基于正交试验设计的DPF再生特性影响因素研究

2021-11-06毕玉华韩慧芳万明定彭益源

昆明理工大学学报(自然科学版) 2021年5期

王鹏，毕玉华，韩慧芳，万明定，彭益源

（1.昆明理工大学云南省内燃机重点试验室，云南昆明 650500；2.昆明云内动力股份有限公司，云南昆明 650217）

0 引言

柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）是柴油机机外净化路线中降低颗粒物（particulate matter，PM）和颗粒数（particle number，PN）最有效的方法之一，其捕集效率可达90%以上［1-2］.在DPF工作过程中，由于颗粒物的不断累积，需要对DPF进行周期性或连续性再生.而再生的过程中，必须保证再生时DPF内压降损失、温度峰值及温度梯度不得超过安全阈值［3-4］，因此研究再生过程中DPF内部的碳烟沉积变化、温度分布特性及压降损失变化，对于提高DPF工作可靠性具有重要意义.

DPF的再生特性是再生过程中DPF所具有的温度、压降以及载体内部颗粒物的燃烧及分布特性.国内外学者针对DPF的再生性能及其影响因素都进行了一定的研究.Wangard等［5］利用FLUENT软件建立了DPF碳烟加载和再生的三维计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）模型，用来预测捕集器的孔道内和多孔壁中的碳烟、速度、温度分布，证明了DPF研究中三维模型的重要性.Pinturaud等［6］设计了一种试验方案，通过控制DPF部分再生，对单一孔道不同轴向位置处取段分析，发现DPF内碳烟分布均匀性与再生效率有关.Lupše等［7］采用简单的碳烟燃烧和传热子模型，针对再生阶段的滤饼燃烧和载体热响应进行建模，通过研究孔目数、孔道大小、捕集器渗透性及热容对排气背压恢复、再生效率和热失效风险的影响，优化了车用DPF的结构参数.徐小波等［8］等建立了DPF再生阶段多通道模型数值模型，对DPF再生过程进行了研究，发现DPF入口处气体流速不均匀、温度不均匀对再生性能有较大影响.唐君实等［9］建立了DPF热再生数值模型，对DPF再生性能进行了研究，研究发现来流质量流量和氧浓度对DPF的再生时间影响较大，初始温度对再生时间影响不大.孟忠伟等［10］采用外加热源的主动再生方式，试验研究了不同来流流量、温度和孔目数分别对DPF载体的最高温度、最大升温速率和末端温度梯度极值的影响规律.结合国内外研究现状来看，对DPF再生性能的研究主要集中于单因素或多因素分别对再生性能的影响规律，而将多因素进行敏感性分析的较少.为了找出多个关键因素对再生性能的影响大小，需要对DPF再生性能的主要影响因素进行正交实验敏感性分析.

论文采用试验与仿真相结合方法，建立了柴油机微粒捕集器（DPF）三维数值仿真模型，研究了DPF内的碳烟沉积量变化、压降损失和温度分布等变化规律，采用正交试验设计方法，进行了非结构因素如入口温度、排气氧含量和初始碳烟量对再生特性影响的敏感性分析，研究结果为优化DPF性能和再生控制策略提供一定理论依据.

1 数学模型

DPF再生过程的数学模型主要包括碳烟颗粒质量守恒模型和再生反应模型.再生时，DPF内部微粒质量的化学反应变化遵守质量守恒方程，灰分由于不可燃，因此在再生时不参与化学反应.碳烟深层捕集层和滤饼层的碳烟质量守恒方程为：

式中：msd（z）和msc（z）分别为各轴向位置处碳烟深层捕集层和碳烟滤饼层内碳烟颗粒密度；Rsd、Rsc分别为碳烟深层捕集层和碳烟滤饼层内碳烟颗粒化学反应源项；Ssd、Ssc分别为深层捕集层控制微粒沉积的二进制开关和滤饼层控制微粒沉积的二进制开关；νω，dl（z）为沿轴向位置的无量纲壁流速度，可以表示为：

DPF微粒再生化学反应是关于气固两相表面反应，需对DPF再生时气体组分变化进行预测.基于气相连续性方程的化学反应模型的表达式为：

式中：MGj为气体组分j的质量分数；S、R分别是总物质种类数目和发生化学反应总数；νi，j为第i项反应中气体组分j的化学反应计量系数；˙ri（yg，Ts）为第i项化学反应速率，yg为气体组分的摩尔比，Ts为固体温度.

