何 帆, 吕 明, 宁 智, 陈晓明

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京100044)

柴油机排气微粒捕集器连续再生技术(CRT技术) 是柴油车排气微粒后处理技术中的一项关键技术，已成为柴油车排气微粒后处理技术研究的热点技术之一[1].近年来，国内外学者对CRT技术进行了大量的研究，并取得了许多重要的研究成果[2～5]，但针对道路工况下的微粒捕集器连续再生特性及其影响因素的研究还很少.

道路试验研究面临着试验费用昂贵、试验周期长等问题，而仿真分析方法则可以部分弥补试验研究的缺陷，缩短试验周期并节约试验费用.

根据CRT技术研究与开发的需要，文中利用在GT-Drive平台上建立的某重型柴油车及微粒捕集器连续再生仿真模型，对不同道路循环工况下柴油车微粒捕集器连续再生的动态特性，以及捕集器微粒沉积量和柴油车载荷对捕集器连续再生特性的影响进行研究.

1 仿真模型

1.1 柴油机及整车参数

文中的研究对象是满足欧IV排放标准的某重型柴油车，该车采用的涡轮增压柴油机主要技术参数如表1和表2所示.

表1 柴油机主要技术参数

表2 柴油车整车主要参数

1.2仿真模型

GT-SUITE是一个集成化的CAE软件包.利用GT-SUITE软件包中的GT-Drive模块可以进行车辆和动力系统的仿真计算.

根据柴油车的整车参数和柴油机万有特性以及NOx排放和排温MAP图，利用GT-Drive软件模块建立了柴油车及微粒捕集器连续再生仿真模型[6]，如图1所示.

图1给出了仿真模型的整体结构和各部分关系；仿真模型可根据车辆运行的标准循环工况并依据特定的换挡策略，计算出每个循环工况下柴油机的运行工况点和微粒捕集器的微粒沉降和再生状况随时间的变化关系.

图1 柴油车及微粒捕集器连续再生GT-Drive仿真模型

柴油机的万有特性、NOx排放特性以及排温特性,将直接影响到柴油车按不同道路循环工况运行时,微粒捕集器的连续再生动态特性；因此，在进行仿真分析时，以柴油机实测的万有特性、NOx排放MAP图和排温MAP图确定柴油机的工况和排放参数.限于篇幅,具体的建立及验证分析过程详见文献[6].

柴油车微粒捕集器的连续再生分为NO氧化及捕集器再生(微粒氧化) 两个部分.在柴油机排放的NOx中，约有90%左右的NOx为NO；因此，需要首先利用NO催化转化器(DOC) 将排气中的NO氧化为NO2，然后再利用NO2对微粒捕集器内沉积的微粒进行氧化.

发生在DOC内的化学反应非常复杂，很多反应可以同时进行；这些反应与排气成分、温度以及催化剂涂层的活性组分等有关.文中主要考虑在氧化型催化剂的作用下所发生的NO经氧化生成NO2的氧化反应，其反应式如下：

(1)

捕集器DPF连续再生时，通常达不到氧气与微粒强烈氧化的条件，因此,在连续再生过程中主要关注的是NO2与微粒间发生的氧化反应.捕集器内发生的连续再生反应可以表示为

C+αNO2→αNO+(2-α)CO+(α-1)CO2.

(2)

式中：α为微粒氧化反应完全系数，主要取决于反应器的温度水平，取值通常在1.2 ～ 1.8之间.

计算时，微粒捕集器的主要结构参数和物性参数皆取自目前已有的捕集器的实际参数.

2 道路循环工况下捕集器连续再生特性分析

文中利用标准测试工况模拟柴油车的实际道路工况.目前，汽车道路循环测试工况很多，包括美国FTP-75道路循环工况、欧洲NEDC道路循环工况、日本10-15道路循环工况等.

美国城市道路测试循环工况FTP-75能够比较真实反映汽车在美国城市道路行驶时的特征.除循环工况FTP-75外，美国还有高速公路测试循环工况HWY，主要用于城市之间的交通模拟.

欧洲汽车道路测试循环工况由欧盟制定.早期欧洲汽车排放法规规定的测试循环工况主要反映的是汽车在欧洲城市内行驶的特征.从1992年起，在欧盟汽车排放法规规定的测试循环工况后面又加上了汽车在郊外公路上的行驶工况，合称为NEDC.

