柴油机DPF的设计与仿真

杜明轩，景露霞，闫旭

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

引言

随着更加严格的排放法规的颁布实施，更多的汽车厂商选择在后处理系统中加装颗粒捕集器，颗粒捕集器能够很好地过滤柴油机排放中产生的颗粒物。我国将于2020年实施国六排放标准，届时颗粒捕集器必将成为柴油机后处理系统的标配。本文依据道依茨一款柴油机的参数，设计了与之配套的颗粒捕集器的结构，并进行了CFD仿真，仿真结果表明本文设计的颗粒捕集器结构满足其功能要求。

1 柴油机颗粒捕集器的总体设计

本文依据道依茨F3L2011款柴油机设计了一款串联式柴油机颗粒捕集器，发动机的基本参数及颗粒捕集器的基本参数如下所示：

表1 发动机基本参数

1.1 滤芯尺寸的确定

颗粒捕集器滤芯容量与柴油机排量有很大的关系。若滤芯容量过大，则会使有效过滤面积减小，增加整个后处理装置成本；若容量过小，则容易使滤芯前部排气背压过高，影响发动机正常工作。根据本柴油机的排量，从国内较为标准的规格中选取尺寸为￠150*150mm规格的滤芯。

图1 颗粒捕集器结构

1.2 加热器的设计

加热器安装在排气管道内，不能影响整个排气管道气流的正常流通。本次设计中加热器选取堇青石作为整个加热器的材料。加热器的功率设计可以按照空气加热器的功率设计公式进行计算。经过计算，本次颗粒捕集器所需要的加热器功率为 2.4KW，采取埋入式方法在加热器上布置电阻丝，电阻丝材料选取为表面负荷能力较高的0Cr27Al7Mo2材料。

1.3 内衬及调节阀门的选择

在管道内加装内衬，可以起到保温作用，同时降低安装误差对DPF使用的影响。本设计采取全隔热方式安装，选取Interam550系列的衬垫，并且选择名义厚度为5mm的规格。经过计算，衬垫总长度为210mm。

调节阀门根据发动机排气管尺寸及阀门的流量系数进行选择，流量系数的计算公式如下：

Qg------气体流量m3/h t----气体温度 ℃

G-------气体比重（空气等于1） Z-------高压气体的压缩系数，本式取1.

经过计算后的最大流量系数为40，阀门开度为70%左右时达到最大流量，符合阀门选择要求。

2 柴油机颗粒颗粒捕集器建模与仿真

2.1 仿真模型设计与选择

本设计中除去滤芯内部的范围，其他区域采用的湍流模型为为流体分析中常用的 k-ε标准双方程模型，k表示湍动能，ε表示湍动能耗散率，具体的计算方程如下：

式中：Cμ：经验常数，多取为 0.09 ui：坐标中的速度分量

式中k，ε的运输方程为：

式中：C1ε，C2ε，C3ε为经验常数。

Sk，Sε用户定义的源项。

本文的仿真模拟重点考虑流场的均匀性，不考虑排气在滤芯内部的颗粒过滤过程，为了简化计算，将滤芯整体考虑为多孔介质模型。

依据前文所述颗粒捕集器尺寸进行仿真建模，分别选取60°，70°，80°，90°扩张角时颗粒捕集器模型进行分析。网格的划分运用workbench的网格划分模块，采用自动划分网格的形式，以70°扩张角的模型为例，划分网格后的几何模型为：

图2 模型网格划分

划分后的总网格数为165624，其他几何模型的设置方法与此相同。

本文模拟计算所采用的离散化方法为有限体积法，采用压力与速度耦合的SIMPLE算法，空间离散化设置梯度设置为least Squares Cell Based,压力设置为Standard,其余各项均设置为Second Order Upwind.收敛精度设置为0.001，进行标准初始化。

2.2 不同扩张角下仿真结果分析

在所有解算中，结果都能很好收敛，如60°扩张角时，运算在220步时收敛，从速度云图中可以看出，速度分布的基本特点是气流进入入口以后，在排气管部分速度呈现出均匀分布；当气流进入扩张管部分后，在之前速度分布的影响下，会在中部与排气管几何尺寸相当的部分形成喷射流，呈现出中部速度大于边缘速度的分布；在扩张管接近边缘的部分，速度很小，从速度矢量图上可以看出，这一部分出现了漩涡回流；气流进入多孔介质区域后，呈现出中部速度大于边缘速度的分布特征；气流流过多孔介质区域后，速度呈现阶梯型增加的趋势，到出口处速度略大于入口速度。我们还可以观察到，虽然扩张管边缘附近出现了涡流，但在多孔介质后的收缩管部分却没有出现涡流。

为了更加精确分析速度情况，在多孔介质区域的中间截面上沿径向方向建立一条直线，分析直线上的速度分布情况，即可以代表这一截面的径向速度分布。纵坐标取速率，横坐标取沿z轴方向相对位置，得到xy坐标散点图。

图3 60°扩张角速度分布云图

图4 速度矢量局部放大图

从散点图中可以得到，60°扩张角时的流动均匀性好于其他角度，当扩张角小于60°时，相同的滤芯尺寸下扩张管轴向尺寸会加长，这也是不好的，因此，60°是比较合适的扩张角度。

2.3 不同气体流速下仿真结果分析

在这种设置下，从速度分布散点图上可以看出，在10m/s的工况下，最高速度为1.2m/s，最低速度为1m/s；30m/s时最高速度为 4.25m/s，最低速度为 3m/s。可以看出，管道气体流速越低，则管道内部的流动均匀性越好。

本文依据特定的柴油机，根据柴油机的相关参数，设计了柴油机颗粒捕集器的结构参数，并根据设计的结构进行了CFD仿真实验，该颗粒捕集器的设计过程及思路对其他类型颗粒捕集器的设计有很好的指导意义。

3 结束语