温度对DPF过滤参数影响的试验研究

陈鹏，孟忠伟，李路，闫妍，张川

(西华大学交通与汽车工程学院汽车测控与安全四川省重点实验室，四川 成都 610039)



温度对DPF过滤参数影响的试验研究

陈鹏，孟忠伟，李路，闫妍，张川

(西华大学交通与汽车工程学院汽车测控与安全四川省重点实验室，四川 成都 610039)

柴油机颗粒捕集器( DPF )过滤参数研究对其再生时机的判断具有重要意义。基于外加热源再生台架，研究了过滤参数(压降及其与常温数据的比值、渗透率及其与常温数据的比值)随过滤温度的变化规律，同时考虑了流量和孔隙结构参数变化时的影响。结果表明：过滤温度升高，DPF压降及其比值近似线性增长，渗透率及其比值近似线性减小；线性拟合了压降及其比值、渗透率及其比值随温度的变化曲线，比较发现流量和孔隙结构参数对DPF压降和渗透率都具有一定影响，但对比值的影响较小。

颗粒捕集器； 压降； 渗透率； 过滤温度； 流量； 孔隙结构

柴油机以燃油经济好、CO2排放低和性能可靠等优点备受关注，但颗粒物(PM)排放是同排量汽油机的30～80倍[1-2]，严重制约了其运用范围。目前，DPF是柴油机炭烟颗粒物减排最有效的装置之一，其过滤效率可达95%[3-5]。随着DPF内PM沉积量的增加，发动机排气背压增大，影响发动机的动力性和经济性，需对DPF进行再生[6-8]。因此，再生时机的选择尤其重要。排气背压是判断再生时机的一种有效手段[9-10]，然而柴油机运行工况多变，实际排气温度变化较大，导致排气背压产生较大的波动[11]，因此研究温度对过滤压降(渗透率)的影响具有重要的意义。现有研究通常将DPF的渗透率(k)取为某一固定值，如楼狄明等[3]选取的渗透率k=1.38×10-13m2，A.G.Konstandopoulos等[12-13]选取k=5.0×10-13m2，龚金科等[14-15]将k分别选取为2.2×10-13，5.3×10-13，21.7×10-13m2，不考虑温度对k的影响，甚至不考虑温度对压降的影响。因此本研究重点关注过滤压降及渗透率随温度的变化关系，为修正参数提供试验参考。

基于外加热源再生台架，测试了3种DPF白载体在不同温度、流量下的过滤压降，计算了载体渗透率，探索温度和载体孔隙结构参数对压降、渗透率及其比值变化的影响规律。

1 试验系统和试验方法

1.1 外加热源再生试验台架

试验台架见图1。气体由空气压缩机提供，流量由质量流量计控制，气体通过电加热器进行加热。在过滤体的进口处测量压力获得过滤体的过滤压降，在过滤体的轴心处沿轴向不同位置插入5根直径0.5 mm的K型热电偶测量载体内部温度。DPF安装在可拆卸的套管内，可以便捷更换DPF载体。试验选取16.05，23.0，30.4 g/s 3种流量(用Q1，Q2，Q3表示)，选取25～320 ℃温度。试验时，待DPF轴心处5个测点温度趋于稳定后(见图2)读取DPF的过滤压降。

1.2 DPF参数

试验所用壁流式DPF的参数见表1，3种载体的几何结构参数相当，而孔隙结构参数存在一定的差别。

表1 DPF的基本参数

1.3 DPF白载体压降模型

图3示出DPF白载体的压力损失示意。DPF白载体的压降主要由五部分组成，包括气体流入和流出时收缩和扩张引起的压力损失Δp1和Δp2，气体流经进气通道和排气通道的压力损失Δp3和Δp4，气体穿透壁面引起的压力损失Δp5。故DPF白载体的压降为

Δp=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4+Δp5。

(1)

其中，由于气流孔道改变引起的变截面压力损失Δp1和Δp2较其他项小得多，可以将其忽略[17]。在本试验条件下，流速低，气体流经进气通道和排气通道的压力损失也较小，因此将Δp3和Δp4忽略[18]，故而

(2)

本试验中气体穿过壁面的流速小，仅为0.004 4～0.007 8 m/s，Δp5中的二次项可以忽略[19]，因此DPF白载体的压降可以写成：

(3)

从而获得渗透率的计算公式为

(4)

式中：S为过滤面积；Qv为常温体积流量。

通过线性拟合在不同温度时的过滤参数值(压降及其比值、渗透率及其比值)，获得拟合线斜率值C(y=Cx+b)，该值可作为评价温度对过滤参数影响的特征值，为修正过滤参数随温度的变化关系提供试验参考。

2 试验结果与分析

2.1 温度对过滤压降的影响

不同温度时的过滤压降见图4，为了绘图方便，以下图中的Δp均用p表示。

由图4可看出，随着温度的增加，压降呈线性增加；且随流量的增加，压降逐渐增加，主要是由于过滤速度增加导致压降的增加，同时压降增长率也逐渐增加(从0.9 Pa/℃增加为1.9 Pa/℃)。通过比较高温与常温时的过滤压降，获得压降比值随温度的变化关系。在300 ℃时压降可增加至常温时的两倍左右，而发动机排气温度的分布范围较大(通常在180～350 ℃之间)[10]，可见温度对过滤压降的影响不容忽视，需进行温度修正或补偿。此外，各流量下的压降比值曲线斜率较为一致，变化范围为0.003 4～0.003 8 ℃-1(最大偏差为22%)，较压降变化范围小(最大偏差为36%)，说明了在不同流量时温度对压降的影响具有相似性。

