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【摘 要】由于柴油机较汽油机有更好的经济性、稳定性以及动力性，使其逐渐受到了汽车工业的重视。但汽油机在颗粒排放方面对环境具有很大的挑战。对于柴油机排放而言，颗粒物的处理是柴油机排放控制的关键。本文运用Fluent流体分析软件对DK4柴油机颗粒捕集器封装装置扩压器进行优化设计和对其工作过程内流场进行数值模拟分析，获得了最佳扩压器角度以及内流场流域情况。
【关键词】柴油机；颗粒捕集器；扩压器；优化设计；内流场；分析
一、引言
对于柴油机排放而言，颗粒物的处理是柴油机排放控制的关键。对柴油机颗粒物的脱出包括机内控制技术和后处理技术。目前应用较多的是机内净化技术，包括对柴油机的缸内燃烧改进和对燃油的改进。但是机内净化技术使细颗粒物的数量增加，其危害更大。因此后处理技术可以比较成功减少细颗粒物的数量。在排气尾部添加颗粒捕集器（DPF）对颗粒物进行捕集是可行性最好的一种后处理技术。目前商品化的表面过滤式颗粒捕集器可以达90%以上的捕集效率。
二、DPF封装装置中扩压器的优化设计
DPF封装装置的扩压器，是连接在排气管道和DPF封装主体的一个装置。扩压器的主要作用是降低排气管气体速度，增加DPF进气口前端的压力，从而使气体流动速度在DPF进气端分布均匀，均匀的进气有利于DPF的各项工作。如果扩压器的设计不合适，导致DPF进气分布不均匀，那么DPF内所捕集的颗粒将分布不均匀，对DPF再生有不利的影响。本文参数参照DK4A柴油机参数进行设置，该发动机不同转速对应流量如下：
（一）不同锥角的扩压器仿真模拟
本文中根据现有的实验装置选取了四种不同扩压器锥角：30?、37?、45?和60?。并建立了1/8通道模型，假定每种角度的扩压器进入流量相同，且设置在中等转速流量为45.8L/s。
（二）仿真结论
在容积扩大区域，可以看出，30°、37°和45°模型的真空区域较少，而60°模型的真空区域特别大。对于DPF的进气，最优的是进气分布均匀，均匀的进气分布对DPF通道内颗粒的捕集有重要的影响。但随着扩压角度增大，沿扩张壁面的涡流强度增加。30°锥角虽在速度分布上优于37°，但扩压锥角前部分管道较粗，进口速度较小，容易在捕集器前端造成颗粒物沉积，不利于DPF对颗粒的捕集，故最终选择37°设计锥角。
三、DPF工作过程内流场仿真模拟
由于DPF的进排气孔道的分布是对称的，所以通过分析一组进排气孔的流动特性即可了解整个DPF内部的流动情况。
（一）仿真方案
针对于DPF仿真模拟，研究其静压力分布和速度分布规律。根据上一章所分析结果，选择锥角为37°的扩压器，选择A、B、C工况作为模拟工况：A工况，4.5m/s；B工况，10.2m/s ；C工况，14m/s。
（二）边界条件设置
模型边界条件采用速度入口和压力出口，入口的速度依据表2所所提供的各工况的速度，并假设气体均匀从通道入口进入，相对压力为0，外界为大气压力，整个过程不考虑温度的影响，单组通道之间影响不大。
（三）仿真结果
1、压力与速度云图分析
本次模拟共对三种工况的DPF流场进行分析，现特定选出中等负荷时即B工况下DPF的流场进行分析，并取得压力场和速度场分布图。
2、不同工况下DPF的流场特性对比
对三种工况建立仿真模型，进行分析对比，其速度和压力的分布均有与上诉模型相似的分布规律，并达到了良好的过滤效果。分别取出入流通道中心线数值比较各工况下流场情况。得到以下图，其中横坐标表示从通道入口到某一位置长度与整个通道长度的比值，纵坐标则表示为某一位置的速度和压力。
（四）仿真结论
