灰分和碳烟分布对DPF 再生性能的影响研究

2021-01-29陈贵升马龙杰彭益源袁征向亦华沈颖刚

农业装备与车辆工程 2021年1期

陈贵升，马龙杰，彭益源，袁征，向亦华，沈颖刚

（1.650500 云南省昆明市昆明理工大学交通工程学院；2.650501 云南省昆明市云内动力股份有限公司）

0 引言

因柴油机具有较好的动力性和经济性，被广泛应用于交通运输领域[1-2]。这些年来随着排放法规的日益严格，柴油机排放颗粒物（PM）越来越受到人们的关注。柴油机颗粒捕集器（Diesel particulate filter，DPF）是目前降低颗粒物最有效、技术成熟的后处理装置之一[3-5]。柴油机微粒捕集器将捕集到的碳烟通过周期性或连续的高温再生过程燃烧掉，从而达到降低排放的目的。再生结束后会有少量的灰分沉积在DPF 中，不仅会减少有效过滤面积，降低过滤效率，还会增加排气流动阻力，增加发动机排气背压，严重影响发动机的动力性和经济性[6-9]。因此，研究灰分沉积对DPF 再生特性的影响是目前国内外学者研究的重点[10]。

国内外研究学者从多方面研究了灰分对DPF压降的影响。李志军[11]等分析了孔道壁面厚度、孔道直径、灰分量、碳烟量以及孔道壁面、灰分滤饼层、碳烟滤饼层渗透率下灰分分布对DPF 压降的影响；侯献军[12]等分析了初始灰分层在DPF进口通道的沉积位置和沉积形状对再生性能的影响；Jia Fang[13]等通过台架试验研究了碳烟沉积和再灰分量、灰分粒径和灰分组成成分对DPF 性能的影响；朱亚永[14]等分析了非对称孔结构(ACT)和灰分沉积量及分布形式对DPF 压降和微粒沉积特性的影响。目前，关于灰分沉积对DPF 再生特性的影响大多集中在对灰分分布、灰分渗透率等对DPF 再生压降的影响，对于灰分沉积下碳烟分布不均匀性对DPF 再生特性的影响研究较少。本文结合3 种灰分分布和5 种碳烟分布，对DPF再生特性进行了研究。为正确认识灰分和碳烟对DPF 的影响提供了理论依据，同时，也为汽车厂家对于DPF 再生特性的研究提供了一定的参考。

1 试验测试系统的建立

试验总体布置如图1 所示。其中，试验所用发动机为柴油机加装有催化型氧化转换器DOC+催化型微粒捕集器DPF 装置，满足国Ⅳ排放水平的高压共轨电控增压柴油机。DOC 与DPF 具体相关参数如表1 所示。试验使用的燃油为国Ⅴ标准柴油，采用水涡测功机测量发动机的转速和扭矩，采用空气流量计读取进气质量流量，采用压力和温度传感器分别测量DPF 前、后端压力和温度。试验在转速1 400 r/min、扭矩110 N·m的工况下进行被动再生试验，DPF 入口温度控制在450 ℃。

图1 试验台架布置图Fig.1 Test setting

表1 DOC、DPF 载体主要参数Tab.1 Main parameters of DOC and DPF vectors

2 DOC+DPF 再生模型的构建与验证

本文中使用的DOC+DPF 再生模型依据试验所用载体的结构参数构建而成。如图2 所示，包括入口管、DOC、空腔区域、DPF、出口管4 部分，共计六面体网格数为385 624 个。模型设置排气质量流量为0.08 kg/s，排气温度为390 ℃，碳烟量为5e-4kg particles/kg gas，初始碳烟量为4 g/L。图3 为DPF 的捕集和再生过程的模拟值与仿真值的压降对比。可以看出，捕集和再生时的模拟值整体温度略低于试验值，但整体误差值都在5%以内，整体趋势一致。

图2 DOC+DPF 网格模型及结构尺寸Fig.2 DOC+DPF mesh model and structure size

图3 再生过程试验值与模拟值压降对比Fig.3 Comparison of pressure drop between test value and simulation value in regeneration process

3 计算结果及分析

3.1 碳烟不均匀性对捕集特性的影响

本节选择如图4 所示的5 种碳烟分布类型来分析其对DPF 捕集和再生特性的影响，即均匀分布、线性增加、线性减少、碳烟由中间向两端递增、碳烟由中间向两端递减。

3.2 碳烟不均匀性对再生特性的影响

图5 是不同类型的碳烟分布下再生最高温度随时间变化的曲线。由图可知，在最高温度达到560 ℃左右再生开始，两种结构载体温度在200 s左右达到峰值，非对称结构载体的温度峰值高于对称结构载体。这是因为非对称载体孔道出口孔径小于对称载体，废气流通其孔道时停留时间较长，温度散失慢，加快了碳烟的燃烧速率。从碳烟分布类型的曲线可以看出，分布3 情况下的再生温度首先达到峰值，分布4 情况下的温度再生前期上升速率较慢且最后达到峰值，分布2 情况下峰值温度最高。这是因为DPF 再生时，当进入DPF 入口的废气温度达到孔道前端着火点开始燃烧，释放的热量达到后端的碳烟着火点后，后端碳烟开始燃烧。

图4 碳烟分布类型Fig.4 Distribution type of soot

图5 碳烟分布对再生最高温度的影响Fig.5 Influence of soot distribution on maximum regeneration temperature

