一种DPF物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法

阅读：评论：0

一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法
技术领域
1.本发明涉及柴油机仿真计算技术领域，具体为一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法。

背景技术：

2.柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter，简称dpf)是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，它将尾气中的颗粒排放物质进入大气之前将其捕捉。
3.dpf在实际工作过程中，发动机绝大多数工况和运行条件下，捕集到的碳烟微粒并不能仅仅依靠被动再生而完全被消除。这是因为dpf被动再生过程中，碳烟微粒氧化速率要低于碳烟微粒的捕集累积速率，因此dpf捕集到的碳烟微粒依然会缓慢增加，并将最终达到饱和，使dpf失效。所以当微粒累积程度达到一定的量值时需要进行主动再生，去除dpf无法通过被动再生而氧化的碳烟微粒，从而释放dpf的捕集空间，提高dpf的工作效率。dpf自身的物性参数对主动再生性能有着极大的影响，亦是目前dpf再生研究人员所关注的焦点问题之一。
4.当前对于dpf的各项物性参数对捕集与再生影响的研究因素较为单一，尚未形成dpf最优捕集与再生的统一标准，且此基础上进行的软件数值仿真与实际相比误差较大。
5.因此，如何提供一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，以提高仿真精度及仿真与实际的契合度，即成为本领域人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，该方法以dpf的多种物性参数为单一变量，分别得出其对dpf捕集与再生影响曲线，并综合得出dpf捕集与再生的最优化设计方案。
7.一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，包括以下步骤：
8.步骤一：搭建仿真模型，采用avl-boost软件的boost exhaust gas purifier module模块，建立柴油机dpf的数值仿真模型，并且在avl-fire ese后处理模块中输入试验用143mm
×
152mm型号的碳化硅滤芯的相关边界条件；
9.步骤二：以孔密度为调节变量，并代入步骤一的仿真模型，计算壁面渗透率对碳烟累积的影响；设置壁面渗透率为1e-13m2和5e-13m2，入口气体流量q＝20g/s，进气温度为623k，得到过滤孔密度变化对碳烟累积造成的影响曲线；
10.步骤三：以dpf进出口孔道直径d1/d2比值为调节变量，并代入步骤一的仿真模型，将dpf的壁面渗透率设置为5e-14m2，入口气体流量q＝20g/s，进气温度623k，孔密度为200，得到d1/d2变化对碳烟累积造成的影响曲线；
11.步骤四：修改步骤三中的参数，设置进气温度400k，孔密度为300，以dpf载体孔道形状为变量，代入步骤一的仿真模型，得到过滤孔形状对主动再生频率的影响曲线；
12.步骤五：以壁面渗透率为调节变量，并代入步骤一的仿真模型，设置入口气体流量
q＝20g/s，进气温度400k，孔密度为300，得到壁面渗透率对主动再生频率的影响曲线；
13.步骤六：设置排气质量流量q＝20g/s，o2浓度12％，初始pm量m＝10g/l，得到研究物性参数对主动再生最高温度的影响曲线；设置壁面渗透率分别为1e-13m2，3e-13m2，5e-13m2，得到壁面渗透率对主动再生最高温度的影响曲线；设置正四边形孔道的dpf对应三种不同碳烟渗透率1e-14m2，2e-14m2，4e-14m2，得到碳烟渗透率对主动再生最高温度的影响曲线；
14.步骤七：综合分析步骤二至步骤六得出的各项曲线，得出dpf捕集与再生最优化的设计方案。
15.优选的，步骤二中的孔密度cpsi分别设置为200、300、400。
16.优选的，步骤三中的d1/d2比值分别设置为1.0、1.2、1.3、1.4。
17.优选的，步骤四中的dpf载体孔道形状分别设置为正四边形、六边形、八边形。
18.优选的，步骤五中的壁面渗透率分别设置为1e-13m2，3e-13m2，5e-13m2，1e-14m2，2e-14m2，4e-14m2。
19.本发明的优点和技术效果是：