2.2 温度对渗透率的影响

根据以上测得的过滤压降值，结合式(4)可得各温度条件下的渗透率k(见图5)。从图5可看出，渗透率随温度的增加而减小，且随流量的增大而减小。原因是随温度增加，黏性系数μ和压降Δp均增加，但Δp比μ增加迅速，导致渗透率k降低(见式(4))。从图5 可知：在300 ℃时渗透率可减小为常温时的75%左右，所以需修正或补偿温度对渗透率的影响。流量的变化也将导致渗透率的变化，流量增大，渗透率降低。原因是本研究仅采用达西公式来描述过滤压降，真实DPF载体的压降除通道壁面压降外，还包括进出载体通道的压缩和膨胀损失，以及通道内的摩擦损失，因此本研究计算所得的渗透系数为综合渗透系数，渗透率随流量的增大而降低。此外，不同流量时的渗透率比值随温度的变化范围较小(0.000 6～0.000 7 ℃-1)，说明了在不同流量时温度对渗透率的影响也具有相似性。

2.3 压降比值和渗透率比值随温度的变化

将压降比值和渗透率比值与黏性系数随温度的变化率进行比较，结果见图6。考虑到当地过滤速度随温度的变化，图中也给出了(黏性系数×当地流速)的变化率，其中，当地流速为Qv′/S，Qv′为高温体积流量。由图6可知，压降比值变化率在0.003 4～0.003 8 ℃-1范围内，介于黏性系数变化率和(黏性系数×当地流速)变化率之间。因此，压降不仅受气体黏性变化的影响，还受渗透率变化的影响，即渗透率及其比值将随温度的增加而降低。

2.4 不同孔隙结构下DPF过滤参数的比较

为考察孔隙结构参数对压降和渗透率的影响，选取3种不同孔隙结构参数的DPF载体(1号～3号)开展压降测试，结果见图7。由图7可知：3种DPF载体的压降均随温度的增加而增加，增长率在1.9～2.8 Pa/℃之间(最大偏差为19%)，增长率主要受载体材料孔隙结构参数的影响。3种DPF载体的压降比值变化率差别减小，在0.003 4～0.005 1 ℃-1之间(平均为0.004 ℃-1，最大偏差为12.5%)，即温度增加100 ℃，压降值将增长约30%。因此，排气温度波动时，应考虑压降的波动，并对其进行相应的修正。

不同孔隙结构参数的DPF载体渗透率及其比值随温度的变化见图8。各载体的渗透率及其变化率差别较大(在-0.001 0×10-13～-0.001 6×10-13m2/℃之间，最大偏差为41%)，与载体孔隙结构参数有关；但渗透率比值的变化率却相差较小，在-0.000 6～-0.001 0 ℃-1之间(平均值为0.000 8 ℃-1，最大偏差为25%)，说明在不同孔隙结构参数时温度对渗透率的影响也具有相似性。

3 结论

a) 温度对过滤压降及其比值、渗透率及其比值均存在明显的影响，应考虑温度变化时对这些过滤参数值进行修正或补偿；

b) 温度增加，过滤压降及其比值线性增加，渗透率及其比值线性降低；压降比值随温度的变化关系不仅受黏性系数变化的影响，还受渗透率变化的影响；

c) 流量变化时，温度对过滤压降和渗透率的影响均具有相似性，即流量不同，过滤压降和渗透率不同，变化率也差别较大，但压降比值和渗透率比值的差异较小；

d) 对不同孔隙结构参数的载体，其压降比值变化率平均值为0.004 ℃-1，即温度增加100 ℃，压降值将增长约30%；其渗透率比值变化平均值为0.000 8 ℃-1，即温度增加100 ℃，渗透率将降低约6%；与流量变化类似，孔隙结构参数变化时，温度对过滤压降和渗透率的影响也均具有相似性。

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[编辑：袁晓燕]

Influence of Temperature on DPF Filtration Parameter

CHEN Peng, MENG Zhong-wei, LI Lu, YAN Yan, ZHANG Chuan

(Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province,School of Transportation and Automotive Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

It is important to judge the regeneration timing of DPF by the filtration parameter research.The changing laws of filtration parameters consisting of the ratio between pressure drop and room temperature data and the permeation and the ratio with filtration temperature were researched on the generation test bench with exterior heater by taking into consideration the influence of flow rate and pore structure meanwhile.The results showed that the pressure drop and the corresponding ratio increased linearly and the permeation and the ratio decreased linearly with the increase of filtration temperature.The linear fittings of pressure drop, permeation and their respective ratios with temperature were conducted and the flow rate and the pore structure were found to have certain influence on the pressure drop and permeation and less influence on their ratios.

diesel particulate filter(DPF); pressure drop; permeation; filtration temperature; flow rate; pore structure

2014-05-20；

2015-01-23

国家自然科学基金资助项目(51106130)；教育部“春晖计划”合作科研项目(Z2014058)；四川省教育厅青年基金项目(12ZB138)；发动机燃料电控系统及尾气后处理系统产业集群项目(成财教[2013]265)；四川省重点科技项目(2011JYZ014)；西华大学重点科研基金项目(Z1120319)

陈鹏(1986—)，男，硕士，主要从事柴油机颗粒物减排方面的研发工作；chenpeng0527@126.com。

孟忠伟(1980—)，男，副教授，博士，主要从事柴油机颗粒物捕集器方面的研究；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.012

TK424.5

B

1001-2222(2015)02-0057-04