柴油机微粒捕集器再生中灰分沉积机理及影响研究*

侯献军，马 义，彭辅明，颜伏伍

(武汉理工大学汽车工程学院;现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070)

前言

柴油机微粒捕集器(DPF)的关键技术是过滤体的再生，再生结束后残留在DPF内部不能燃烧的部分称为灰分，约占微粒质量的0.5% ～1%，取决于发动机运行工况［1］。灰分主要由硫酸盐、磷酸盐和其它钙、锌、镁的氧化物等组成，其来源主要包括两个方面:一是来源于润滑油中的添加剂，这些添加剂在气缸内主要起到清洁、防氧化和防腐蚀等作用［2－4］;二是来源于燃油添加剂，其目的在于再生过程中降低颗粒物着火点［5－6］。沉积在DPF中的灰分一方面会减少DPF的有效过滤面积，降低其过滤效率;另一方面会增加排气流动阻力，改变过滤体压降对微粒沉积的敏感性，使再生控制系统不能对再生状况作出正确的判断［7］。本文中利用 GT－Power软件建立柴油机微粒捕集器主动再生一维仿真模型来分析灰分的沉积过程及其对捕集器过滤特性和再生过程的影响。

1 模型简介

壁流式蜂窝陶瓷过滤体的再生过程非常复杂，本质上是一个具有多孔介质壁面的孔道内气体流动和微粒燃烧的传热传质问题，其研究涉及流体力学、传热学和化学反应动力学等多学科的内容。GTPower软件提供的DPF一维再生模型将DPF过滤通道简化为单一方形的进出通道结构，如图1所示，在过滤体通道内依次设置5个数据采集点来分析再生时的温度和微粒质量等参数的变化情况(Z/L=0.0表示载体入口，Z/L=1.0表示出口)。图2为所建立的GT－Power主动再生仿真模型，DPF的基本参数如表1所示。

表1 DPF基本参数

2 模型验证

再生仿真入口边界条件:气流质量流量为180g/s，排气最高温度为873K，过滤体初始温度为573K，气流氧浓度为10%，碳烟加载密度为12g/L，计算时长为500s。图3和图4分别为再生过程中载体壁面温度与过滤体压力损失和微粒层厚度随时间的变化曲线。

从图3和图4可见，再生提温初期，过滤体整体处于预热状态，过滤体压力损失因温度的上升而逐渐升高，随着DPF的提温，载体入口端先达到PM起燃温度，使PM开始缓慢燃烧(100s)，燃烧放出的热量沿轴向向后传递，将中后端大量PM引燃(150s)，致使载体温度急剧升高，压力损失迅速下降，随着PM的继续燃烧，压力损失和载体温度总体下降并趋向稳定。还可以发现，载体后端的PM燃烧速度最快，最高温度(1 385K)出现在后端，PM剧烈燃烧时会产生较大温度梯度，可能导致载体产生裂纹。

以上分析表明建立的再生仿真模型能准确地反映捕集器再生过程，因此可用来对再生灰分沉积的影响进行研究［8］。

3 再生灰分沉积的影响

3.1 灰分沉积对载体过滤特性的影响

图5和图6分别为再生过程中微粒与灰分质量和灰分层厚度随时间的变化曲线，由图可见，随着再生微粒的燃烧，微粒质量不断下降，而生成的灰分质量(包括过滤体堵头灰分和过滤表面灰分)持续上升。再生完成时，过滤面灰分质量为1.03g;堵头灰分质量为0.44g，厚度增加至0.13mm，这相当于载体有效过滤长度的下降值。少量的灰分沉积可能对载体的整体过滤特性影响不大，但是当沉积量达到一定程度时将大大减小过滤体有效过滤长度，增大排气背压，从而降低载体过滤性能，如图7所示。

3.2 灰分沉积对再生过程的影响

图8为不同初始灰分沉积量条件下，载体轴向各部位的壁面温度和微粒质量变化的对比曲线。由图8可见，再生过程中由于灰分的沉积，载体壁面温度升高，且沉积量越多，温度上升越明显。Z/L=0.0，0.25，0.50和0.75各处在沉积量为18g/L时的最高温度比沉积量为0g/L时分别上升29、105、59和38K。原因可能是堵头灰分的沉积减少了过滤体有效过滤长度，从而使过滤面微粒层的厚度变大，相同的载体轴向距离内微粒质量增多，燃烧反应更加剧烈，导致该部分壁面温度升高;而载体末端(Z/L=1.0)处，因堵头灰分的占据且不能被氧化，沉积量为18g/L时的壁面最高温度，反而比沉积量为0g/L时低。因此，大量的灰分沉积会加剧再生微粒燃烧过程，增大载体温度梯度，对过滤体的再生不利。

3.3 灰分沉积对再生平衡点温度的影响

DPF再生平衡点温度(balance point temperature，BPT)是指微粒的沉积与被氧化的速度达到平衡的温度，如图9所示，给定入口排气微粒质量浓度为5×10－5，当捕集器处于再生平衡点时(BPT=741.1K)，过滤体内微粒质量达到动态平衡，排气背压因微粒氧化生成的灰分而缓慢上升。图10为不同灰分沉积量下再生平衡点温度的变化情况，由图可知，再生平衡点温度随灰分沉积量的增加而降低，原因可能是:(1)灰分沉积增加了过滤体压力损失，使排气流阻增大而减少了再生热量的散失;(2)灰分沉积增大了微粒层厚度，加剧了微粒燃烧过程，降低了达到再生平衡所需的温度。

4 结论

(1)再生过程中载体温度由前端向后依次升高，最高温度出现在载体后端，微粒由载体前端向后逐渐燃烧，后端微粒燃烧速度快于前端，微粒的剧烈燃烧会产生较大温度梯度，可能导致载体产生裂纹。

(2)灰分沉积会减小过滤体有效过滤长度，增大排气背压，从而降低载体过滤性能;另外还会加剧再生微粒燃烧过程，增大载体温度梯度，沉积量越多则越明显。

(3)再生平衡时排气背压因微粒氧化生成的灰分而缓慢上升，随着灰分沉积量的增加，再生平衡点温度下降。

［1］Sappok A，Wong V.Detailed Chemical and Physical Characterization of Ash Species in Diesel Exhaust Entering After Treatment Systems［C］.SAE Paper 2007 －01 －0318.

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［3］Otterholm B，Walker A，Blakeman P.On the Road to 2010 Emissions:Field Test Results and Analysis with DPF－SCR System and Ultra－Low－Sulfur Diesel Fuel［C］.SAE Paper 2005 － 01 － 3716.

［4］Bodek B，Wong V.The Effects of Sulfated Ash，Phosphorous and Sulfur on Diesel After Treatment Systems－A Review［C］.SAE Paper 2007－01－1922.

［5］Kytö Matti，Aakko Päivi，Nylund Nils－Olof，et al.Effect of Lubricant on Particulate Emissions of Heavy Duty Diesel Engines［C］.SAE Paper 2002－01－2770.

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［7］Gaiser Gerd，Mucha Patrick.Prediction of Pressure Drop in Diesel Particulate Filters Considering Ash Deposit and Partial Regenerations［C］.SAE Paper 2004 －01 －0158.

［8］楼狄明，张正兴，谭丕强，等.柴油机微粒捕集器再生平衡仿真研究［J］.内燃机工程，2010，31(4):39－43.