20.本发明的一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，该方法分别以孔密度、进出口孔道直径比值、载体孔道形状、壁面渗透率等物性参数为单一变量，得出其对dpf捕集与再生影响的仿真曲线，并综合得出dpf捕集与再生的最优化设计方案；经曲线分析得出以下仿真优化方案：较大的孔密度、较大的进出口比例、采用六边形孔道、高壁面渗透率、较低碳烟渗透率、较厚的孔道壁厚，更有利于实现dpf的节能捕集和有效再生。
附图说明
21.图1为本发明中的滤饼厚度随壁面渗透率变化曲线图(图a的壁面渗透率为1e-13m2；图b的壁面渗透率为5e-13m2)；
22.图2为本发明中的碳烟累积过程示意图；
23.图3为本发明中的孔密度对碳烟累积影响曲线图(图a为深床层碳烟；图b为滤饼层碳烟)；
24.图4为本发明中孔道d1/d2比值结构示意图；
25.图5为本发明中d1/d2对碳烟累积的影响曲线图(图a为深床层碳烟；图b为滤饼层碳烟)；
26.图6为本发明中过滤孔形状对主动再生频率的影响曲线图；
27.图7为本发明中壁面渗透率对主动再生频率的影响曲线图；
28.图8为本发明中碳烟渗透率对主动再生频率的影响曲线图；
29.图9为本发明中壁面渗透率对再生最高温度影响曲线图；
30.图10为本发明中碳烟渗透率对再生最高温度影响曲线图。
具体实施方式
31.为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。
32.本发明的本发明的一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，用于研究dpf捕集与再生的最优化设计方案，其实施例如下：
33.1、壁面渗透率对碳烟累积的影响分析：
34.在dpf捕集的碳烟微粒以深床层碳烟、滤饼层碳烟两种形式存在于孔道内。因此在模拟计算中，按照实际工况条件，分别设置壁面渗透率为1e-13m2和5e-13m2，入口气体流量q＝20g/s，进气温度为623k，孔密度为300，如图1所示。其中t1为开始捕集到滤饼层碳烟的时刻，t4为捕集饱和时刻，t2和t3为中间时刻。
35.图1(a)为壁面渗透率较小时(1e-13m2)滤饼层厚度变化。可以看到在此条件下开始捕集到滤饼层碳烟的t1时刻，碳烟层首先从过滤体两端累积，之后的t2和t3直至t4时刻，过滤体两端的碳烟首先捕集达到饱和，最后扩散至中间段部分。图1(b)为壁面渗透率较大(5e-13m2)滤饼层厚度变化。可以看到此条件下，与壁面渗透率较小情况下相比，碳烟层的形成累积过程较为均匀。
36.图2是应用avl-fire模拟计算的不同壁面渗透率条件下碳烟积累过程随时间变化的示意图。与图1对照则可以更清楚的显示出不同壁面渗透率碳烟积累过程随时间变化趋势。且图2中分别展示了壁面渗透率较小时(1e-13m2)碳烟的捕集过程，和壁面渗透率较大时(5e-13m2)碳烟捕集过程。进而得出,dpf在壁面渗透率较小时(1e-13m2)，碳烟累积过程首先集中在过滤体末端，再是过滤体四周，最终逐步扩散到过滤体中间。由于碳烟累积的不均匀性以及其在过滤体内扩散分布的集中性，这必然会导致dpf再生时所释放出的热量会在dpf内部分布不均匀，碳烟层首先所聚积的部位放热较多，相应的热应力必然过大，从而不利于dpf的可靠工作和耐久性保持。如果热集中现象持续严重，最终可导致dpf热裂等问题。dpf壁面渗透率较大时(5e-13m2)时，仅在初始阶段在过滤体轴向末端累积少量碳烟，轴向前端也有微量的累积。随着捕集过程的进行，碳烟微粒均匀的由dpf两端向中间扩散。相比较而言，此种情况下dpf再生时释放出的热量将会更加均匀分布在过滤体内部，这就一定程度上避免了再生放热反应发生时，过滤体局部过热的危险。
37.2、过滤孔密度对碳烟累积的影响分析：
38.如图3所示，设置入口气体流量为0.02kg/s，进气温度为623k，孔密度cpsi＝200、300、400，研究过滤孔密度变化会对碳烟累积造成何种影响。如图3(a)可知，三种孔密度的dpf载体捕集到的深床层碳烟在260s之前(虚线之前的部分)几乎没有差别，都随时间累积而增加，经过这个时间节点之后，深床层碳烟捕集量上升速率产生了变化，并且随着孔密度的增加而不同。如图3(b)可知，三种孔密度的dpf载体内部形成的滤饼层碳烟捕集量在初始阶段均几乎为零，之后在不同时刻滤饼层碳烟开始产生，并随着时间推移而迅速增长，在400s时三者又趋于重合，期间一直随时间而线性增加。不同孔密度条件下dpf内部滤饼层碳烟形成的初始时刻不同，孔密度越大则其对应的滤饼层碳烟形成初始时刻越早。
39.3、d1/d2对碳烟累积的影响分析：
40.将dpf的壁面渗透率设置为5e-14m2。入口气体流量q＝20g/s。进气温度623k。孔密度设置为200。设置四种dpf进出口孔道直径d1/d2比值。
41.d1/d2的含义参照图4，并且由图5(a)可知，四种d1/d2比例深床层碳烟累积曲线在前125s时几乎相同(虚线之前)，此时间节点之后，随着d1/d2比例升高，对应的dpf载体内部深床层碳烟依次捕集饱和，d1/d2＝1.0时饱和最早，而d1/d2＝1.4时最晚饱和最晚。由图5
