皮卡HC喷射系统均匀性研究

皮卡 HC喷射系统均匀性研究

谭正桥 余挺 陈兵鑫 沈彩琴

浙江银轮机械股份有限公司，浙江 台州 317200

摘要: 随着国内外对排放要求的日益提升,柴油机尾气后处理领域面临着更加严峻的挑战。碳氢喷射因为结构简单,使用安全,不干扰柴油机的正常运转,是柴油机的主流尾气温控手段,在国内外受到广泛的关注和应用。本文简单通过对一种皮卡乘用车的HC喷射结构进行优化，通过CFD模拟分析，明显提高了HC喷射的均匀性，希望其中的思路能为汽车零部件制造商提供参考

关键词：柴油机；后处理系统；HC喷射系统；均匀性；

Study on HC injection uniformity of pickup truck

Tan Zhengqiao , Yu Ting ,Chen Bingxin ,Shen Caiqin ,

(Zhejiang Yinlun Machinery CO.,LTD, Tiantai , 317200, China)

Abstract:. With the increasing domestic and foreign emission requirements, the field of diesel exhaust post-treatment is facing more severe challenges. Hydrocarbon injection is the mainstream exhaust temperature control method of diesel engine because of its simple structure, safe use and no interference with the normal operation of diesel engine. It has been widely concerned and applied at home and abroad. In this paper, HC injection structure of a pickup truck passenger car was simply optimized, and the uniformity of HC injection was significantly improved through CFD simulation analysis. It is hoped that the ideas can provide reference for auto parts manufacturers.。

Key words: Diesel engine; After treatment system; HC injection system; Uniformity

随着柴油车排放限值日趋加严，在现有的技术中，柴油颗粒捕集器被公认为解决柴油机PM排放问题的有效手段。在国六柴油机设计阶段，后处理技术路线方式一般采用DOC + DPF + SCR。

DPF对碳烟的捕集一个累加过程，随着碳载量的增加，DPF两端压差逐渐增加，造成柴油机背压逐渐增加，则要通过再生手段对碳烟进行处理。为达到DPF再生温度，常用的方法是采用向DOC 前喷射低压柴油的方式，利用DOC氧化柴油后提高排气温度来从而实现再生。在此种条件下，要求被雾化的燃油在DOC催化剂前分布均匀性要求 较高。若燃油在DOC分布不均则会带来以下影响：

1）燃油氧化不完全，会加剧排气中PM的含量；
2）造成DOC局部过热，使DOC和封装造成损害；
3）温度分布不均，致使DPF部分再生，造成DPF老化，再生间隔变短，再生频率增加等；

本文以某款搭配轻型柴油机的皮卡为研究对象，利用CFD软件对后处理产品进行模拟计算，对不同结构下的HC喷射系统进行仿真模拟分析，对设计中提高HC喷射均匀性提供一个思路。

1 模型与计算方法

1.1仿真计算模型

配套皮卡的后处理系统如图1所示，利用Creo对模型管路及载体内部流域进行抽取，利用ANSA对其进行网格划分。

图1 整体模型

网格长度1-2mm，总体四面体网格，载体是棱柱网格，转多面体网格计算，网格数量5.5million，载体区域按多孔介质区域设置。

利用Fluent进行CFD分析。

Fluent主要设置：

Flow：steady, compressible, turbulent

Turbulence：Realizable k- Model with Scallable Wall Function

Boundary Conditions：Inlet –Mass flow inlet Outlet-Pressure outlet

UI（速度均匀性、HC均匀性）考量的是柴油与尾气的混合效果，如果载体前端均匀性较差，会使流入DOC的载体的气流分布不均，严重制约载体的催化效率，降低载体使用寿命，导致再生效果不佳。计算公式如下：

1.2 边界条件

仿真过程选择两种工况进行分析现有结构，再通过结果进行优化，选择其中较差工况进行再次分析。仿真计算工况如表1所示。

表1 计算工况

柴油机排放的废气经过DPF捕集器时，碳颗粒被捕捉在捕集器上,ACU根据发动机的运行工况，以及压差传感器的值，实时探测累积在DPF上的碳载量。当检测到碳载量超过一定值时，触发再生请求由碳氢喷射系统喷射燃油，开始再生过程。碳氢喷嘴喷射示意图如图2所示，喷嘴参数设置如表2所示。

图2 碳氢喷嘴喷射示意图

表2 喷嘴参数

2仿真结果

2.1现有结构仿真结果

经过分析，结果如下表3所示

表3 分析结果

针对原结构分析结果，我们可以看出载体端面的速度均匀性很好，但HC均匀性并不佳，通过云图可以分析出，低压柴油与尾气混合并不均匀，导致出现这样的结果。

因此做了三个优化方案，提高HC均匀性：

A）在DOC前端增加一块孔板；

B）在DOC前端增加一块孔板同时将前端管路增加15mm。

气流在经过DOC载体后，速度均匀性会提升，因此本次优化只基于Case2工况下分析DOC载体端面的速度均匀性与HC均匀性。结果如下表4所示

通过优化，DOC速度均匀性没有收到影响，方案A中HC均匀性提升了11.4%，方案B中HC均匀性提升了17.1%，能看出提升效果较为显著。

3 结论

在速度均匀性保持良好的前提下：

1. HC均匀性与管路混合效果有关；

2. HC均匀性与混合管路长度有关；

因此在对碳氢喷射系统布置的设计工作中，可以优先选用效果优秀的混合结构，同时在满足边界的前提下，尽量延长碳氢喷嘴到DOC载体端面的距离。希望以上结论能为各位同仁提供参考。

参考文献：

[1]王启琛,魏明,许法亮,冯坦,韩潇,何胜勇,刘凤阳. 柴油机后处理HC喷射均匀性仿真分析[A]. 中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）.2018中国汽车工程学会年会论文集[C].中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）:中国汽车工程学会,2018:5.

[2]王军方,丁焰,尹航,葛蕴珊,王小臣,谭建伟,何超.DOC技术对柴油机排放颗粒物数浓度的影响[J].环境科学研究,2011,24(07):711-715.