CN112487727B - 一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，该优化分析方法包括：步骤一、搭建仿真模型；步骤二、设置仿真模型的初始参数；步骤三、得出滤饼层碳烟压降曲线与深床层碳烟压降曲线的交点，定义该交点发生的时刻为最佳再生时刻TR；步骤四、调节并优化分析步骤二中的壁厚及碳烟渗透率取值，进而在安全限值范围内推迟最佳再生时刻TR的到来时间。该优化分析方法通过搭建仿真模型得出滤饼层碳烟压降曲线与深床层碳烟压降曲线的交点，即最佳再生时刻TR，且得出了部分物性参数对推迟再生时刻TR到来时间的最优解，避免了过早进行主动再生而造成的能源浪费，对掌握主动再生时刻以及实现更高效的DPF捕集和再生有着重要指导意义。

Description

一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法
技术领域
本发明涉及建模仿真技术领域，尤其是一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法。
背景技术
目前我国的国六排放法规已逐步实施，之前国五标准只针对柴油车和汽油直喷汽车有PM(Particulate Matter)限值要求，但在国六中要求所有点燃式汽车均满足PM以及新增的PN(Particle numbers，粒子数量，即去除了挥发性物质的稀释排气中，所有粒径超过23nm的粒子总数)限值要求。因此不管是柴油车还是汽油车，都面临着严格的PM和PN排放限值要求。大量研究表明，壁流式颗粒捕集器目前是车用催化器中减少颗粒排放最有效的手段。汽油机GPF(Gasoline Particulate Filter)和柴油机DPF(Diesel ParticulateFilter)均以壁流式颗粒捕集器为其核心部件如图1所示，且已经成为其后处理系统的标准配置。壁流式颗粒捕集器的载体如图2所示，由具有一定孔密度的蜂窝状陶瓷组成，蜂窝状多孔陶瓷过滤体的孔道被交替封堵，排气流中的颗粒物被迫从孔道壁面通过从而被捕集过滤。车用催化器即微粒捕集器的再生是世界各个国家围绕其展开的一项主要工作。
由此可见，相关物性参数对车用催化器的捕集和再生有着重要的影响，但是当前在制定DPF主动再生策略时，通常依据固定压降来确定DPF的再生时刻。根据不同工况下碳载量和DPF压降的对应关系确定再生背压，设定为碳烟累积的安全限值。当DPF的背压达到此预设的数值后，DPF即进行主动再生。
因此，本领域技术人员需要一种更优化的分析方式，确定再生时刻TR的最优到来时间。
经对公开专利进行检索，发现与本技术方案最相关的如下专利文献：
一种固定式颗粒捕集器再生系统(CN110206617B)公开了一种固定式颗粒捕集器再生系统，该系统包括：加热装置、燃烧室、尾气净化装置和控制器；燃烧室为具有上下开口且内部中空的腔室，用于放置颗粒捕集器；加热装置与燃烧室的下开口通过管件连接，用于加热颗粒捕集器；燃烧室的上开口与尾气净化装置连接；控制器分别与加热装置和燃烧室控制连接，用于根据燃烧室的相关参数，调整加热装置的功率。该系统在燃烧过程中通过控制器保证再生温度维持在适宜的范围内，不会使颗粒捕集器活性遭到破坏，从而达到高效无损清洁颗粒捕集器的效果；为车用、船用等颗粒捕集器提供了一种有效的线下再生手段，解决颗粒捕集器长时间使用后的堵塞问题。
通过对上述公开专利文献的对比分析，申请人认为，上述公开专利与本申请的技术方案存在较大差异，因此不影响本申请的新颖性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，该优化分析方法通过搭建仿真模型得出滤饼层碳烟压降曲线与深床层碳烟压降曲线的交点，即最佳再生时刻TR，且得出了部分物性参数对推迟再生时刻TR到来时间的最优解，避免了过早进行主动再生而造成的能源浪费。
一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，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 PurifierModule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：设置仿真模型的初始参数，
DPF载体参数的数值设置为：载体尺寸143×152mm；孔密度300CPSI；壁厚0.62～0.38mm；载体密度1500g/L；载体导热系数5W/m·K；载体热容1250J/kg·K；
压降模型参数的数值设置为：壁面渗透率3.5E-13m2；碳烟渗透率5.5E-15～2.5E-14m2；深床层碳烟渗透率9E-15m2；深床层碳烟厚度0.01mm；深床层碳烟密度域值2.5g/L；初始碳烟层密度91g/L；排气中碳烟量0.0005kg Particle/kg Gas；
