紧凑型柴油机DOC与DPF系统的流动均匀性集成优化

（ 吉林大学 汽车工程学院 ， 长春 １ １． ３ ０ ０ ２ ５； ） 北京航空航天大学 交通科学与工程学院 ， 北京 １ ２． ０ ０ １ ９ １
Ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｆ ｌ ｏ ｗ Ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ Ｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｍ ａ ｃ ｔ Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ Ｄ ｉ ｅ ｓ ｅ ｌ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｐ ｙ ｐ ｙ ｇ
［ ２］
。减少
应力 ； ｓ ｘ ｘ ｉ方 向 位 移； ｉ ｋ、 ｉ 为ｋ、 ｊ 为流体的变形应力 ； ｕ ｋ 为ｋ 方向速度 。 文中采用标准的 ｋ － ε 湍流模型计算雷诺应力 。 由于净化器载体的结构特点 ， 一般情况下将 Ｄ Ｏ Ｃ 和Ｄ 多孔介质 Ｐ Ｆ 的蜂窝载体作为多孔介质进行处理 ， 模型模拟催化器以 及 过 滤 器 中 的 流 动 特 性 。 压 降 模 型采用 Ｐ 模型参数根据计算压降与试 ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ａ ｗ 模型 ， 验压降值调节 。 载体内的流动方程可以表示为 ： ｐ ｕ ＝－ Ｋｉ ｉ ｘ ｉ （ ） ５ （ ） ６
： ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ Ｉ Ｃ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｄ ｉ ｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ； Ｄ Ｏ Ｃ； Ｄ Ｐ Ｆ； ｇ ｇ ｙ ｙ ； ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ｙ
气后 处 理 系 统 若 设 计 不 合 理 ， 容易导致高温气流集 使局部区域的催化剂温度高而 中在 载 体 局 部 区 域 ， 加速老化 ， 其他区域温度低而且流 量 小 ， 难以充分发 挥作 用 ； 载体内流场的不均匀会造成载体内温度场
１］ ； 的不均匀 ，从 而 影 响 催 化 器 的 使 用 寿 命 ［ 研究表
装置内气流速度分布的不均匀性并降 低 催 化 器 的 压 力损 失 ， 已经成为在有限空间内设计排气净化装置 结构设计的难点
［ ３］
。 随着现代 Ｃ 尤其是多 Ｆ Ｄ 技术 ，
［ ４］
孔介 质 模 型 的 发 展 ， 使人们可以采用数值模拟的方 法来研究催化器内的流动特性 。 通过采 用 集 成 优 化 的 方 法 ， 对Ｄ Ｏ Ｃ、 Ｄ Ｐ Ｆ 组成 的排 气 后 处 理 装 置 进 行 了 多 目 标 优 化 ； 针对目前结 在此基础 构空 间 的 限 制 提 出 了 多 孔 进 气 改 进 方 案 ， 上， 以提高催化器载体内流场均匀性和降低系统压 降为目标 ， 在保证载体部分工作温 度 的 条 件 下 ， 对排
１２ ２ ２ １ ｉ ｎ Ｚ Ｈ Ａ Ｏ Ｌ ｉ ｆ ｅ ｎ Ｌ Ｉ Ｙ ｕ ｎ Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｇ Ｃ ｈ ｕ ａ ｎ ｓ ｏ ｎ Ｙ Ｕ Ｘ ｉ ｕ ｉ ｎ － －ｑ － －ｍ ｇ ， ｇ， ｇ， ，
（ ， ， ； １ ． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｊ ｉ ｌ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｃ ｈ ａ ｎ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ ２ ５， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｇ ｇ ｙ ｇ ， ２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｐ ｇ ｇ ｊ ｇ ｙ ， ） ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ＆Ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ １ ９ １， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｊ ｇ
： Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｍ ｅ ｄ ｉ ｕ ｍ ｏ ｆ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ｃ ｏ ｍｍ ｅ ｒ ｏ ｒ ｏ ｕ ｓ － ｐ ｙ ｐ
ｃ ｉ ａ ｌ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｄ ｉ ｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｉ ｓ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｅ ｄ ｇ ｐ ｙ ｇ ， ｂ ｎ ａ ｒ ｒ ｏ ｗ ｓ ａ ｃ ｅｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｈ ａ ｕ ｓ ｔ ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｓ ｎ ｏ ｔ ｆ ｕ ｌ ｌ ｆ ａ ｖ ｏ ｒ ａ ｂ ｌ ｅ ｔ ｏ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ｏ ｆ Ｄ Ｏ Ｃ ｓ ｅ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｌ ｙ ｐ ｙ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｄ Ｐ Ｆ． Ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｍ ａ ｒ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ．Ｔ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｏ ｆ Ｄ Ｏ Ｃ ａ ｎ ｄ Ｄ Ｐ Ｆ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ， ｙ ｐ ｙ ｐ ｙ ｙ ，ｍ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｈ ｏ ｌ ｅ ｉ ｎ ｌ ｅ ｔ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ｅ ｗ ａ ｓ ｅ ｘ ｌ ｏ ｒ ｅ ｄ ．Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｂ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ － － ｐ ｐ ｊ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗ ａ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｆ ｌ ｏ ｗ ｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ ｄ ｒ ｏ ｏ ｆ Ｄ Ｏ Ｃ ａ ｎ ｄ ｐ ｐ ｙ ｙ ｐ Ｄ Ｐ Ｆ． Ｔ ｈ ｅ ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｂ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｅ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ（ ＭＯ ＧＡ）ｗ ａ ｓ ａ ｌ ｉ ｅ ｄ ．Ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｄ ｅ ｍ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ｅ ｄ － ｊ ｇ ｇ ｐ ｐ ｐ ｈ ａ ｓ ｍ ｕ ｃ ｈ ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ａ ｎ ｄ ｌ ｉ ｆ ｅ ． ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｙ ｙ 摘要 ：对某商用车排气后处理系 统 进 行 了 温 度 场 、 多 孔 介 质 流 场 的 集 成 优 化， 结 果 表 明： 商用车柴油机排气后处理系统结构紧凑 、 结构空间限制严格 ， 系统内的尾气流动特性不完全有 利于柴油机氧化催化装置 （ 和颗粒过滤器 （ 的 使 用 性 能 及 寿 命， 净化器内的流场不 Ｄ Ｏ Ｃ） Ｄ Ｐ Ｆ） 均匀性是降低性能和寿命的主要原因 。 针对目前的 结 构 提 出 了 多 孔 进 气 方 案 ， 以结构参数为 采用多目标遗传算法 （ 对排气后处理系 变量 ， Ｄ Ｏ Ｃ和 Ｄ Ｐ Ｆ 均匀性和压降为优化目标 ， ＭＯ ＧＡ） 统进行了多目标优化 。 优化后的方案有效提高了排气系统的效率和寿命 。 关键词 ： 内燃机 ； 柴油机 ； 后处理系统 ； 柴油机氧化催化装置 ； 颗粒过滤器 ； 流场 ； 均匀性
５， ６］ ； 气后处理装置进行了结构优化 ［ 分析了排 气 流 速
Ｋｉ ＝α ｖ｜ ＋β ｉ｜ ｉ
－
－
式中 ， Ｋｉ 为 净 化 器 载 体 的 渗 透 率 ； α 与β 为 经 验 数 ， 根据选用的载体材质 参 数 选 取 ； ｖ 为载体 ｐ 为 压 力； 截面上的平均流速 。 多孔介质压降模型中α 和β 均 根 据 试 验 数 据 进 行 校 核， 其中 Ｄ 为模型常数 ， Ｐ Ｆ段 模型参数α 和β 分别为 ４ 而Ｄ ２ ０ ０ 和 １． ０ １， Ｏ Ｃ 段压 降模型α 和β 分别为 １ １ ０ ０ 和 １． ０ １ ２。 １． ２ 边界条件及网格化 边界条件由 进 口 边 界 、 出口边界以及壁面边界 组成 。 壁面采 用 对 流 辐 射 边 界 ， 其数据参考提供的 试验数据 。 催 化 器 采 用 多 孔 介 质 模 型 ， 其中主要的 体积分数 、 液力直径及 压 降 模 型 。 柴 油 机 后 参数有 ： 处理系统 Ｃ Ａ Ｄ 模 型 如 图 ２ 所 示。 原 机 的 网 格 化 模 型如图 ３ 所示 ， 对局部进行加密 ， 以便捕捉较大的速 度梯度 。
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第３ ２卷 第６期 ２ ０ １ １年１ ２月
内 燃 机 工 程 Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ Ｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｇ ｇ
图 １ 柴油机后处理系统
稳态条件的排气净化装置可 以 用 雷 诺 平 均 质 量
６］ ： 守恒方程和动量守恒方程描述 ［
（ｕ ） ０ ρｊ ＝ ｘ ｊ （ｕｕ ｐ ｓ ＝－ ＋ｉ ｉ ｊ） ρ ｉ ｊ －τ ｘ ｘ ｊ ｊ
和净化器结构参数对净化器内流场分 布 均 匀 性 的 影 响规律 ， 为内燃机排气净化装置的设计提供参考 。 １ 计算模型 １． １ 数学模型 净化装置的 工 作 过 程 包 含 了 复 杂 的 流 动 、 传热 传质和化学反应过 程 ，而 催 化 剂 载 体 部 分 又 具 有 复 杂的几何结构 。 装置内的气体流动 可 以 分 为 净 化 器 载体内部的流动和净化器载体外 部 空 间 的 流 动 。 该 系统如图 １ 所示 。
中图分类号 ： Ｔ Ｋ ４ ２ １． ５ 文献标识码 ：Ａ
０ 概述 目前 ， 内燃机 排 气 后 处 理 装 置 是 降 低 内 燃 机 有 害排 放 物 的 直 接 有 效 手 段 ， 柴油机排气净化装置主 。排 要包括氧化催化器 （ 和颗粒捕 集 器 （ Ｄ Ｏ Ｃ） Ｄ Ｐ Ｆ）
收稿日期 ： ２ ０ ０ ９ ０ ６ ０ １ － －
， ： 作者简介 ：赵立峰 （ 男， 博士生 ， 主要研究方向为内燃机工作过程及多学科优化 ， １ ９ ７ ８－ ） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ｉ ｆ ｏ ｎ ． ｚ ｈ ａ ｏ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ。 ＠ｇ ｇ
·２ ６·
内 燃 机 工 程
２ ０ １ １ 年第 ６ 期
明： 常规和未经 优 化 的 排 气 净 化 装 置 ， 超过８ ０％ 的 气流经过 少 于 ５ ０％ 的 净 化 器 载 体 截 面 积
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ２Ｎ ｏ ． ６ Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ． ２ ０ １ １
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０－０ ９ ２ ５ ２ ０ １ １ ０ ６－０ ０ ２ ５－０ ５
３ ２ ０ ０ ９ ２
紧凑型柴油机 Ｄ Ｏ Ｃ与 Ｄ Ｐ Ｆ 系统的 流动均匀性集成优化
２ ， 赵立峰１， 李云清２ ， 成传松２ ， 于秀敏１