选用FTP-75模拟城市道路工况，NEDC模拟城郊道路工况，HWY模拟高速公路工况；在此基础上，对不同道路工况下微粒捕集器的连续再生特性和影响因素进行分析.仿真分析时，除特别说明外，柴油车的载荷为半载状态.

2.1 道路循环工况下的捕集器连续再生特性

微粒捕集器的连续再生特性与柴油车的行驶工况以及柴油机的动态排放特性密切相关，主要受排气温度以及排气中NO2浓度的影响.图2和图3分别给出的是不同道路循环工况下，排气温度的对比以及捕集器入口与出口处NO2浓度随时间变化的比较.

图2 不同道路循环工况下排气温度的对比

图3 不同道路循环工况下捕集器入口与出口处NO2浓度的变化

仿真结果表明，柴油车排温与行车路况密切相关；车速变化越剧烈，排温和NOx排放的变化也就越大.从图2和图3中可以看到，由于城市道路工况下车速普遍较低，柴油车处于频繁停车、加速、减速等状态，使得呈现出柴油车排温和NOx排放整体水平较低，但会出现个别高峰值的特点.在城郊道路工况下，由于存在着一定比例的匀速工况，因此,排温和NOx排放的变化相对比较平稳，只是在加速时段中产生排放峰值；柴油车排温和NOx排放的整体水平高于城市道路工况.在高速公路工况下，柴油车排温和NOx排放的整体水平相对较高，但极少出现与平均排放水平相比过高的峰值.

另外，从图3中还可以看到，高速公路工况下NO2的消耗最为剧烈，而城市道路工况下NO2的消耗则相对较少.3种道路工况下捕集器出口处的NO2浓度在局部时间段内都有被完全消耗的现象，并且在排温较高的时间段里更为明显.在3种道路工况中，高速公路工况下NO2被完全消耗的时间比例最大，而城市道路工况下的比例则最小.在NO2全部消耗的时间段内，氧化剂的缺乏将阻碍连续再生的进行.因此，在排温足够高的情况下，排气中的NO2含量将会成为限制捕集器再生速率的主要因素.

图4给出的是不同道路循环工况下捕集器中的微粒沉积量随时间的变化.

从图4中可以看到，在不同道路工况下，随着再生的进行，再生速率会逐渐减小，捕集器中的微粒沉积量最终皆趋近于一种平衡状态，即微粒在捕集器中的沉积速率与捕集器的再生速率趋近相等；称此时的微粒沉积量为捕集器连续再生的平衡沉积量.平衡沉积量可以作为捕集器连续再生特性的一个重要评价指标.

图4 不同道路工况下微粒沉积量随时间变化的比较

从图4中可以看到，在计算条件下，3种道路工况下捕集器都能够实现连续再生，但再生特性又有所不同.城市道路工况下的捕集器再生速率最低，微粒平衡沉积量最大，达到平衡所用时间最长；而高速公路工况下的捕集器再生速率最高，微粒平衡沉积量最小，达到平衡最快.

图5给出的是洁净微粒捕集器(初始微粒沉积量为0 kg)条件下，不同道路循环工况时捕集器中的微粒沉积量随时间的变化.

从图5中可以看到，在洁净捕集器工作初期，城郊道路工况下捕集器中的微粒沉积速度快于城市道路工况，而高速公路工况下捕集器中的微粒沉积速度又快于城郊道路工况.由于高速公路工况下的柴油车排温和NO2排放浓度的整体水平高于城郊道路工况和城市道路工况，捕集器再生速率较高，这就使得高速公路工况下的捕集器微粒平衡沉积量最小，达到平衡时间最短.

图5 不同道路循环工况下洁净微粒捕集器微粒沉积量随时间的变化

在道路工况下，微粒捕集器的连续再生会受到多种因素的影响.在某些极端的情况下，捕集器的再生可能会难以进行，从而造成捕集器中微粒的严重累积，对柴油机的性能以及捕集器的安全再生产生不利影响.除了道路工况以外，捕集器初始微粒沉积量和柴油车载荷是影响捕集器连续再生的另外两个重要因素.