气体质量流量Q＝20g/s，进气温度T＝400K，孔密度＝300CPSI，初始碳烟量为0；
步骤三：得出滤饼层碳烟压降曲线与深床层碳烟压降曲线的交点，定义该交点发生的时刻为最佳再生时刻TR；
步骤四：调节并优化分析步骤二中的壁厚及碳烟渗透率取值，进而在安全限值范围内推迟最佳再生时刻TR的到来时间。
而且，步骤二中的壁厚取值0.62时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈200s。
而且，步骤二中的壁厚取值0.38mm时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈260s。
而且，步骤二中的碳烟渗透率取值5E-15m2时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈90s。
而且，步骤二中的碳烟渗透率取值2.5E-14m2时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈230s。
本发明的优点和技术效果是：
本发明的一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，该优化分析方法以DPF为研究对象，以数值模拟仿真计算为手段，定义了一种新的非固定值的再生时刻TR，并且分析滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR与DPF的最佳再生时刻的影响关系，最后得出壁厚及碳烟渗透率的最优取值。TR对DPF来说并非一个固定值，它不仅会随着DPF某些物性参数的变化而变化，而且与微粒的成分和性质有关，TR的到来时间随DPF孔道壁厚的降低和碳烟渗透率的升高而推迟，可有效降低主动再生频率。相比较而言，如较厚的DPF孔道壁厚和较高的碳烟渗透率，TR比安全限值再生时刻推迟明显，能有效降低主动再生频率，减少主动再生能源消耗，节约成本。本专利研究对掌握主动再生时刻以及实现更高效的DPF捕集和再生有着重要指导意义。
附图说明
图1为本发明的壁流式蜂窝过滤孔道结构示意图；
图2为本发明的催化器碳化硅载体结构示意图；
图3为本发明的DPF一维实体仿真模型示意图；
图4为本发明的DPF三维实体网格模型示意图；
图5为本发明的DPF压降随PM累积变化曲线图；
图6为本发明的DPF再生过程反应最高温度的曲线图；
图7为本发明的DPF碳烟层压降变化趋势图；
图8为本发明的DPF孔道壁厚对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响对比图；
图9为本发明的碳烟渗透率对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响对比图。
具体实施方式
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。
一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，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 PurifierModule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：设置仿真模型的初始参数，
DPF载体参数的数值设置为：载体尺寸143×152mm；孔密度300CPSI；壁厚0.62～0.38mm；载体密度1500g/L；载体导热系数5W/m·K；载体热容1250J/kg·K；
压降模型参数的数值设置为：壁面渗透率3.5E-13m2；碳烟渗透率5.5E-15～2.5E-14m2；深床层碳烟渗透率9E-15m2；深床层碳烟厚度0.01mm；深床层碳烟密度域值2.5g/L；初始碳烟层密度91g/L；排气中碳烟量0.0005kg Particle/kg Gas；
气体质量流量Q＝20g/s，进气温度T＝400K，孔密度＝300CPSI，初始碳烟量为0；
步骤三：得出滤饼层碳烟压降曲线与深床层碳烟压降曲线的交点，定义该交点发生的时刻为最佳再生时刻TR；
步骤四：调节并优化分析步骤二中的壁厚及碳烟渗透率取值，进而在安全限值范围内推迟最佳再生时刻TR的到来时间。
而且，步骤二中的壁厚取值0.62时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈200s。
