灰分及载体结构对DPF内部流场及压降特性的影响*

2020-11-04陈贵升潘明章

汽车工程 2020年10期

陈贵升，李青，吕誉，潘明章，贺如，黄震

（1.昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室，昆明 650500； 2.广西大学机械工程学院，南宁 530004）

前言

柴油机因其热效率高、经济性好、功率输出大等优点而被广泛应用，但也带来了较为严重的环境污染问题［1］。极大地危害人类生存环境和身体健康，降低柴油机微粒排放是柴油机研究的重要课题之一［2］。柴油机微粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）被公认为是目前最有效的微粒净化后处理技术［3］，其中壁流式过滤体其综合性能最优，受到国内外研究者极大重视［4］。DPF压降和捕集效率是其重要的性能指标，DPF压降特性实质为微粒沉积过程，且DPF流场压降和微粒沉积特性直接决定了DPF的捕集效率［5］，由于DPF结构复杂，其内部流场和微粒沉积特性不易被观察［6］，而通过构建微粒捕集器模型可了解其内部工作状态。

目前，针对DPF压降特性研究主要集中在载体材料、结构参数以及碳烟、灰分分布等方面，文献［7］和文献［8］中研究了灰分分布对DPF碳烟捕集过程压降特性、捕集效率和再生频率的影响。文献［9］和文献［10］中研究表明：非对称孔道结构DPF可增加碳烟和灰分的储存空间。朱亚永等［11］研究了排气流量、进口温度等对微粒沉积特性的影响，结果表明沿轴向方向微粒沉积量呈先减小后增大的趋势。李志军等［12］构建了洁净DPF 1/4孔道计算模型，研究结果表明沿DPF轴向进气孔道内气流速度逐渐降低，排气孔道内速度逐渐增大。龚金科等［13］建立了DPF单孔道灰分滤饼沉积数学模型，研究灰分滤饼沉积阶段过滤体流动阻力特性，结果表明过滤壁面流动阻力的影响程度最大，灰分层流动阻力次之。

综合国内外对于DPF工作特性的研究可以发现，针对DPF内部流场与微粒沉积特性研究较少，本文中通过数值模拟的方法研究了灰分分布系数对DPF压降与捕集特性的影响，优化了非对称进/出口孔径比例，探究灰分沉积与载体结构对孔道内部气体流动和微粒沉积特性的影响，阐明了微粒运动与迁移规律，为DPF的优化设计和实际使用提供了相关理论依据，以期提高DPF开发设计效率。

1 试验台架和模型介绍

1.1 试验台架介绍

本文中通过搭建D30柴油机加装DOC＋DPF的试验台架，进行了300目对称与非对称孔结构载体在不同碳载量和转速下的压降特性试验，柴油机相关技术参数如表1所示。

1.2 一维模型构建及验证

本文中研究所用DPF均采用壁流式碳化硅载体，该材料具有耐高温、热膨胀系数小、抗疲劳等优点，其相关技术参数如表2所示。为方便模型计算与收敛，对数值模型中载体的相关参数作以下理论假设：忽略胶粘区域，载体视为绝热材料；将排气视为理想气体，假设所有排气颗粒物粒径相同且分布均匀。

表2 各方案载体技术参数

图1所示为DPF内部结构示意图，排气从进口孔道流入，经过多孔介质壁面从相邻的出口孔道流出，DPF壁面的多孔介质结构通过重力沉积，惯性碰撞，扩散拦截等方式将颗粒物捕集下来。

图1 DPF内部结构示意图

排气在DPF孔道内满足质量守恒、动量守恒和能量守恒3大定律：

式中：c、ρ、p、F分别为进口截面的流体流速、密度、压力和管截面积；f为摩擦因数；q为单位质量流体的传热率；D为当量直径

模型可靠性验证时DPF碳载量设置为2 g/L，边界条件设置为1 000～2 400 r/min，75%负荷下的DPF入口状态，所有工况点的模拟值与试验值趋势一致且误差较小（见图2），满足预测要求，可以进行模拟研究。

图2 不同入口条件下模型验证

1.3 DPF微观孔道模型构建与验证

基于本文中DPF载体构建1/4进出口孔道的三维模型（见图3），载体有灰分沉积时只须改变模型几何尺寸即可得到。

图3 DPF 1/4孔道模型

模型将颗粒视为稀疏的离散相，忽略粒子间的相互作用和粒子体积分数对流体相的影响，离散相粒子轨迹通过求解拉式坐标下颗粒作用力的微分方程得到，其中粒子作用力平衡方程（x方向）为