由于分布3 情况下的碳烟在孔道前端沉积的较多，且废气温度较高，当碳烟起燃后释放出较大的热量，加速了后端碳烟的燃烧，因此，分布3 情况下升温速率最快；分布2 情况下的碳烟在孔道前端分布较少，再生初期再生的碳烟量小于捕集的量，导致碳烟量不断增加，随着再生的进行，当孔道后端的碳烟达到起燃温度后释放出大量的热量，升温速率加快并很快达到峰值；分布4 情况下的碳烟由于在孔道中部分布较少，碳烟燃烧时释放的热量少，再生温度出现了略微的下降，之后随着碳烟量的增加，温升速率也随之加快。

图6 是在不同类型的碳烟分布下，再生压降随时间变化的曲线。由图可知，压降值在120 s 左右开始下降，且下降速率区域平缓；120～150 s 时对称结构载体压降大于非对称结构载体；150～400 s时，非对称结构载体压降大于对称结构载体。这是因为，再生初期两个载体孔道内沉积的碳烟较多，对称孔道碳烟层厚度大于非对称孔道，气流流通阻力较大，导致对称孔道压降较大，随着再生的进行，孔道内部碳碳烟层变薄，废气流通孔道时，非对称孔道出口孔径较小，流通阻力较大，因此压降较大。从碳烟分布类型不同可以看出，分布2 情况下的压降最高，分布3 情况下的压降最低。这是因为分布2 情况下，载体孔道前端碳烟再生时释放的热量较少，导致传递给后端的热量较少，而由于后端碳烟分布较多，其再生反而需要更多的热量，因此，在这种分布情况下，碳烟再生压降会受到严重的影响。而对于分布3，由于前端碳烟再生释放的热量较多，大量热量向后端传递，而后端分布的碳烟较少，进一步加速了碳烟的再生。

图6 碳烟分布对再生压降的影响Fig.6 Influence of soot distribution on regeneration pressure drop

图7 为不同类型的碳烟分布下再生剩余碳烟量和再生效率对比。由图可知，非对称结构再生剩余碳烟量和再生效率优于对称结构载体。从不同碳烟分布类型的曲线可以看出，对称和非对称结构载体均在分布3 情况下碳烟再生率最高，分布1 和分布5 的碳烟再生效率最低。这说明碳烟在孔道内的分布情况对其再生速率有很大影响，碳烟在孔道前端分布较多的情况下再生速率较快。结合以上对5 种碳烟分布下的再生温度、再生压降的分析可知，分布3 最有利于提高碳烟的再生效率。

图7 碳烟分布对再生剩余碳烟量和再生效率的影响Fig.7 Influence of soot distribution on residual soot and regeneration efficiency

3.3 残余灰分沉积对再生特性的影响

为了探究残余灰分沉积对DPF 再生特性的影响，本节在DOC+DPF 再生模型的基础上，研究分析碳载量为6 g/L、灰分量40 g/L 时不同灰分分布形式对DPF 再生特性的影响，其中碳烟分布选择第3 种分布类型。假设灰分分布形式有如图8 所示3 种：第1 种是均匀分布在进口孔道壁面形成灰分滤饼层（s=1）；第2 种一半均匀分布在进口孔道壁面形成灰分滤饼层（s=0.5）；第3 种是分布在进口孔道末端，形成灰分堵塞段（s=0）。

图8 灰分不同分布类型Fig.8 Different distribution types of ash

图9 为不同灰分分布系数下，再生温度随时间变化的曲线。由图可知，对称结构载体再生温度峰值大于非对称结构载体，这是因为非对称结构载体出口孔径小，温度散失较慢，使碳烟再生速率增加。灰分分布不同时，灰分分布系数越低，再生温度峰值越高。一方面因为灰分分布系数的变化直接影响到过滤体的有效长度的变化，灰分分布系数越小，则沉积在进口末端的灰分越多，导致过滤体长度减小，再生温度升高；另一方面碳烟再生过程中燃烧放出的热量由于灰分层的阻碍作用不能及时随排气流排出，主要通过热传导作用传递给载体，导致载体最高温度随灰分量的增加而升高。

图9 灰分分布对再生最高温度的影响Fig.9 Influence of ash distribution on maximum regeneration temperature

图10 为灰分量40 g/L，不同灰分分布类型下再生压降随再生时间变化的曲线。由图10 可知，对称结构载体再生压降大于非对称结构载体，这是因为碳载量一定、灰分量较高时，非对称孔道较对称孔道的碳饼层和灰分层更薄，流通阻力小，从而压降较小。

图10 灰分分布对再生压降的影响Fig.10 Influence of ash distribution on regeneration pressure drop

不同灰分分布系数下对比，灰分分布系数越大，压降越低。当灰分为0，即灰分全部分布于进气孔道堵塞处时，再生压降最大；当灰分分布系数为1，即灰分全部分布于孔道壁面上时，载体压降最低。这是因为灰分堵塞在进气孔道堵塞处，孔道的有效过滤长度显著减小，造成碳烟的厚度更大，气体流通面积减小，流通阻力增大，从而压降增大。当灰分全部分布于孔道壁面上时，造成碳烟量形成的碳饼层变厚，相比全部堵塞在进气孔道末端对碳烟层碳烟层厚度的影响小，因此压降较小。

图11 为灰分量40 g/L，不同灰分分布下碳烟量和再生效率的变化情况。由图可知，随灰分分布系数的增加，DPF 再生剩余碳载量减小，灰分分布系数为1 即灰分均匀分布在孔道壁面上形成灰分滤饼层时，DPF 剩余碳载量最低。两种结构型式的载体对比，非对称孔道DPF 再生效率较高。综合分析，非对称结构载体除再生温度峰值较高外，其综合再生性能最优。