而且，步骤二中的壁厚取值0.38mm时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈260s。
而且，步骤二中的碳烟渗透率取值5E-15m2时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈90s。
而且，步骤二中的碳烟渗透率取值2.5E-14m2时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈230s。
为更清楚的说明本发明的具体实施方式，下面提供一种实例：
一、DPF一维及三维数值仿真计算模型建立：
本专利中用于DPF物理性能参数模拟计算的模型的构建，所需模拟软件所覆盖的模块必须能实现对DPF气体流动、壁面传热、柴油机排气组分反应等方面进行模拟仿真计算。AVL-Boost的Boost Exhaust Gas Purifier Module可以模拟分析各种类型的催化转化器和微粒捕集器等排气净化装置。如图3所示为本专利建立的DPF数值仿真模型。
同时，本专利在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，建立了DPF的网格模型如图4所示。在模型中可设定其质量流量、初始温度等参数。
二、DPF数值模型试验验证
本专利根据参数的测试条件，利用现有文献设定了DPF数值模型，并将仿真结果与实验数据进行比较，DPF数值模型加以验证。
1.初始参数设置
根据现有技术涉及到的测试条件，将其转换为模型的相应参数，DPF载体的本体特性，外形尺寸和其他相关物理参数等参数设置。有关DPF内部压降模型相关参数的设置，详见表1、表2。
表1 DPF参数设置
Figure BDA0002734504420000051
表2压降模型参数设置
Figure BDA0002734504420000052
2.模拟值和试验值的对比
图5为DPF内部总压降伴随PM的累计数值变化趋势模拟值和试验值对比，图6为DPF再生反应过程最高温度模拟值和试验值对比。由图看整体趋势，计算值和试验值相符程度较高，误差小于5％，说明DPF系统的压降变化情况和DPF再生时的最高再生温度的趋势均可以用本专利建立的计算模型来进行描述。本专利建立的仿真数值模型具有很高的可靠性，可以用于接下来DPF内部相关计算。
三、滤饼与深床层碳烟压降曲线交点的提出
利用已建立的DPF仿真计算模型，计算气体质量流量Q＝20g/s，进气温度T＝400K，孔密度＝300CPSI，初始碳烟量为0，DPF内部深床层碳烟和滤饼层碳烟压降变化趋势，如图7所示。
DPF的总压降主要包含两部分。第一是载体自身产生的压降，第二是捕集到的碳烟过滤层压降，包括深床层碳烟压降和滤饼层碳烟压降。二者共同组成DPF总压降。而载体自身压降为其本身固有性质，所以总压降的变化全部体现在碳烟层压降的变化上。由图7可见，柴油机尾气进入DPF后，首先在其孔道内部和过滤壁面附近较为快速形成深床层碳烟，压降随时间迅速增长，到达一定程度时过滤壁面饱和即DPF内部压降保持恒定不变；而滤饼层碳烟则先是极缓慢累积，之后快速呈线性增加。在本专利中将滤饼与深床层碳烟压降曲线的交点定义为TR，代表了当滤饼层碳烟压降超过深床层碳烟压降成为主要压降的时刻。DPF内部压降主要是由深床层碳烟和滤饼层碳烟压降组成，而再生实际上针对滤饼层碳烟，因此在滤饼层碳烟压降超越深床层碳烟压降成为主要压降(滤饼与深床层碳烟压降曲线交点)之后的某个时机进行针对去除滤饼层碳烟的主动再生是合理的。因此，滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR与DPF的最佳再生时刻密切相关，DPF的主动再生应当在TR之后某时刻开始进行。
四、物性参数对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响
TR时刻是滤饼层碳烟压降刚好等于深床层碳烟压降的时刻，在之后的时刻才超过深床层碳烟压降成为总压降的主要部分，而主动再生由于深床层碳烟极难去除所以主要是消除滤饼层碳烟，故并非恰好在TR时刻进行主动再生。值得注意的是，恰好在临界点实施主动再生固然能够保证DPF良好的再生效率，但是对主动再生所需的能源是一种浪费，所以称TR为滤饼与深床层碳烟压降曲线交点，DPF应当在其之后的某时刻开始主动再生。以往研究在制定DPF主动再生策略时，最简单的是依据固定压降来确定DPF的再生时刻。根据不同工况下碳载量和DPF压降的对应关系确定再生背压，设定为碳烟累积的安全限值。当DPF的背压达到此预设的数值后，DPF即进行主动再生。为计算研究简便，设定DPF碳烟累积的安全限值为固定压降1.8×104Pa，即DPF中的压降达到1.8×104Pa时执行DPF的再生，在此前提下研究DPF物性的再生情况。