式中：u为连续相速度；up为颗粒速度；FD（u-up）为颗粒单位质量曳力；gx为x方向重力加速度；ρp为颗粒密度；ρ1为流体密度；Fx为x方向的其它作用力；Re为颗粒相对雷诺数；CD为曳力系数；μ为流体动力黏度；dp为颗粒直径；对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，a1、a2、a3为常数。

通过调整相关参数对模型进行可靠性验证，颗粒入场速度为38 m/s，均匀进入进气孔道，相关技术参数见表3。定义排气流在孔道和壁面的流动为层流流动，在模拟计算过程中忽略传热和化学反应过程。由图4可知，模拟值与文献［16］中值的误差较小，物理趋势基本一致，可以较好地预测气流在孔道内的实际流动状态。模型中涉及碳烟和灰分相关参数的设置参照文献［17］和文献［18］。

表3 流动模型相关设置参数

图4 进、排气孔道中心线压力和速度模拟值与文献［16］值对比

2 试验结果分析

碳载量低于4 g/L时，非对称结构载体压降略高于对称结构载体，随着碳载量的增加，非对称结构载体的压降低于对称结构载体，且两者载体的压降差值逐渐升高（与模拟值相似）。随着转速的升高，两者载体压降均逐渐增大，且在高碳载量、高转速时对称结构载体压降远高于非对称结构载体压降。随着转速的升高，两者载体压降交点对应碳载量整体逐渐升高，在2 400 r/min时达到最大4.69 g/L。说明非对称结构载体在高碳载量时压降特性更优，具有更加良好的容灰性能（见图5）。

图5 碳载量和转速对载体压降的影响

3 载体结构对DPF捕集和流动特性分析

3.1 灰分分布系数对DPF压降及捕集效率的影响

采用方案2载体进行灰分分布系数对DPF压降及捕集效率的影响研究。定义灰分分布系数F为载体内层状灰分占总灰分的质量百分比（F＝mash＿layer/mash＿all）。

随着灰分分布系数增加，不同碳载量下DPF压降均上升，相同灰分分布系数条件下，随碳载量增加，DPF压降增加（见图6）。灰分分布系数大于0.6以后，随着灰分分布系数的增加，DPF压降急剧上升。表明层状灰分对压降的贡献大于灰分堵头，尤其是分布在壁面的灰分量超过孔道末端的灰分堵头的量时。因分布在壁面的层状灰分降低了孔道流通面积，从而增大了气流阻力，压降上升，而灰分堵头虽然降低了孔道流通长度，但其降低的过滤长度比较有限，因而对DPF压降的影响效果较小。DPF捕集效率随灰分分布系数增加而增大，由于分布在壁面的层状灰分增加时，层状灰分对碳烟颗粒的捕集作用提升。无碳烟加载时捕集效率明显低于有碳烟加载的情况，这是由于无碳烟加载时缺少了深床碳烟层的捕集作用，捕集效率大大降低（见图7）。

图6 灰分分布系数对DPF压降的影响

图7 灰分分布系数对DPF捕集效率的影响

3.2 进/出口孔径比例对DPF压降与捕集特性的影响

非对称孔结构载体通过增加进口孔道孔径，并相应地减小出口孔道孔径以实现增加进口孔道容积的效果，进/出口孔径比例的优化对于非对称载体工作特性极为重要，针对方案1载体的进/出口孔径比例进行衍生，得到进/出口孔径比例r分别为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5和1.6的非对称孔道结构的DPF，为保证DPF总体积和壁厚的一致性，当r发生变化时，须保证不同孔结构DPF对应的气体流通总面积保持恒定。图8所示为不同孔径比例结构载体进出口面积变化率，出口孔道的面积减小率总是小于进口孔道的面积增大率。非对称孔道总流通面积最大变化率均在6%以内，变化幅度足够小。

