算出每個循環(huán)工況下柴油機的運行工況點和微粒捕集器的微粒沉降和再生狀況隨時間的變化關系.

圖1 柴油車及微粒捕集器連續(xù)再生GT-Drive仿真模型

柴油機的萬有特性、NOx排放特性以及排溫特性,將直接影響到柴油車按不同道路循環(huán)工況運行時,微粒捕集器的連續(xù)再生動態(tài)特性；因此，在進行仿真分析時，以柴油機實測的萬有特性、NOx排放MAP圖和排溫MAP圖確定柴油機的工況和排放參數(shù).限于篇幅,具體的建立及驗證分析過程詳見文獻[6].

柴油車微粒捕集器的連續(xù)再生分為NO氧化及捕集器再生(微粒氧化) 兩個部分.在柴油機排放的NOx中，約有90%左右的NOx為NO；因此，需要首先利用NO催化轉化器(DOC) 將排氣中的NO氧化為NO2，然后再利用NO2對微粒捕集器內沉積的微粒進行氧化.

發(fā)生在DOC內的化學反應非常復雜，很多反應可以同時進行；這些反應與排氣成分、溫度以及催化劑涂層的活性組分等有關.文中主要考慮在氧化型催化劑的作用下所發(fā)生的NO經氧化生成NO2的氧化反應，其反應式如下：

(1)

捕集器DPF連續(xù)再生時，通常達不到氧氣與微粒強烈氧化的條件，因此,在連續(xù)再生過程中主要關注的是NO2與微粒間發(fā)生的氧化反應.捕集器內發(fā)生的連續(xù)再生反應可以表示為

C+αNO2→αNO+(2-α)CO+(α-1)CO2.

(2)

式中：α為微粒氧化反應完全系數(shù)，主要取決于反應器的溫度水平，取值通常在1.2 ～ 1.8之間.

計算時，微粒捕集器的主要結構參數(shù)和物性參數(shù)皆取自目前已有的捕集器的實際參數(shù).

2 道路循環(huán)工況下捕集器連續(xù)再生特性分析

文中利用標準測試工況模擬柴油車的實際道路工況.目前，汽車道路循環(huán)測試工況很多，包括美國FTP-75道路循環(huán)工況、歐洲NEDC道路循環(huán)工況、日本10-15道路循環(huán)工況等.

美國城市道路測試循環(huán)工況FTP-75能夠比較真實反映汽車在美國城市道路行駛時的特征.除循環(huán)工況FTP-75外，美國還有高速公路測試循環(huán)工況HWY，主要用于城市之間的交通模擬.

歐洲汽車道路測試循環(huán)工況由歐盟制定.早期歐洲汽車排放法規(guī)規(guī)定的測試循環(huán)工況主要反映的是汽車在歐洲城市內行駛的特征.從1992年起，在歐盟汽車排放法規(guī)規(guī)定的測試循環(huán)工況后面又加上了汽車在郊外公路上的行駛工況，合稱為NEDC.

選用FTP-75模擬城市道路工況，NEDC模擬城郊道路工況，HWY模擬高速公路工況；在此基礎上，對不同道路工況下微粒捕集器的連續(xù)再生特性和影響因素進行分析.仿真分析時，除特別說明外，柴油車的載荷為半載狀態(tài).

2.1 道路循環(huán)工況下的捕集器連續(xù)再生特性

微粒捕集器的連續(xù)再生特性與柴油車的行駛工況以及柴油機的動態(tài)排放特性密切相關，主要受排氣溫度以及排氣中NO2濃度的影響.圖2和圖3分別給出的是不同道路循環(huán)工況下，排氣溫度的對比以及捕集器入口與出口處NO2濃度隨時間變化的比較.

