劉彪 唐成章 毛天美 黃楊 莫書(shū)婷 吳雪

興義民族師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院 貴州省興義市 562400

1 引言

由于柴油機(jī)比汽油機(jī)具有更高的壓縮比、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，以柴油機(jī)為動(dòng)力的車(chē)輛保有量迅猛增加[1,2]。根據(jù)公安部最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年3月，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量已達(dá)4.02億輛，其中汽車(chē)達(dá)到3.07 億輛。柴油機(jī)的主要排放物為氮氧化物（NOx）和微粒物（PM），根據(jù)中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020 年，全國(guó)汽車(chē)一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為693.8 萬(wàn)噸、172.4 萬(wàn)噸、613.7 萬(wàn)噸、6.4 萬(wàn)噸。其中，柴油車(chē)排放的氮氧化物（NOx）占汽車(chē)排放總量的80%以上，顆粒物（PM）占90%以上[3]。由此可見(jiàn)柴油機(jī)的顆粒物排放仍是汽車(chē)尾氣污染物排放的主要貢獻(xiàn)者。

柴油機(jī)尾氣中產(chǎn)生的PM2.5 對(duì)導(dǎo)致人們發(fā)生各種疾病，如支氣管炎，心臟病和胎兒發(fā)育遲緩等對(duì)人體健康的危害[4-6]。不僅如此，空氣中PM2.5 的濃度高低還會(huì)影響人們生活環(huán)境中的可見(jiàn)度。由PM 引起的霧霾天氣也在頻繁發(fā)生，而這種環(huán)境問(wèn)題已成為目前世界各地廣泛關(guān)注和討論的熱點(diǎn)。造成霧霾天氣的最大原因便是空氣中存在的PM2.5超標(biāo)，然而這些超標(biāo)的污染物通常會(huì)被人們認(rèn)為是來(lái)源于中重型汽車(chē)排放尾氣[7-9]。目前環(huán)境污染問(wèn)題亟需人們解決，所以降低重型機(jī)動(dòng)車(chē)PM 的排放已經(jīng)成為柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。同時(shí)，降低汽車(chē)微粒排放，提升環(huán)境質(zhì)量，降低汽車(chē)尾氣污染，提高DPF 的捕集效率尤為重要[10,11]。

文章利用GT-power 軟件搭建DPF 仿真模型，利用控制變量法研究不同通道長(zhǎng)度、孔隙率、載體壁厚和壁面滲透率對(duì)DPF 捕集效率的影響，以期為優(yōu)化改進(jìn)DPF 裝置提供科學(xué)依據(jù)。

2 DPF 仿真模型搭建

2.1 模型參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)需要和后處理裝置進(jìn)行良好的匹配，才能確保發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)不受影響而正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)。尤其是柴油機(jī)需要與之匹配一款各項(xiàng)基本參數(shù)均符合要求的微粒捕集器協(xié)同工作，確保達(dá)到相關(guān)排放指標(biāo)。文章中的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和與之匹配的DPF 結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)各基本參數(shù)

表2 各參數(shù)設(shè)定值

載體直徑和載體長(zhǎng)度決定了DPF 作用載體的尺寸大小，通道密度決定了載體過(guò)濾通道的數(shù)量，而過(guò)濾壁厚度、過(guò)濾壁孔隙率以及過(guò)濾壁滲透率等參數(shù)則是決定了過(guò)濾體對(duì)顆粒物過(guò)濾作用的效果。因此這些參數(shù)的改變都會(huì)對(duì)顆粒物的捕集過(guò)濾過(guò)程產(chǎn)生影響。

2.2 模型驗(yàn)證與建立

DPF 仿真模型主要由進(jìn)出口邊界、載體模塊以及參數(shù)分析模塊等組成。DPF 入口邊界條件在進(jìn)口邊界模塊設(shè)定，如排氣溫度、流量和組分等；載體模塊是DPF 消除顆粒物的載體和介質(zhì)。此外模型中設(shè)置了顆粒物檢測(cè)模塊，壓降檢測(cè)模塊和溫度檢測(cè)模塊，可以方便查看后處理系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)，監(jiān)測(cè)DPF 的捕集效率和壓降。

圖1 中試驗(yàn)值為參考唐成章論文《不同海拔下DPF 碳煙加載及再生特性研究》[1]所得。從圖中可以看出，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有著較好的合理性，且兩者的誤差在5%以?xún)?nèi)，所以此模型滿足仿真計(jì)算要求，經(jīng)過(guò)不斷對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試，最終搭建好的仿真模型如圖2所示。

圖1 壓降驗(yàn)證

圖2 DPF 仿真模型

3 DPF 捕集效率的影響因素分析

3.1 不同載體直徑對(duì)DPF 捕集效率的影響

載體指的是DPF 中間過(guò)濾顆粒物部分也就是DPF 中蜂窩狀部分。不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)需要與之匹配不同大小的DPF，而最直接的體現(xiàn)就是DPF 載體的直徑。圖3 所示為載體直徑對(duì)捕集效率的影響。所取載體直徑分別為200mm、250mm、300mm 這三個(gè)值進(jìn)行分析，從圖中可以看出，隨著載體直徑的增大，DPF 的捕集效率越來(lái)越好，這是因?yàn)檩d體直徑的增大使得載體中過(guò)濾體的有效作用面積增大，因此對(duì)于顆粒物的捕集更加高效，從而提升了DPF 的捕集效率。