图8 不同比例结构载体孔道面积变化率

碳载量较小时压降随进出/口孔径比例增加而上升；碳载量大于5 g/L后，DPF压降随进出/口孔径比例增加先下降，在进出/口孔径比例大于1.4后略有上扬（见图9）。这是因为碳载量较低时，进出口孔径比例增加导致的出口孔径变小而产生的压降增大占主导地位；随着碳载量的增加，进口孔道压降降低的作用开始超过因出口孔径减小而增加的压降。但过度增大进出口孔径比例会使出口孔道孔径过小而使压降上升。不同碳载量下进出口孔径比例对DPF捕集效率的影响如图10所示。由图可见：各碳载量下DPF捕集效率均随进出口孔径比例增加而下降，这是因为进/出口孔径比例变大会导致壁面的碳烟层和灰分层变薄，使碳烟和灰分饼层的过滤作用降低而使DPF总体捕集效率下降；随着碳载量的增加，DPF捕集效率下降越大，这是因为灰分和碳烟的混合物沉积在进口孔道末端形成的灰分堵头减小了孔道的有效过滤面积，因孔道过滤面积减小导致捕集效率下降的作用高于因碳载量增加使碳烟饼层变厚而提高捕集效率的作用。

图9 不同碳载量下进出口孔径比例对DPF压降的影响

因此，非对称孔结构DPF进/出口孔径比例存在一个最佳范围（1.25～1.35）。后文中针对非对称孔结构DPF的研究采用进/出口孔径比例1.3。

图10 不同碳载量下进出口孔径比例对DPF捕集效率的影响

3.3 载体结构对DPF压降和捕集特性的影响

载体结构对DPF压降的影响如图11所示。由图可见：灰分量低于22 g/L时，碳载量较低时对称孔结构DPF压降低于非对称孔结构，随着碳载量的增加，非对称孔结构DPF压降特性的优势逐步体现；当灰分量大于22 g/L后，各碳载量下对称孔结构DPF压降均更高，由于非对称孔结构载体进口孔道面积更大，使得碳烟层和灰分层更薄，压降减小，但不利于捕集碳烟，因而非对称孔结构DPF捕集效率略低于对称孔结构，但差距较小（见图12）。

图11 载体结构对DPF压降的影响

图12 载体结构对DPF捕集效率的影响

4 载体结构对DPF气相流动特性的影响

DPF压降以及捕集实质上是微粒沉积特性，设置DPF碳载量6 g/L、灰分量22 g/L，研究碳烟、灰分沉积和孔道结构对孔道内的压力、气流速度、颗粒运动轨迹和颗粒浓度的影响。

图13所示为不同结构DPF孔道中心压力对比。由图可见：沿DPF轴向位置上，无灰分沉积时两者载体进/出孔道压差逐渐增大，并在出口端达到最大；有灰分沉积时，非对称孔结构DPF进/出口孔道压力均高于对称孔道结构，进口压力沿轴向方向降至零，但对排气孔道静压影响不大。这是由于相同碳烟和灰分量条件下，非对称孔道结构DPF由于出口孔道孔径更小，因而孔道中心压力更高，气流在流经灰分堵头时压力急剧下降，靠近末端时压力降至零。

图13 不同结构DPF孔道中心线压力对比

DPF孔道内气流速度分布云图如图14所示。由图可见：沿DPF轴向方向气流从均匀流逐渐发展为不均匀流，这是由于过滤壁面的摩擦力以及流体内部黏性力的作用，使孔道中心处速度最大，越靠近壁面速度越小；非对称结构出口速度均高于对称结构载体，有灰分积累时，两者出口速度均增加。

图14 DPF孔道内气流速度分布云图

图15 不同结构DPF孔道内气流速度对比

不同结构DPF孔道内气流速度对比如图15所示。由图可见：两种载体的进口孔道中速度沿孔道轴向先增大后减小，最后在孔道后端面处变为零；排气从出口截面流出的速度大于从进口截面流入的速度；非对称结构DPF进/出口速度高于对称结构；无灰分沉积时，出口孔道中速度沿孔道轴向逐渐增大，且在孔道后端增加的幅度变大；有灰分沉积时，两种DPF进/出口速度差距增大，出口速度在载体中端位置迅速增大，灰分沉积对载体出口端面处速度大小影响较小。

图16所示为不同结构DPF孔道内颗粒运动轨迹。受沿层阻力作用，颗粒速度逐渐降低为零，进而沉积在过滤壁面，载体前端颗粒沉积较少，大多数颗粒在载体中后端位置被捕集。沿孔道径向方向，越接近多孔介质壁面的颗粒，受到的阻力相对较大，所以速度下降越快，越容易被捕集，进气孔道中心速度相对较高，颗粒在孔道中的运动距离也较远。在进气孔道末端，壁面封堵使得气流产生回旋，对流场造成一定的扰动作用，导致孔道末端颗粒运动轨迹杂乱，有灰分沉积时效果更加明显，非对称孔道由于捕集到的碳烟量更多，故颗粒运动轨迹线较密。