(b)可知，四种d1/d2滤饼层碳烟曲线在初始阶段几乎为零。然后在对应不同时刻(123s-137s之间)滤饼层碳烟开始形成，并且随时间增长快速上升，随时间而线性增加，在200s时候三者又趋于重合且持续随时间线性增加。不同d1/d2条件下，对应dpf载体内部滤饼层碳烟形成初始时刻不同，d1/d2越大则形成初始时刻越早，越易形成滤饼层碳烟，从而更易于再生去除。
42.4、过滤孔形状对主动再生频率的影响分析：
43.设置气体质量流量q＝20g/s，进气温度t＝400k，孔密度＝300，设置三种不同形状的dpf载体孔道：正四边形、六边形、八边形。
44.研究孔形对再生频率影响，如图6，横坐标为碳烟累积量，纵坐标为dpf内部压降。其中六边形孔道表现出较为优秀的压降特性。另外，六边形孔道dpf在碳烟累积到大约10g/l时才会进行首次主动再生，因此在每一个主动再生区间，六边形孔道dpf捕集碳烟效率更高，再生频率更低，有助于减少主动再生时的能源消耗，变相了提高燃油经济性。这是因为实际设计dpf孔道形状时，倾向于增大多边形孔道前端入口直径而减少出口孔道直径[70]。因此四边形孔道dpf由于入口孔道直径较小而使孔道内部压降较快上升，八边形孔道dpf由于出口孔道直径较小而使dpf前后两端碳烟微粒分布不均，末端压降上升较快，六边形孔道能够在两者之间达到较好平衡，所以达到安全限值压降时捕集碳烟更多，即主动再生周期更长。
[0045]
5、壁面渗透率对主动再生频率的影响分析：
[0046]
壁面渗透率是dpf一个比较重要的物性参数。由图7所述，横坐标为碳烟累积量，纵坐标为dpf内部压降。可见，随着壁面渗透率的增大，对应的dpf压降特性有所改善，总压降降低了。较高壁面渗透率条件下，再生频率较低，不超过安全限值的压降前提下，可以在首次主动再生之前捕集更多的碳烟微粒，延长了主动再生的周期，节省了主动再生额外的能源消耗。
[0047]
6、碳烟渗透率对主动再生频率的影响分析：
[0048]
碳烟渗透率实际上代表的是dpf内部滤饼层碳烟使气体透过的难易程度。如图8所示，随着碳烟渗透率的不断增大，排气透过滤饼层碳烟受到的阻碍减小，dpf压降随之降低。同时，随着碳烟渗透率的不断增大，较大的碳烟渗透率对应的dpf首次主动再生时捕集的碳烟累更大。这就表示dpf安全限值压降范围内，大的碳烟渗透率对应的dpf能够容纳更多的碳烟微粒，降低了dpf主动再生频率，延长了再生周期，减少了额外的能源消耗。
[0049]
7、物性参数对主动再生最高温度的影响分析：
[0050]
dpf的工作环境较为恶劣，尤其是其再生时。这就导致dpf核心的载体材料既要满足优秀的压降性能，同时还要满足很强的耐高温性能。本文模拟的为dpf载体材料为sic(三种载体材料中sic载体的耐高温性最好)。尽管碳化硅耐高温性很好，但是再生过程如果再生的最高温度过高，依旧会对dpf载体造成热冲击和局部过热，影响其使用寿命，所以对dpf载体的某些物性参数进行研究优化来降低dpf主动再生最高温度是有必要的。本节内容中，均设置排气质量流量q＝20g/s，o2浓度12％，初始pm量m＝10g/l。
[0051]
7.1壁面渗透率对主动再生最高温度的影响分析：
[0052]
如图9所示，三条曲线为方形孔道在不同壁面渗透率下，dpf再生温度变化趋势。可见，伴随壁面渗透率升高，主动再生最高温度降低，再生温度变化较为平缓。壁面渗透率为
1e-13m2时，形成了1100k左右的高峰，这种较为突兀的温度峰值会造成dpf过滤体内热应力迅速增高，增加了其内部热负荷。壁面渗透率较高的5e-13m2条件与1e-13m2相比，最高温度较低，再生温度曲线变化平缓，热应力较小，有利于延长dpf自身寿命。
[0053]
7.2碳烟渗透率对主动再生最高温度的影响分析：
[0054]
如图10所示，采用正四边形孔道的dpf对应三种不同碳烟渗透率1e-14m2、2e-14m2、4e-14m2条件下，其分别主动再生最高温度变化规律曲线。碳烟渗透率较高(如4e-14m2)时，dpf最高再生温度达到了1100k以上，并且曲线起伏很大。之所以产生这种现象，大致是由于碳烟渗透率低导致碳烟传热性能也受到影响，再生时产生的热量不容易透过滤饼层碳烟传播到深床层碳烟，这样就不会在短时间内导致更多的碳烟微粒氧化放热，从而实现了较低的最高再生温度。
[0055]
结论：综合考虑，较大的孔密度、较大的进出口比例、采用六边形孔道、高壁面渗透率、较低碳烟渗透率、较厚的孔道壁厚等有利于实现dpf的节能、有效再生。
[0056]
本发明的未述之处均采用现有技术中的成熟产品及成熟技术手段。
[0057]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：