如果将滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的监测与DPF理论再生信号进行关联研究，与压降安全限值相比考虑了DPF对碳烟微粒的捕集能力，即在DPF捕集到的碳烟微粒产生的滤饼层碳烟压降超过深床层碳烟压降成为总压降的主要影响因素之后再进行再生，这样可以较为充分的利用DPF对碳烟微粒的捕集性能。下面研究DPF某些特定物性参数对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响关系，同时比较选用TR和安全限值两种再生信号情况下DPF的再生效率优劣。
1.DPF孔道壁厚对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响
设定DPF孔道壁厚分别为0.62mm、0.50mm和0.38mm三种不同厚度，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s。研究孔道壁厚对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响。图8为不同DPF孔道壁厚对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响关系，其中横向虚线为主动再生安全限值，纵向实线箭头的指向为安全限值下DPF主动再生时刻，纵向虚线箭头的指向为三种DPF孔道壁厚下滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR。
由图8可见随着DPF孔道壁厚的减小，滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR由壁厚0.62mm时的200s推迟至壁厚0.38mm时的260s左右，换言之使DPF主动再生频率降低。这是因为DPF孔道壁厚的减小，使得柴油机排气气流更容易穿过孔壁，所形成的深床层碳烟碳烟压降降低，同时DPF内部总体压降明显降低，滤饼碳烟层增长缓慢，导致其超过深床层碳烟成为主要压降的时候也延后，所以TR随之延后，延长了主动再生时刻的间隔，从而能够在保证再生效率的前提下节省主动再生所需能源，降低了主动再生的成本。
同时，由图8可知选用TR作为再生信号较之安全限值能够大大降低主动再生的频率。以DPF孔道壁厚0.62mm为例，按安全限值再生，再生时刻在75s左右，而以TR作再生信号，则再生时刻能够推迟至200s以后，大大减少了主动再生的频率。并且按安全限值再生的情况下，DPF内部压降依然主要由深床层碳烟构成，进行主动再生的效率也较低。随着壁厚的降低，安全限值和TR为信号进行再生的时刻差距不断缩小，在DPF孔道壁厚0.38mm时已经基本重合。这是因为随着壁厚的降低，DPF内部压降上升较为缓慢，达到TR的时间相对较长，在这段时间内DPF内部总压降已经缓慢接近安全限值，所以导致两种方式主动再生时刻比高壁厚时更加接近。
2.DPF碳烟渗透率对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响
渗透率包含DPF载体多孔介质材料的壁面渗透率以及捕集到的碳烟微粒渗透率。多孔介质材料的壁面渗透率体现了流体流过多孔介质的能力。而碳烟渗透率则反应了气体通过滤饼层碳烟的能力。设定DPF碳烟渗透率分别为5E-15m2、1E-14m2和2.5E-14m2三种不同数值，进口流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s。研究DPF捕捉到的碳烟微粒自身属性碳烟渗透率对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响。图9为不同DPF碳烟渗透率对滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR的影响关系图，其中横向虚线为主动再生安全限值，纵向实线箭头的指向为安全限值下DPF主动再生时刻，纵向虚线箭头的指向为三种DPF碳烟渗透率下滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR。
随着碳烟渗透率的增大，滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR由渗透率分别5E-15m2时的90s左右推迟至270s之后，换言之使DPF主动再生频率降低。这是因为碳烟渗透率实际上表征了气体流过滤饼层碳烟的能力。随着碳烟渗透率的升高，总压降在深床层和滤饼层碳烟总压降几乎保持不变的情况下，使得滤饼层压降大大降低，导致DPF内部总体压降明显降低，并且滤饼层碳烟增长缓慢，所以TR随之延后，延长了主动再生时刻的间隔，从而能够在保证再生效率的前提下节省主动再生所需能源，降低了主动再生的成本。