圖2 不同道路循環(huán)工況下排氣溫度的對比

圖3 不同道路循環(huán)工況下捕集器入口與出口處NO2濃度的變化

仿真結果表明，柴油車排溫與行車路況密切相關；車速變化越劇烈，排溫和NOx排放的變化也就越大.從圖2和圖3中可以看到，由于城市道路工況下車速普遍較低，柴油車處于頻繁停車、加速、減速等狀態(tài)，使得呈現(xiàn)出柴油車排溫和NOx排放整體水平較低，但會出現(xiàn)個別高峰值的特點.在城郊道路工況下，由于存在著一定比例的勻速工況，因此,排溫和NOx排放的變化相對比較平穩(wěn)，只是在加速時段中產生排放峰值；柴油車排溫和NOx排放的整體水平高于城市道路工況.在高速公路工況下，柴油車排溫和NOx排放的整體水平相對較高，但極少出現(xiàn)與平均排放水平相比過高的峰值.

另外，從圖3中還可以看到，高速公路工況下NO2的消耗最為劇烈，而城市道路工況下NO2的消耗則相對較少.3種道路工況下捕集器出口處的NO2濃度在局部時間段內都有被完全消耗的現(xiàn)象，并且在排溫較高的時間段里更為明顯.在3種道路工況中，高速公路工況下NO2被完全消耗的時間比例最大，而城市道路工況下的比例則最小.在NO2全部消耗的時間段內，氧化劑的缺乏將阻礙連續(xù)再生的進行.因此，在排溫足夠高的情況下，排氣中的NO2含量將會成為限制捕集器再生速率的主要因素.

圖4給出的是不同道路循環(huán)工況下捕集器中的微粒沉積量隨時間的變化.

從圖4中可以看到，在不同道路工況下，隨著再生的進行，再生速率會逐漸減小，捕集器中的微粒沉積量最終皆趨近于一種平衡狀態(tài)，即微粒在捕集器中的沉積速率與捕集器的再生速率趨近相等；稱此時的微粒沉積量為捕集器連續(xù)再生的平衡沉積量.平衡沉積量可以作為捕集器連續(xù)再生特性的一個重要評價指標.

圖4 不同道路工況下微粒沉積量隨時間變化的比較

從圖4中可以看到，在計算條件下，3種道路工況下捕集器都能夠實現(xiàn)連續(xù)再生，但再生特性又有所不同.城市道路工況下的捕集器再生速率最低，微粒平衡沉積量最大，達到平衡所用時間最長；而高速公路工況下的捕集器再生速率最高，微粒平衡沉積量最小，達到平衡最快.

圖5給出的是潔凈微粒捕集器(初始微粒沉積量為0 kg)條件下，不同道路循環(huán)工況時捕集器中的微粒沉積量隨時間的變化.

從圖5中可以看到，在潔凈捕集器工作初期，城郊道路工況下捕集器中的微粒沉積速度快于城市道路工況，而高速公路工況下捕集器中的微粒沉積速度又快于城郊道路工況.由于高速公路工況下的柴油車排溫和NO2排放濃度的整體水平高于城郊道路工況和城市道路工況，捕集器再生速率較高，這就使得高速公路工況下的捕集器微粒平衡沉積量最小，達到平衡時間最短.

圖5 不同道路循環(huán)工況下潔凈微粒捕集器微粒沉積量隨時間的變化

在道路工況下，微粒捕集器的連續(xù)再生會受到多種因素的影響.在某些極端的情況下，捕集器的再生可能會難以進行，從而造成捕集器中微粒的嚴重累積，對柴油機的性能以及捕集器的安全再生產生不利影響.除了道路工況以外，捕集器初始微粒沉積量和柴油車載荷是影響捕集器連續(xù)再生的另外兩個重要因素.

2.2 微粒初始沉積量對捕集器連續(xù)再生的影響

圖6給出的是不同道路循環(huán)工況下，不同初始微粒沉積量時，捕集器微粒沉積量的變化.

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在確定的道路工況下，捕集器的初始微粒沉積量越大，初始再生速率越高，但初始微粒沉積量并不會對最終的捕集器微粒平衡沉積量和捕集器沉積微粒量達到動態(tài)平衡時所用的時間產生影響.道路工況不同時，捕集器的微粒平衡沉積量不同；高速公路工況下的微粒平衡沉積量最小，城市道路工況下的微粒平衡沉積量最大.從計算結果中再次可以看到，高速公路工況有利于捕集器的連續(xù)再生.