1.一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：搭建仿真模型，采用avl-boost软件的boost exhaust gas purifier module模块，建立柴油机dpf的数值仿真模型，并且在avl-fire ese后处理模块中输入试验用143mm
×
152mm型号的碳化硅滤芯的相关边界条件；步骤二：以孔密度为调节变量，并代入步骤一的仿真模型，计算壁面渗透率对碳烟累积的影响；设置壁面渗透率为1e-13m2和5e-13m2，入口气体流量q＝20g/s，进气温度为623k，得到过滤孔密度变化对碳烟累积造成的影响曲线；步骤三：以dpf进出口孔道直径d1/d2比值为调节变量，并代入步骤一的仿真模型，将dpf的壁面渗透率设置为5e-14m2，入口气体流量q＝20g/s，进气温度623k，孔密度为200，得到d1/d2变化对碳烟累积造成的影响曲线；步骤四：修改步骤三中的参数，设置进气温度400k，孔密度为300，以dpf载体孔道形状为变量，代入步骤一的仿真模型，得到过滤孔形状对主动再生频率的影响曲线；步骤五：以壁面渗透率为调节变量，并代入步骤一的仿真模型，设置入口气体流量q＝20g/s，进气温度400k，孔密度为300，得到壁面渗透率对主动再生频率的影响曲线；步骤六：设置排气质量流量q＝20g/s，o2浓度12％，初始pm量m＝10g/l，得到研究物性参数对主动再生最高温度的影响曲线；设置壁面渗透率分别为1e-13m2，3e-13m2，5e-13m2，得到壁面渗透率对主动再生最高温度的影响曲线；设置正四边形孔道的dpf对应三种不同碳烟渗透率1e-14m2，2e-14m2，4e-14m2，得到碳烟渗透率对主动再生最高温度的影响曲线；步骤七：综合分析步骤二至步骤六得出的各项曲线，得出dpf捕集与再生最优化的设计方案。2.根据权利要求1所述的一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，其特征在于：所述步骤二中的孔密度cpsi分别设置为200、300、400。3.根据权利要求1所述的一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，其特征在于：所述步骤三中的d1/d2比值分别设置为1.0、1.2、1.3、1.4。4.根据权利要求1所述的一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，其特征在于：所述步骤四中的dpf载体孔道形状分别设置为正四边形、六边形、八边形。5.根据权利要求1所述的一种dpf物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，其特征在于：所述步骤五中的壁面渗透率分别设置为1e-13m2，3e-13m2，5e-13m2，1e-14m2，2e-14m2，4e-14m2。

技术总结

本发明公开了一种DPF物性参数对其捕集与再生影响的仿真优化方法，该方法分别以孔密度、进出口孔道直径比值、载体孔道形状、壁面渗透率等物性参数为单一变量，得出其对DPF捕集与再生影响的仿真曲线，并综合得出DPF捕集与再生的最优化设计方案；经曲线分析得出以下仿真优化方案：较大的孔密度、较大的进出口比例、采用六边形孔道、高壁面渗透率、较低碳烟渗透率、较厚的孔道壁厚，更有利于实现DPF的节能捕集和有效再生。集和有效再生。集和有效再生。