灰分沉积对不同结构CDPF再生特性的影响*

2020-06-29陈贵升陈春林卢申科沈颖刚

汽车工程 2020年6期

陈贵升，李青，陈春林，卢申科，吕誉，沈颖刚，黄震

（1.昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室，昆明 650500； 2.云南菲尔特环保科技股份有限公司，昆明 650300）

前言

壁流式柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）的捕集效率可达90%以上，是目前公认最有效的柴油机排放颗粒物净化装置［1-2］。但随着颗粒物在DPF内部不断累积，会导致发动机排气背压升高，影响发动机和DPF的性能［3］。为减小因颗粒物沉积对柴油机和DPF性能的影响，须对DPF内部碳烟进行连续性或周期性氧化再生。催化型柴油机颗粒捕集器（catalyzed diesel particulate filter，CDPF）通过在过滤体表面涂覆催化剂，降低了颗粒物氧化反应活化能［4］，使颗粒物在较低温度条件下实现连续性的氧化再生。

随着DPF内部颗粒物不断氧化再生，部分不可燃成分将会残留下来形成灰分［5］。由于灰分无法通过氧化再生的方式进行清除，DPF整个生命周期内绝大多数时间都伴随着灰分［6-7］。美国环保署规定的重型柴油车DPF最小清灰间隔里程数为24.1万 km［8］。Chiara等［9］提出了一种控制导向的CDPF再生模型，通过集成控制方法调整控制质量和能量方程，大大降低了CDPF的工程开发和设计周期。Zhang等［10］通过试验的方法定量评估了灰分对重型柴油车DPF相关油耗的影响。Sappok等［11-12］通过试验观测了灰分的成分，并对不同灰分量下，灰分分布系数（即孔道末端的灰分堵头占总灰分的比例）进行了数据拟合。Gaiser等［13］认为随着灰分量的增加，载体的最佳几何形状将朝着更长的方向变化。Heibel等［14-15］在发动机试验台架通过对燃油掺混高灰分机油的方式，研究了灰分对对称和非对称结构DPF压降特性的影响。Jiang等［16］采用数值方法对DPF灰分沉积和捕集过程进行了研究，发现沉积在壁面的层状灰分有利于提高捕集效率，而孔道末端的灰分堵头会减小捕集面积，从而降低捕集效率。

以上对DPF的结构、压降特性和再生特性的研究已经比较全面，但每项研究工作大多仅对DPF的其中一种性能开展研究，很少对DPF多项性能进行综合考虑，且其研究的载体各项技术参数相对落后。目前，面向国六的DPF已经朝着高目数、薄壁和非对称结构的方向发展，且需要催化剂涂覆。本文中采用最新面向国六的CDPF搭建柴油机加装后处理的试验台架，对比研究了不同结构CDPF对发动机性能的影响和碳烟对CDPF压降特性的影响，并通过数值模拟研究了灰分量和灰分分布形态对CDPF再生特性的影响规律，为国六柴油机的CDPF工程开发和选型提供一定的理论依据。

1 台架的搭建和模型构建与验证

为方便模型计算与收敛，在计算过程中对数值模型作如下假设：

（1）将排气视为理想气体，假设所有排气颗粒物粒径相同且均匀分布；

（2）忽略胶黏区域，载体材料视为绝热。

1.1 试验台架

试验对象为D30TCI电控高压共轨柴油机（国六排放），其主要技术参数如表1所示。

表1 D30TCI柴油机主要参数

试验中采用的柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）为400目的堇青石载体，其催化剂涂覆量为 706.29 g／m3（20 g／ft3），配比为 0.78。试验用CDPF载体具体参数见表2。

表2 CDPF主要参数

分别对柴油机在两种不同结构的新鲜态CDPF载体条件下进行外特性试验，对比分析不同CDPF对柴油机性能的影响，同时分析柴油机外特性条件下新鲜态CDPF的压降特性。

为研究碳载量对CDPF和柴油机性能的影响，首先对CDPF进行碳烟积累，碳烟加载试验在柴油机转速1 400 r／min、转矩105 N·m工况下进行，将CDPF入口温度控制在250℃以下，以防止碳烟进行被动再生，影响积碳效率。分别将各载体碳烟累积到 2、4、6和8 g／L后，进行外特性试验。