在入流通道入口处，由于气流速度较大，颗粒容易被气体带走而不容易沉积在此处，随着气体速度的降低，颗粒慢慢沉积在通道内部，当速度在通道末端达到较低值时，颗粒沉积较多。所以，可以由此得出DPF内部颗粒的分布情况为从入口到入流通道末端沉积的颗粒越来越多，并相应改进入流速度和通道的构造，以实现颗粒物在通道内分布的均匀性。同时由此也可预测在再生过程时，主要的反应发生在入流通道末端。
通过对比三种工况的压力和速度分布情况，可以看到，高速工况下DPF的流场速度和排气背压均大于低速工况。较大的排气背压对发动机的工作有很大的影响，同时可以预测较大的流场速度对再生反应的再生效果不利。
四、总结
（一）采用37°扩压器设计锥角可以保证DPF获得较均匀的入流速度并且使扩压器入口管道较小，利于提高扩压器入流速度，利于充分利用DPF的有效面积。
（二）DPF内部颗粒的分布情况为从入口到入流通道末端沉积的颗粒越来越多，并相应改进入流速度和通道的构造，以实现颗粒物在通道内分布的均匀性。
（三）较大的排气背压对发动机的工作有很大的影响，并且较大的流场速度对再生反应的再生效果不利。
参考文献：
[1]李岳林.汽车排放与噪声控制[M].北京：人民交通出版社，2007.
[2]陆长军.柴油微引燃缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真研究[D].吉林：吉林大学，2011.
[3]李兴虎.汽车环境保护技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[4]孟忠伟.内燃机排放与控制.成都：西华大学，2011.
[5]孟忠伟， 宋蔷， 姚强， 等. 壁流式过滤体捕集微细颗粒过程的数值模拟[J].北京清华大学学报（自然科学版）， 2006， 46（5）： 678-681.
[6]龚金科，赖天贵，董喜俊，等.车用柴油机微粒捕集器流场的数值模拟与分析[J].长沙：汽车工程，2006，28（2）.
[7]刘卫国，姬宝强.微粒捕集器微元管内流场的CFD分析[J].大连：汽车科技， 2009（1）.
作者简介：
陈杰，1993年5月24日，女，重庆市合川县，西华大学交通与汽车工程学院，本科生，汽车服务工程。
【关键词】柴油机；颗粒捕集器；扩压器；优化设计；内流场；分析
一、引言
对于柴油机排放而言，颗粒物的处理是柴油机排放控制的关键。对柴油机颗粒物的脱出包括机内控制技术和后处理技术。目前应用较多的是机内净化技术，包括对柴油机的缸内燃烧改进和对燃油的改进。但是机内净化技术使细颗粒物的数量增加，其危害更大。因此后处理技术可以比较成功减少细颗粒物的数量。在排气尾部添加颗粒捕集器（DPF）对颗粒物进行捕集是可行性最好的一种后处理技术。目前商品化的表面过滤式颗粒捕集器可以达90%以上的捕集效率。
二、DPF封装装置中扩压器的优化设计
DPF封装装置的扩压器，是连接在排气管道和DPF封装主体的一个装置。扩压器的主要作用是降低排气管气体速度，增加DPF进气口前端的压力，从而使气体流动速度在DPF进气端分布均匀，均匀的进气有利于DPF的各项工作。如果扩压器的设计不合适，导致DPF进气分布不均匀，那么DPF内所捕集的颗粒将分布不均匀，对DPF再生有不利的影响。本文参数参照DK4A柴油机参数进行设置，该发动机不同转速对应流量如下：
（一）不同锥角的扩压器仿真模拟
本文中根据现有的实验装置选取了四种不同扩压器锥角：30?、37?、45?和60?。并建立了1/8通道模型，假定每种角度的扩压器进入流量相同，且设置在中等转速流量为45.8L/s。
（二）仿真结论