2.2 微粒初始沉积量对捕集器连续再生的影响

图6给出的是不同道路循环工况下，不同初始微粒沉积量时，捕集器微粒沉积量的变化.

从图6中可以发现，在确定的道路工况下，捕集器的初始微粒沉积量越大，初始再生速率越高，但初始微粒沉积量并不会对最终的捕集器微粒平衡沉积量和捕集器沉积微粒量达到动态平衡时所用的时间产生影响.道路工况不同时，捕集器的微粒平衡沉积量不同；高速公路工况下的微粒平衡沉积量最小，城市道路工况下的微粒平衡沉积量最大.从计算结果中再次可以看到，高速公路工况有利于捕集器的连续再生.

图6 初始微粒沉积量对捕集器连续再生的影响

2.3 柴油车载荷对捕集器连续再生的影响

柴油车的载荷主要通过对排温和NOx排放的影响，进而对微粒捕集器的连续再生产生影响.研究表明，低载荷时，柴油车高排温及高NOx排放区主要集中在高速加速区；随着柴油车载荷的增加，高排温和高NOx排放区将会逐渐扩大.

图7给出的是不同道路循环工况下，不同柴油车载荷时，捕集器微粒沉积量的变化情况.

从图7(a)中可以看到，在城市道路工况下，柴油车载荷对捕集器连续再生的影响非常明显.柴油车空载时，捕集器的再生速率小于微粒沉积速率，捕集器中的微粒沉积量不断累积升高，捕集器的连续再生出现“失效”现象.随着柴油车载荷的增加，捕集器的再生速率会显著提高.

另外，从图7(a)中还可以看到，柴油车载荷还会对捕集器的微粒平衡沉积量以及达到平衡时的时间产生影响；随着柴油车载荷的增加，捕集器达到微粒平衡沉积量以及达到微粒平衡沉积量所用的时间会快速下降.

从图7(b)和(c)中可以看到，与城市道路工况下的情况基本相同，在城郊道路和高速公路工况下，柴油车载荷越高，捕集器的微粒平衡沉积量越小，达到平衡沉积量所需的时间越短.相比较，高速公路工况下，微粒平衡沉积量更小，达到平衡沉积量所需的时间更短.

图7 柴油车载荷对捕集器连续再生的影响

对比图7(b)、图7(c)与图7(a)可以发现，在城郊道路和高速公路工况下，柴油车空载时捕集器出现的再生“失效”现象消失.

图8给出的是柴油车空载、半载及满载时，不同道路循环工况下捕集器连续再生的比较.

从图8中可以看到，柴油车载荷不同时，道路工况对捕集器连续再生的影响程度不同.柴油车空载时，道路工况对捕集器连续再生的影响程度相对最大；此时，在城市道路工况下，捕集器的连续再生甚至会出现“失效”现象.柴油车满载时，既使是在城市道路工况下，由于此时柴油车的NOx排放和排温都相对较高，因此道路工况对捕集器连续再生的影响程度相对较小.

图8 空载、半载及满载时不同道路循环工况下捕集器连续再生的比较

3 结 论

通过对道路工况下柴油车微粒捕集器连续再生特性的仿真分析，得到如下结论：

1) 在一定的微粒沉积量下，随着再生的进行，再生速率会逐渐减小，捕集器中的微粒沉积量最终会达到一个平衡沉积量.城市道路工况下的捕集器再生速率最低，微粒平衡沉积量最大，达到平衡所用时间最长；高速公路工况下的捕集器再生速率最高，微粒平衡沉积量最小，达到平衡最快，因此最有利于捕集器的连续再生.

2) 在确定的道路工况下，捕集器的初始微粒沉积量越大，初始再生速率越高；但初始微粒沉积量并不会对最终的平衡沉积量和沉积微粒量达到动态平衡时所需的时间产生影响.

3) 相比较，在城市道路工况下，柴油车载荷对捕集器连续再生的影响最为明显，空载时捕集器的连续再生有可能出现“失效”现象.随着柴油车载荷的增加，捕集器达到微粒平衡沉积量以及达到平衡沉积量所用时间会快速下降.柴油车载荷不同时，道路工况对捕集器连续再生的影响程度不同；柴油车空载时，道路工况对捕集器连续再生的影响程度最大.