1.2 数学模型

采用CFD软件构建了颗粒捕集器三维热力学模型。为探究CDPF在再生过程中载体内不同位置的温度变化情况，在载体轴向与中心位置径向处分别等距选取5个数据采集点，径向和轴向相邻两点间距离分别为28和32 mm，如图1所示。点3为轴向与径向上的重合点，故共有9个温度测点。

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图1 CDPF载体温度测点分布位置图

CDPF再生反应过程中，主要是气固两相的表面反应。再生反应模型的方向是基于沿碳烟层积累的气相连续性方程和沿碳烟层厚度方向的物质守恒方程［17］：式中：MGj为气体j的摩尔质量；S为气体组分种类数目；R为发生化学反应的总数目；wg，j为气体j的质量分数；vij为第i项反应中气体j的化学反应系数；ri（yg，Ts）为第 i项的摩尔反应速率。

由于本文中研究的CDPF为被动再生，故采用C-O2-NO-NO2反应模式，共涉及5个化学反应：其中排气中的NO在催化剂涂层中Pt元素的作用下，通过式（7）反应再次生成NO2继续氧化碳烟颗粒，而NO与NO2之间的可逆反应也被考虑。

1.3 模型验证

模型可靠性主要取决于化学动力学和反应机理，载体物理结构不会影响模型计算准确性。因此，本文中CDPF捕集和再生模型在300目高孔隙率对称结构CDPF条件下进行验证。

捕集模型验证在柴油机1 800 r／min、100%负荷工况下进行，其排气质量流量为288 kg／h，排气温度为700 K，排气颗粒物浓度为5×10-4，初始碳载量为0。再生模型在捕集模型的基础上进行验证，再生试验在 CDPF初始碳载量 4 g／L、柴油机 2 000 r／min、100%负荷工况下进行，其排气质量流量为350 kg／h，排气温度为730 K，排气颗粒物浓度为5×10-4。

图2为CDPF捕集过程和再生过程的压降模拟值与试验值的对比。由图可见，模拟值与试验值很好吻合，表明模型精度满足计算要求，可用于对真实CDPF工作特性的预测。

图2 CDPF捕集与再生过程压降的模拟值与试验值对比

2 不同结构CDPF对柴油机性能的影响

传统的DPF载体孔结构采用均匀的进出口孔道结构，称为对称孔道结构；而通过改变进／出孔径比例大小，使进口孔径大于出口孔径，则为非对称孔道结构（asymmetric cell technology，ACT）。柴油机排气背压会直接影响柴油机动力性与经济性，而CDPF的结构和流通特性会直接影响排气背压。在柴油机外特性工况下，针对新鲜态对称与非对称结构CDPF的压降特性进行了试验分析。

图3为柴油机原机和加装不同结构CDPF后柴油机的动力性和经济性对比。加装CDPF后柴油机转矩和进气流量均有所下降，有效燃油消耗率和涡后温度有所升高。这是因为柴油机加装CDPF后排气背压上升，泵气损失增加，进气流量下降，导致转矩下降，有效燃油消耗率和涡后排温增加。由于试验所用的CDPF为新鲜态载体，非对称CDPF出口孔径缩小造成的压降升高占主导地位，因此，加装非对称结构CDPF的柴油机进气流量低于对称结构，有效燃油消耗率和排气温度高于对称结构。

图3 不同结构CDPF对柴油机性能的影响

图4 为不同碳载量下，不同结构CDPF压降对比，两种结构CDPF的压降均随着碳载量的增加而增加。与对称结构CDPF相比，非对称结构CDPF的压降在碳载量较高时（碳载量≥6 g／L）整体上低于对称结构，非对称结构CDPF压降在碳载量较低时（碳载量＜6 g／L）高于对称结构。这是因为非对称结构CDPF的入口孔径较大，碳载量较大时，会导致碳烟层厚度变薄，压降降低；碳载量较低时，非对称结构CDPF由于出口孔径减小而增加的压降占主导地位。此外，非对称结构CDPF在高转速时的压降随着碳载量的增加而明显降低，这与李志军等［18］的模拟结果一致。