圖3 載體直徑對(duì)捕集效率的影響

3.2 不同載體長(zhǎng)度對(duì)DPF 捕集效率的影響

圖4 所示為載體長(zhǎng)度對(duì)捕集效率的影響。所取載體長(zhǎng)度分別為100mm、200mm、300mm 這三個(gè)值進(jìn)行分析，從圖中可以看出，載體長(zhǎng)度對(duì)于DPF 捕集效率的影響與載體直徑基本相同，捕集效率隨著載體長(zhǎng)度的增大而升高，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于增大載體長(zhǎng)度的效果和增大載體直徑相同。

圖4 載體長(zhǎng)度對(duì)捕集效率的影響

3.3 不同載體壁厚對(duì)DPF 捕集效率的影響

DPF 的載體壁厚是其裝置的一個(gè)重要參數(shù)，載體壁的厚度不同會(huì)導(dǎo)致DPF 內(nèi)部氣體的流動(dòng)阻力不同，影響DPF 的壓降，從而影響DPF 的捕集效率。如圖5 所示為過(guò)濾壁厚度對(duì)捕集效率的影響。分別取0.3mm、0.4mm、0.5mm 這三個(gè)值為載體壁厚度，這里從圖中可以看出，DPF 對(duì)尾氣中顆粒物的捕集效率隨著載體壁厚的增大而增大，載體壁厚度越大，尾氣穿過(guò)載體壁的阻力就越大，對(duì)顆粒物的攔截作用越強(qiáng)，因此捕集效果越好。這是因?yàn)殡S著載體壁厚的增加，DPF 內(nèi)部的氣體的流程阻力越大，就會(huì)導(dǎo)致更多的PM 被捕集在載體壁上，進(jìn)而提高DPF 的捕集效率。

圖5 載體壁厚對(duì)捕集效率的影響

3.4 不同載體滲透率對(duì)DPF 捕集效率的影響

DPF 中載體的滲透率是指在壓差一定的情況下，載體允許氣流通過(guò)的能力滲透率越大表明排氣越容易通過(guò)過(guò)濾壁到達(dá)相鄰?fù)ǖ?。圖6 所示為載體滲透率對(duì)捕集效率的影響。從圖中可以看出，載體滲透率對(duì)捕集效率有不利影響，滲透率越大，捕集效率越低，原因是因?yàn)殡S著滲透率的增大，DPF 通道內(nèi)的氣體流動(dòng)速度增大，流動(dòng)阻力減小，更多的顆粒物就會(huì)隨著小孔滲透到大氣中，增加大氣污染。因此在選擇載體過(guò)濾體材料時(shí)，不宜選擇滲透率過(guò)大的材料，否則會(huì)對(duì)DPF 性能造成不利影響。

圖6 過(guò)濾壁滲透率對(duì)捕集效率的影響

3.5 不同孔隙率對(duì)DPF 捕集效率的影響

孔隙率是指塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比，而孔隙率的大小表示了材料的密實(shí)程度，材料的孔隙率高，則表示密實(shí)程度小[12]。這里取0.35mm、0.45mm、0.55mm 這三個(gè)值進(jìn)行孔隙率對(duì)捕集效率的影響，圖7 所示為載體孔隙率對(duì)捕集效率的影響，從圖中可以看出，捕集效率隨著過(guò)濾壁孔隙率的增大而增大，說(shuō)明較大的載體孔隙率更加有利于顆粒物的捕集。

圖7 過(guò)濾壁孔隙率對(duì)捕集效率的影響

4 結(jié)論

當(dāng)下，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)從高速發(fā)展階段過(guò)渡到高質(zhì)量發(fā)展階段。汽車(chē)的保有量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展仍然在不斷劇烈增長(zhǎng)，由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題一直是人們關(guān)注焦點(diǎn)，特別是各大城市霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，而柴油機(jī)排放的尾氣是引起霧霾天氣的主要原因之一。隨著尾氣排放法的限定值越來(lái)越嚴(yán)，僅僅只通過(guò)前處理和機(jī)體內(nèi)的凈化顯然已經(jīng)達(dá)不到排放法的規(guī)定，所以后處理技術(shù)是降低柴油機(jī)尾氣污染物有效措施之一。目前柴油顆粒捕集器相較其他后處理裝置來(lái)說(shuō)是最成熟的后處理技術(shù)。因此研究DPF 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF 捕集效率的影響，優(yōu)化改進(jìn)DPF 結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升捕集效率，降低環(huán)境污染。本文運(yùn)用GT-power 軟件建立DPF 一維模型，主要從DPF 的結(jié)構(gòu)參數(shù)方面進(jìn)行分析對(duì)捕集效率的影響，其分析結(jié)果如下：

（1）從DPF 的結(jié)構(gòu)參數(shù)上來(lái)看，隨著DPF 載體直徑和載體長(zhǎng)度的增大，DPF 的捕集效率越高，且相對(duì)于其他參數(shù)而言，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)DPF 的捕集效率影響更大，因此可以考慮改變DPF 的載體直徑和載體長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到提升捕集效率的目的，但是也要科學(xué)改變參數(shù)，達(dá)到DPF 和發(fā)動(dòng)機(jī)完美的匹配。

（2）從DPF 的過(guò)濾壁參數(shù)上來(lái)看，DPF 的捕集效率隨著載體的壁厚和孔隙率的增加而增大，隨著載體壁面滲透率的增加而下降。但這三個(gè)因素對(duì)DPF 捕集效率影響不夠明顯。