【摘 要】由于柴油機較汽油機有更好的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性以及動力性，使其逐漸受到了汽車工業(yè)的重視。但汽油機在顆粒排放方面對環(huán)境具有很大的挑戰(zhàn)。對于柴油機排放而言，顆粒物的處理是柴油機排放控制的關(guān)鍵。本文運用Fluent流體分析軟件對DK4柴油機顆粒捕集器封裝裝置擴壓器進行優(yōu)化設(shè)計和對其工作過程內(nèi)流場進行數(shù)值模擬分析，獲得了最佳擴壓器角度以及內(nèi)流場流域情況。

　　【關(guān)鍵詞】《高壓電器》雜志征稿,柴油機,顆粒捕集器,擴壓器,優(yōu)化設(shè)計,內(nèi)流場,分析

　　一、引言

　　對于柴油機排放而言，顆粒物的處理是柴油機排放控制的關(guān)鍵。對柴油機顆粒物的脫出包括機內(nèi)控制技術(shù)和后處理技術(shù)。目前應(yīng)用較多的是機內(nèi)凈化技術(shù)，包括對柴油機的缸內(nèi)燃燒改進和對燃油的改進。但是機內(nèi)凈化技術(shù)使細顆粒物的數(shù)量增加，其危害更大。因此后處理技術(shù)可以比較成功減少細顆粒物的數(shù)量。在排氣尾部添加顆粒捕集器(DPF)對顆粒物進行捕集是可行性最好的一種后處理技術(shù)。目前商品化的表面過濾式顆粒捕集器可以達90%以上的捕集效率。

　　二、DPF封裝裝置中擴壓器的優(yōu)化設(shè)計

　　DPF封裝裝置的擴壓器，是連接在排氣管道和DPF封裝主體的一個裝置。擴壓器的主要作用是降低排氣管氣體速度，增加DPF進氣口前端的壓力，從而使氣體流動速度在DPF進氣端分布均勻，均勻的進氣有利于DPF的各項工作。如果擴壓器的設(shè)計不合適，導致DPF進氣分布不均勻，那么DPF內(nèi)所捕集的顆粒將分布不均勻，對DPF再生有不利的影響。本文參數(shù)參照DK4A柴油機參數(shù)進行設(shè)置，該發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)流量如下：

　　(一)不同錐角的擴壓器仿真模擬

　　本文中根據(jù)現(xiàn)有的實驗裝置選取了四種不同擴壓器錐角：30?、37?、45?和60?。并建立了1/8通道模型，假定每種角度的擴壓器進入流量相同，且設(shè)置在中等轉(zhuǎn)速流量為45.8L/s。

　　(二)仿真結(jié)論

　　在容積擴大區(qū)域，可以看出，30°、37°和45°模型的真空區(qū)域較少，而60°模型的真空區(qū)域特別大。對于DPF的進氣，最優(yōu)的是進氣分布均勻，均勻的進氣分布對DPF通道內(nèi)顆粒的捕集有重要的影響。但隨著擴壓角度增大，沿擴張壁面的渦流強度增加。30°錐角雖在速度分布上優(yōu)于37°，但擴壓錐角前部分管道較粗，進口速度較小，容易在捕集器前端造成顆粒物沉積，不利于DPF對顆粒的捕集，故最終選擇37°設(shè)計錐角。

　　三、DPF工作過程內(nèi)流場仿真模擬

　　由于DPF的進排氣孔道的分布是對稱的，所以通過分析一組進排氣孔的流動特性即可了解整個DPF內(nèi)部的流動情況。

　　(一)仿真方案

　　針對于DPF仿真模擬，研究其靜壓力分布和速度分布規(guī)律。根據(jù)上一章所分析結(jié)果，選擇錐角為37°的擴壓器，選擇A、B、C工況作為模擬工況：A工況，4.5m/s;B工況，10.2m/s ;C工況，14m/s。

　　(二)邊界條件設(shè)置

　　模型邊界條件采用速度入口和壓力出口，入口的速度依據(jù)表2所所提供的各工況的速度，并假設(shè)氣體均勻從通道入口進入，相對壓力為0，外界為大氣壓力，整個過程不考慮溫度的影響，單組通道之間影響不大。

　　(三)仿真結(jié)果

　　1、壓力與速度云圖分析

　　本次模擬共對三種工況的DPF流場進行分析，現(xiàn)特定選出中等負荷時即B工況下DPF的流場進行分析，并取得壓力場和速度場分布圖。

　　2、不同工況下DPF的流場特性對比

　　對三種工況建立仿真模型，進行分析對比，其速度和壓力的分布均有與上訴模型相似的分布規(guī)律，并達到了良好的過濾效果。分別取出入流通道中心線數(shù)值比較各工況下流場情況。得到以下圖，其中橫坐標表示從通道入口到某一位置長度與整個通道長度的比值，縱坐標則表示為某一位置的速度和壓力。

　　(四)仿真結(jié)論

　　在入流通道入口處，由于氣流速度較大，顆粒容易被氣體帶走而不容易沉積在此處，隨著氣體速度的降低，顆粒慢慢沉積在通道內(nèi)部，當速度在通道末端達到較低值時，顆粒沉積較多。所以，可以由此得出DPF內(nèi)部顆粒的分布情況為從入口到入流通道末端沉積的顆粒越來越多，并相應(yīng)改進入流速度和通道的構(gòu)造，以實現(xiàn)顆粒物在通道內(nèi)分布的均勻性。同時由此也可預(yù)測在再生過程時，主要的反應(yīng)發(fā)生在入流通道末端。

　　通過對比三種工況的壓力和速度分布情況，可以看到，高速工況下DPF的流場速度和排氣背壓均大于低速工況。較大的排氣背壓對發(fā)動機的工作有很大的影響，同時可以預(yù)測較大的流場速度對再生反應(yīng)的再生效果不利。

　　四、總結(jié)

　　(一)采用37°擴壓器設(shè)計錐角可以保證DPF獲得較均勻的入流速度并且使擴壓器入口管道較小，利于提高擴壓器入流速度，利于充分利用DPF的有效面積。

　　(二)DPF內(nèi)部顆粒的分布情況為從入口到入流通道末端沉積的顆粒越來越多，并相應(yīng)改進入流速度和通道的構(gòu)造，以實現(xiàn)顆粒物在通道內(nèi)分布的均勻性。

　　(三)較大的排氣背壓對發(fā)動機的工作有很大的影響，并且較大的流場速度對再生反應(yīng)的再生效果不利。

　　參考文獻：

　　[1]李岳林.汽車排放與噪聲控制[M].北京：人民交通出版社，2007.

　　[2]陸長軍.柴油微引燃缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機燃燒過程仿真研究[D].吉林：吉林大學，2011.

　　[3]李興虎.汽車環(huán)境保護技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

　　[4]孟忠偉.內(nèi)燃機排放與控制.成都：西華大學，2011.

　　[5]孟忠偉， 宋薔， 姚強， 等. 壁流式過濾體捕集微細顆粒過程的數(shù)值模擬[J].北京清華大學學報(自然科學版)， 2006， 46(5)： 678-681.