圖6 初始微粒沉積量對捕集器連續(xù)再生的影響

2.3 柴油車載荷對捕集器連續(xù)再生的影響

柴油車的載荷主要通過對排溫和NOx排放的影響，進而對微粒捕集器的連續(xù)再生產生影響.研究表明，低載荷時，柴油車高排溫及高NOx排放區(qū)主要集中在高速加速區(qū)；隨著柴油車載荷的增加，高排溫和高NOx排放區(qū)將會逐漸擴大.

圖7給出的是不同道路循環(huán)工況下，不同柴油車載荷時，捕集器微粒沉積量的變化情況.

從圖7(a)中可以看到，在城市道路工況下，柴油車載荷對捕集器連續(xù)再生的影響非常明顯.柴油車空載時，捕集器的再生速率小于微粒沉積速率，捕集器中的微粒沉積量不斷累積升高，捕集器的連續(xù)再生出現(xiàn)“失效”現(xiàn)象.隨著柴油車載荷的增加，捕集器的再生速率會顯著提高.

另外，從圖7(a)中還可以看到，柴油車載荷還會對捕集器的微粒平衡沉積量以及達到平衡時的時間產生影響；隨著柴油車載荷的增加，捕集器達到微粒平衡沉積量以及達到微粒平衡沉積量所用的時間會快速下降.

從圖7(b)和(c)中可以看到，與城市道路工況下的情況基本相同，在城郊道路和高速公路工況下，柴油車載荷越高，捕集器的微粒平衡沉積量越小，達到平衡沉積量所需的時間越短.相比較，高速公路工況下，微粒平衡沉積量更小，達到平衡沉積量所需的時間更短.

圖7 柴油車載荷對捕集器連續(xù)再生的影響

對比圖7(b)、圖7(c)與圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，在城郊道路和高速公路工況下，柴油車空載時捕集器出現(xiàn)的再生“失效”現(xiàn)象消失.

圖8給出的是柴油車空載、半載及滿載時，不同道路循環(huán)工況下捕集器連續(xù)再生的比較.

從圖8中可以看到，柴油車載荷不同時，道路工況對捕集器連續(xù)再生的影響程度不同.柴油車空載時，道路工況對捕集器連續(xù)再生的影響程度相對最大；此時，在城市道路工況下，捕集器的連續(xù)再生甚至會出現(xiàn)“失效”現(xiàn)象.柴油車滿載時，既使是在城市道路工況下，由于此時柴油車的NOx排放和排溫都相對較高，因此道路工況對捕集器連續(xù)再生的影響程度相對較小.

圖8 空載、半載及滿載時不同道路循環(huán)工況下捕集器連續(xù)再生的比較

3 結 論

通過對道路工況下柴油車微粒捕集器連續(xù)再生特性的仿真分析，得到如下結論：

1) 在一定的微粒沉積量下，隨著再生的進行，再生速率會逐漸減小，捕集器中的微粒沉積量最終會達到一個平衡沉積量.城市道路工況下的捕集器再生速率最低，微粒平衡沉積量最大，達到平衡所用時間最長；高速公路工況下的捕集器再生速率最高，微粒平衡沉積量最小，達到平衡最快，因此最有利于捕集器的連續(xù)再生.

2) 在確定的道路工況下，捕集器的初始微粒沉積量越大，初始再生速率越高；但初始微粒沉積量并不會對最終的平衡沉積量和沉積微粒量達到動態(tài)平衡時所需的時間產生影響.

3) 相比較，在城市道路工況下，柴油車載荷對捕集器連續(xù)再生的影響最為明顯，空載時捕集器的連續(xù)再生有可能出現(xiàn)“失效”現(xiàn)象.隨著柴油車載荷的增加，捕集器達到微粒平衡沉積量以及達到平衡沉積量所用時間會快速下降.柴油車載荷不同時，道路工況對捕集器連續(xù)再生的影響程度不同；柴油車空載時，道路工況對捕集器連續(xù)再生的影響程度最大.