在容积扩大区域，可以看出，30°、37°和45°模型的真空区域较少，而60°模型的真空区域特别大。对于DPF的进气，最优的是进气分布均匀，均匀的进气分布对DPF通道内颗粒的捕集有重要的影响。但随着扩压角度增大，沿扩张壁面的涡流强度增加。30°锥角虽在速度分布上优于37°，但扩压锥角前部分管道较粗，进口速度较小，容易在捕集器前端造成颗粒物沉积，不利于DPF对颗粒的捕集，故最终选择37°设计锥角。
三、DPF工作过程内流场仿真模拟
由于DPF的进排气孔道的分布是对称的，所以通过分析一组进排气孔的流动特性即可了解整个DPF内部的流动情况。
（一）仿真方案
针对于DPF仿真模拟，研究其静压力分布和速度分布规律。根据上一章所分析结果，选择锥角为37°的扩压器，选择A、B、C工况作为模拟工况：A工况，4.5m/s；B工况，10.2m/s ；C工况，14m/s。
（二）边界条件设置
模型边界条件采用速度入口和压力出口，入口的速度依据表2所所提供的各工况的速度，并假设气体均匀从通道入口进入，相对压力为0，外界为大气压力，整个过程不考虑温度的影响，单组通道之间影响不大。
（三）仿真结果
1、压力与速度云图分析
本次模拟共对三种工况的DPF流场进行分析，现特定选出中等负荷时即B工况下DPF的流场进行分析，并取得压力场和速度场分布图。
2、不同工况下DPF的流场特性对比
对三种工况建立仿真模型，进行分析对比，其速度和压力的分布均有与上诉模型相似的分布规律，并达到了良好的过滤效果。分别取出入流通道中心线数值比较各工况下流场情况。得到以下图，其中横坐标表示从通道入口到某一位置长度与整个通道长度的比值，纵坐标则表示为某一位置的速度和压力。
（四）仿真结论
在入流通道入口处，由于气流速度较大，颗粒容易被气体带走而不容易沉积在此处，随着气体速度的降低，颗粒慢慢沉积在通道内部，当速度在通道末端达到较低值时，颗粒沉积较多。所以，可以由此得出DPF内部颗粒的分布情况为从入口到入流通道末端沉积的颗粒越来越多，并相应改进入流速度和通道的构造，以实现颗粒物在通道内分布的均匀性。同时由此也可预测在再生过程时，主要的反应发生在入流通道末端。
通过对比三种工况的压力和速度分布情况，可以看到，高速工况下DPF的流场速度和排气背压均大于低速工况。较大的排气背压对发动机的工作有很大的影响，同时可以预测较大的流场速度对再生反应的再生效果不利。
四、总结
（一）采用37°扩压器设计锥角可以保证DPF获得较均匀的入流速度并且使扩压器入口管道较小，利于提高扩压器入流速度，利于充分利用DPF的有效面积。
（二）DPF内部颗粒的分布情况为从入口到入流通道末端沉积的颗粒越来越多，并相应改进入流速度和通道的构造，以实现颗粒物在通道内分布的均匀性。
（三）较大的排气背压对发动机的工作有很大的影响，并且较大的流场速度对再生反应的再生效果不利。
参考文献：
[1]李岳林.汽车排放与噪声控制[M].北京：人民交通出版社，2007.
[2]陆长军.柴油微引燃缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真研究[D].吉林：吉林大学，2011.
[3]李兴虎.汽车环境保护技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[4]孟忠伟.内燃机排放与控制.成都：西华大学，2011.
[5]孟忠伟， 宋蔷， 姚强， 等. 壁流式过滤体捕集微细颗粒过程的数值模拟[J].北京清华大学学报（自然科学版）， 2006， 46（5）： 678-681.
[6]龚金科，赖天贵，董喜俊，等.车用柴油机微粒捕集器流场的数值模拟与分析[J].长沙：汽车工程，2006，28（2）.
[7]刘卫国，姬宝强.微粒捕集器微元管内流场的CFD分析[J].大连：汽车科技， 2009（1）.
作者简介：
陈杰，1993年5月24日，女，重庆市合川县，西华大学交通与汽车工程学院，本科生，汽车服务工程。