同时，由图可知在较高碳烟渗透率条件下，选用TR作为再生信号较之安全限值能够较明显的降低主动再生的频率。以碳烟渗透率等于2.5E-14m2为例，按安全限值再生，再生时刻在230s左右，而以TR作再生信号，则再生时刻能够推迟至270s以后，减少了主动再生的频率。并且此时按安全限值再生的情况下，DPF内部压降依然主要由深床层碳烟构成，进行主动再生的效率也较低。但是，随着碳烟渗透率的降低，安全限值和TR为信号进行再生的时刻差距不断缩小，在碳烟渗透率5E-15m2时安全限值主动再生时刻仅比对应的TR提前10s左右。这是因为碳烟渗透率的降低，导致DPF内部滤饼层碳烟压降上升较为迅速，达到TR的时间相对较短，同时在这段时间内DPF内部总压降也已经临近安全限值，所以导致两种方式主动再生时刻在低碳烟渗透率下较为接近。
由此可见，滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR对DPF来说并非一个固定值，它不仅会随着DPF某些物性参数的变化而变化，而且与微粒的成分和性质有关。
五、结论
本专利研究发现，滤饼与深床层碳烟压降曲线交点TR与DPF的最佳再生时刻密切相关。TR对DPF来说并非一个固定值，它不仅会随着DPF某些物性参数的变化而变化，而且与微粒的成分和性质有关，TR随DPF孔道壁厚的降低和碳烟渗透率的升高而推迟，主动再生频率降低。相比较而言，在某些条件下，如较厚的DPF孔道壁厚和较高的碳烟渗透率，TR比安全限值再生时刻推迟明显，能有效降低主动再生频率，减少主动再生能源消耗，节约成本。本专利研究对掌握主动再生时刻以及实现更高效的DPF捕集和再生有着重要指导意义。
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。

Claims (5)

1.一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，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：设置仿真模型的初始参数，
DPF载体参数的数值设置为：载体尺寸143×152mm；孔密度300CPSI；壁厚0.62～0.38mm；载体密度1500g/L；载体导热系数5W/m·K；载体热容1250J/kg·K；
压降模型参数的数值设置为：壁面渗透率3.5E-13m2；碳烟渗透率5.5E-15～2.5E-14m2；深床层碳烟渗透率9E-15m2；深床层碳烟厚度0.01mm；深床层碳烟密度域值2.5g/L；初始碳烟层密度91g/L；排气中碳烟量0.0005kg Particle/kg Gas；
气体质量流量Q＝20g/s，进气温度T＝400K，孔密度＝300CPSI，初始碳烟量为0；
步骤三：得出滤饼层碳烟压降曲线与深床层碳烟压降曲线的交点，定义该交点发生的时刻为最佳再生时刻TR；
步骤四：调节并优化分析步骤二中的壁厚及碳烟渗透率取值，进而在安全限值范围内推迟最佳再生时刻TR的到来时间。
2.根据权利要求1所述的一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，其特征在于：所述步骤二中的壁厚取值0.62时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈200s。
3.根据权利要求1所述的一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，其特征在于：所述步骤二中的壁厚取值0.38mm时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈260s。
4.根据权利要求1所述的一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，其特征在于：所述步骤二中的碳烟渗透率取值5E-15m2时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈90s。
5.根据权利要求1所述的一种车用催化器物性参数对再生时刻影响的优化分析方法，其特征在于：所述步骤二中的碳烟渗透率取值2.5E-14m2时，进口气体质量流量Q＝20g/s，孔密度＝300CPSI，计算时长300s，此时TR≈230s。
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