图4 不同碳载量下CDPF压降随转速的变化

3 灰分对CDPF再生特性的影响

CDPF生命周期内绝大多数工作时间都伴随着灰分，灰分沉积在进口通道不仅会影响CDPF压降和捕集特性，还会对再生产生较大影响。灰分量对不同的结构CDPF的影响也不同，本节中对碳载量为6 g／L时，灰分对不同结构CDPF再生特性的影响进行了研究。表3为模型初始边界条件，定义灰分分布系数d为壁面灰分量mlayer占总灰分量mall的比例，即 d＝mlayer／mall。

表3 CDPF边界条件

图5为碳载量为6 g／L、灰分分布系数为1时，不同灰分量下CDPF再生压降与再生温度变化对比。载体孔道内有灰分沉积时，CDPF再生压降和温度均高于无灰分沉积的载体，且随灰分量增加而升高。这是由于灰分沉积在过滤壁面上，降低了孔道壁面的渗透率，且随着灰分量的增加，灰分层变厚，气体的流通阻力越大，导致压降升高。同时，碳烟再生过程中燃烧释放的热量大量传递给灰分层，灰分层热容量和热阻均增加，导致再生温度升高。相同灰分量下，非对称CDPF压降和壁面最高温度均低于对称结构，这是由于非对称结构增大了进口孔道的表面积，降低了孔道内灰分的厚度，使压降降低，同时降低了灰分的热容量和热阻，从而降低了载体再生温度。随着灰分量的增加，对称结构CDPF的再生压降与温度升高幅度更大。

图5 不同灰分量下CDPF再生压降和温度变化

载体内无灰分沉积时，不同结构CDPF再生过程中碳载量变化和颗粒再生速率的差异性较小，当载体孔道内有灰分沉积时，CDPF再生速率升高，剩余碳载量较少，如图6所示。再生期间剩余碳烟量随灰分量升高而降低，碳烟再生速率随灰分量增加而升高。灰分量低于12.5 g／L时，非对称孔道再生碳载量与碳烟氧化速率高于对称孔道；灰分量高于12.5 g／L时，由于非对称结构CDPF较大的进口孔道面积使碳饼层和灰分层变薄更加明显，导致碳烟再生速率和再生碳载量降低。

图7和图8分别为CDPF径向和轴向测量点再生温度对比。再生过程中，载体温度在径向上呈中间高边缘低的趋势；载体温度在轴向上呈现前端低，后端高的趋势，且越靠近后端，温度峰值出现越晚，对称结构与非对称结构的径向和轴向温度没有明显差异。这是因为径向上载体边缘由于向环境对流散热，导致温度低于中心温度；碳烟均匀分布在孔道内，轴向上靠近载体前端的碳烟首先开始氧化，碳烟氧化释放的热量随排气流的作用向载体后端移动，导致后端温度较高，后端碳烟氧化滞后，所以峰值温度出现较晚。

图6 不同灰分量下再生过程中碳载量和再生速率变化

图7 CDPF径向温度分布

图8 CDPF轴向温度分布

4 灰分分布系数对不同结构CDPF再生特性的影响

不同灰分分布系数对CDPF再生特性影响也存在差异，本节中将对碳载量6 g／L、灰分量40 g／L时，不同结构型式载体的再生特性进行对比分析。

图9为不同灰分分布系数下，再生压降和温度的变化。由图可见，两种结构CDPF再生压降均随灰分分布系数增加先下降再上升。这是因为随着灰分分布系数增加，分布在壁面的层状灰分增加，层状灰分对压降的贡献更大，灰分分布系数增加至1时，所有灰分均累积在孔道壁面，减小了孔道直径，导致压降上升。非对称结构CDPF再生压降总体上低于对称结构，载体再生温度随灰分分布系数增加略有下降。

