【摘 要】由于柴油機(jī)較汽油機(jī)有更好的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性以及動(dòng)力性，使其逐漸受到了汽車工業(yè)的重視。但汽油機(jī)在顆粒排放方面對(duì)環(huán)境具有很大的挑戰(zhàn)。對(duì)于柴油機(jī)排放而言，顆粒物的處理是柴油機(jī)排放控制的關(guān)鍵。本文運(yùn)用Fluent流體分析軟件對(duì)DK4柴油機(jī)顆粒捕集器封裝裝置擴(kuò)壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和對(duì)其工作過(guò)程內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲得了最佳擴(kuò)壓器角度以及內(nèi)流場(chǎng)流域情況。

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

　　一、引言

　　對(duì)于柴油機(jī)排放而言，顆粒物的處理是柴油機(jī)排放控制的關(guān)鍵。對(duì)柴油機(jī)顆粒物的脫出包括機(jī)內(nèi)控制技術(shù)和后處理技術(shù)。目前應(yīng)用較多的是機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，包括對(duì)柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒改進(jìn)和對(duì)燃油的改進(jìn)。但是機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)使細(xì)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(xì)顆粒物的數(shù)量。在排氣尾部添加顆粒捕集器(DPF)對(duì)顆粒物進(jìn)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(guò)濾式顆粒捕集器可以達(dá)90%以上的捕集效率。

　　二、DPF封裝裝置中擴(kuò)壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　DPF封裝裝置的擴(kuò)壓器，是連接在排氣管道和DPF封裝主體的一個(gè)裝置。擴(kuò)壓器的主要作用是降低排氣管氣體速度，增加DPF進(jìn)氣口前端的壓力，從而使氣體流動(dòng)速度在DPF進(jìn)氣端分布均勻，均勻的進(jìn)氣有利于DPF的各項(xiàng)工作。如果擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)不合適，導(dǎo)致DPF進(jìn)氣分布不均勻，那么DPF內(nèi)所捕集的顆粒將分布不均勻，對(duì)DPF再生有不利的影響。本文參數(shù)參照DK4A柴油機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，該發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)流量如下：

　　(一)不同錐角的擴(kuò)壓器仿真模擬

　　本文中根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置選取了四種不同擴(kuò)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(kuò)壓器進(jìn)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(kuò)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(duì)于DPF的進(jìn)氣，最優(yōu)的是進(jìn)氣分布均勻，均勻的進(jìn)氣分布對(duì)DPF通道內(nèi)顆粒的捕集有重要的影響。但隨著擴(kuò)壓角度增大，沿?cái)U(kuò)張壁面的渦流強(qiáng)度增加。30°錐角雖在速度分布上優(yōu)于37°，但擴(kuò)壓錐角前部分管道較粗，進(jìn)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(duì)顆粒的捕集，故最終選擇37°設(shè)計(jì)錐角。

　　三、DPF工作過(guò)程內(nèi)流場(chǎng)仿真模擬

　　由于DPF的進(jìn)排氣孔道的分布是對(duì)稱的，所以通過(guò)分析一組進(jìn)排氣孔的流動(dòng)特性即可了解整個(gè)DPF內(nèi)部的流動(dòng)情況。

　　(一)仿真方案

　　針對(duì)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(kuò)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(jìn)入，相對(duì)壓力為0，外界為大氣壓力，整個(gè)過(guò)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(duì)三種工況的DPF流場(chǎng)進(jìn)行分析，現(xiàn)特定選出中等負(fù)荷時(shí)即B工況下DPF的流場(chǎng)進(jìn)行分析，并取得壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布圖。

　　2、不同工況下DPF的流場(chǎng)特性對(duì)比

　　對(duì)三種工況建立仿真模型，進(jìn)行分析對(duì)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(dá)到了良好的過(guò)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(chǎng)情況。得到以下圖，其中橫坐標(biāo)表示從通道入口到某一位置長(zhǎng)度與整個(gè)通道長(zhǎng)度的比值，縱坐標(biāo)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(dāng)速度在通道末端達(dá)到較低值時(shí)，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(lái)越多，并相應(yīng)改進(jìn)入流速度和通道的構(gòu)造，以實(shí)現(xiàn)顆粒物在通道內(nèi)分布的均勻性。同時(shí)由此也可預(yù)測(cè)在再生過(guò)程時(shí)，主要的反應(yīng)發(fā)生在入流通道末端。

　　通過(guò)對(duì)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(chǎng)速度和排氣背壓均大于低速工況。較大的排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作有很大的影響，同時(shí)可以預(yù)測(cè)較大的流場(chǎng)速度對(duì)再生反應(yīng)的再生效果不利。

　　四、總結(jié)

　　(一)采用37°擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)錐角可以保證DPF獲得較均勻的入流速度并且使擴(kuò)壓器入口管道較小，利于提高擴(kuò)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(lái)越多，并相應(yīng)改進(jìn)入流速度和通道的構(gòu)造，以實(shí)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作有很大的影響，并且較大的流場(chǎng)速度對(duì)再生反應(yīng)的再生效果不利。

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