【摘 要】由于柴油機較汽油機有更好的經濟性、穩定性以及動力性，使其逐漸受到了汽車工業的重視。但汽油機在顆粒排放方面對環境具有很大的挑戰。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化設計和對其工作過程內流場進行數值模擬分析，獲得了最佳擴壓器角度以及內流場流域情況。

　　【關鍵詞】《高壓電器》雜志征稿,柴油機,顆粒捕集器,擴壓器,優化設計,內流場,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鍵。對柴油機顆粒物的脫出包括機內控制技術和后處理技術。目前應用較多的是機內凈化技術，包括對柴油機的缸內燃燒改進和對燃油的改進。但是機內凈化技術使細顆粒物的數量增加，其危害更大。因此后處理技術可以比較成功減少細顆粒物的數量。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。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化設計

　　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。如果擴壓器的設計不合適，導致DPF進氣分布不均勻，那么DPF內所捕集的顆粒將分布不均勻，對DPF再生有不利的影響。本文參數參照DK4A柴油機參數進行設置，該發動機不同轉速對應流量如下：

　　(一)不同錐角的擴壓器仿真模擬

　　本文中根據現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，且設置在中等轉速流量為45.8L/s。

　　(二)仿真結論

　　在容積擴大區域，可以看出，30°、37°和45°模型的真空區域較少，而60°模型的真空區域特別大。對于DPF的進氣，最優的是進氣分布均勻，均勻的進氣分布對DPF通道內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°設計錐角。

　　三、DPF工作過程內流場仿真模擬

　　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律。根據上一章所分析結果，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，入口的速度依據表2所所提供的各工況的速度，并假設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律，并達到了良好的過濾效果。分別取出入流通道中心線數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，并相應改進入流速度和通道的構造，以實現顆粒物在通道內分布的均勻性。同時由此也可預測在再生過程時，主要的反應發生在入流通道末端。

　　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動機的工作有很大的影響，同時可以預測較大的流場速度對再生反應的再生效果不利。

　　四、總結

　　(一)采用37°擴壓器設計錐角可以保證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，并相應改進入流速度和通道的構造，以實現顆粒物在通道內分布的均勻性。

　　(三)較大的排氣背壓對發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的再生效果不利。

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