图9 不同灰分分布系数下再生压降和温度的变化

图10 为不同灰分分布系数下，碳载量和碳烟再生速率的变化。由图10（a）可见，结构对称性对碳载量影响不大，而随着灰分分布系数的提高，剩余碳载量有所减小；由图10（b）可见，CDPF再生过程中，再生速率先增后降；非对称结构CDPF再生速率略低于对称结构，而灰分分布系数对载体再生速率影响不大。

图10 不同灰分分布系数下碳载量和碳烟再生速率的变化

图11 非对称结构CDPF再生压降和温度变化

图11为不同灰分量下，非对称CDPF再生压降和再生温度随灰分分布系数的变化趋势。灰分量越大，再生压降越大，灰分量较小时，灰分分布系数再生压降的影响较小；灰分量较大时，灰分对压降的贡献增加；而灰分及其分布系数对再生温度的影响较小。非对称结构的碳载量和氧化再生速率的变化如图12所示。可以看出，灰分分布系数对碳载量和再生速率影响都较小；随着灰分量的增加，残余碳载量略有减小，而再生速率的峰值提高。

图12 非对称结构CDPF碳载量和碳烟再生速率的变化

图13 为不同灰分分布系数下，非对称CDPF不同位置的再生温度变化。由图13（a）可见，载体温度在径向上的分布呈中心高、边缘低的趋势，且灰分分布系数为1时的温度比灰分分布系数为0时的稍低。须要特别指出的是点3的温度与点2和点4很接近，说明载体温度沿径向的分布，仅在外边缘处有较大的温度梯度；而自点2或点4以内，甚至自半径比点2稍大的位置以内，温度就基本没有变化，载体温度沿径向更细的分布规律有待今后进一步探究。由图13（b）可见，载体轴向温度呈前端低后端高的趋势，至于灰分分布系数的变化，对头尾两端的测点的影响很小，而对中间3个测点而言，在再生的中期，灰分分布系数为1时的载体温度比灰分分布系数为0时的载体温度稍低，但随着再生过程的延续，有趋同倾向。不论是沿径向还是轴向，在某些测点上，灰分分布系数为1时的载体温度比灰分分布系数为0时的载体温度稍低的原因，可能是灰分分布系数大时，载体孔道壁面灰分少，碳烟再生释放的热量向环境传递的热阻低，导热率高，热量向环境的传递快，最终导致载体温度较低。

图13 不同灰分分布系数下非对称结构CDPF不同位置的再生温度变化

图14 为不同灰分分布系数下，CDPF再生最大压降和最高温度随灰分量的变化。由图14（a）可见，总的变化规律是：CDPF再生最大压降随着灰分量的增大而加大，而随着灰分分布系数的增大而减小；而非对称结构的最大压降明显低于对称结构，且其差异随灰分量的增大而加大。由图14（b）可见，非对称结构的载体最高温度，随灰分量的加大，基本上呈线性关系升高；在灰分量小于13 g／L时比对称结构稍高，而灰分量大于13 g／L后，却明显低于对称结构，且非对称结构的载体最高温度基本不受灰分分布系数的影响。而对于对称结构而言，其载体最高温度，随灰分量的加大，大致呈二次曲线关系升高，即其温度的升幅随着灰分量的增大而加大，但随着灰分分布系数的增大，温度升幅随灰分量而增大的程度减弱。

图14 不同灰分分布系数下，CDPF再生最大压降和最高温度随灰分量的变化

图15 为不同灰分分布系数下，CDPF最大再生温度梯度和剩余碳载量随灰分量的变化。由图15（a）可见，整体上载体结构、灰分分布系数和灰分量均对CDPF最大再生温度梯度影响不大，CDPF再生最大温度梯度，大约从灰分量为0时的20.8℃缓慢地增大至灰分量为40 g／L的21.2℃；由图15（b）可见，随着灰分量的增加，再生后剩余碳载量下降，但对称结构CDPF再生后碳载量低于非对称结构，而随着灰分分布系数增加，剩余碳载量减少。这是因为灰分分布系数较大时载体的温度和热容量更大，有利于碳烟氧化反应的发生，剩余碳载量减少。另外，因结构对称性和灰分分布系数引起剩余碳载量的差异，随着灰分量的增大而加大。