2 DPF仿真模型建立

采用AVL FIRE三维商业仿真软件建立碳化硅载体DPF模型，模型网格结构如图1所示.仿真模型由入口管道、出口管道和载体等部分组成.在模拟过程中，入口采用质量流量作为边界条件，出口采用静压作为边界条件，质量流量为0.038 kg／s，排气中碳烟浓度为0.000 01（kg PM）／（kg gas），出口压力为100 kPa.DPF的主要计算参数如表1所示.

图1 DPF网格模型Fig.1 The grid model of DPF

表1 DPF主要计算参数Tab.1 Main parameters of DPF

3 模型验证

3.1 DPF再生试验方法

碳烟加载和再生试验台架布置如图2所示，柴油机为带有VNT与EGR的D20TCI发动机，主要技术参数如表2所示，试验所采用的主要设备如表3所示.图3所示为试验采用的DPF温度测试点布置情况和实物图.实验室所处的高原环境海拔为1 980 m，大气压力约为80 kPa.相较于平原环境，大气压力低，发动机内部燃烧情况更加恶劣，其它条件相同的情况下碳烟排放更多.为了节约试验成本，缩短碳烟加载时间，碳烟加载是在大气压力为80 kPa环境下进行的WHTC测试循环加载，满载后进行100 kPa环境下的人工控制再生.

图2 试验台架布置示意图Fig.2 Schematic diagram of test bench

图3 DPF温度测点布置图Fig.3 Temperature measurement locations layout

表2 发动机主要技术参数Tab.2 Main specifications of test engine

表3 主要试验设备Tab.3 Main test equipment

通过称重的方法研究DPF碳烟加载量随加载循环次数的变化规律，并通过该方法确认DPF是否满载.由于DPF热载体从台架上拆下后，会吸收周围空气中的水分，因此在称重环节上需注意该特性对碳烟质量的影响.称重时，采用温度枪来测量DPF载体温度，确保每次称重的温度都在200℃左右.通过称重法发现，WHTC测试循环每加载一次，DPF内所沉积的碳烟质量为1.2 g左右，因此从空载到满载阶段有经验地选取加载次数，直至最后一次称重确认DPF满载.

其最终定位，是北曲在地位排序方面应与南曲等量齐观，“譬之同一师承，而顿、渐分教；俱为国臣，而文、武异科”，惟其差异在于“北主劲切雄丽，南主清峭柔远”[17](P25)，南、北曲拥有着不同的艺术风格。这样，就从艺术审美角度审视了南、北曲的品格特征，也对长期以来“尊元”思维下形成的北曲正音观念形成了有力纠偏。

在台架控制系统通过控制排气温度达到微粒燃烧所需的温度来进行再生.微粒着火点大约在500～600℃范围内［11-12］，因此再生模型验证中，在确认碳烟满载之后，将排气温度控制在555℃来满足微粒燃烧条件而进行再生.为研究再生阶段DPF内壁面温度沿轴向中心线的分布情况，再生试验中，在距离DPF载体前端20 mm处、85 mm处和距离DPF载体后端20 mm处分别安装热电偶温度传感器，3个位置分别对应图3中标号为1、2、3的位置.

3.2 DPF再生模型验证

在DPF网格模型中所建立的测点分别距离载体入口为26 mm、84 mm和161 mm，如图3中1、2、3所示，根据仿真计算从而获得这些测点位置的壁面温度数据.最后通过对比试验测试与仿真计算所得的温度和压降数据来验证模型的准确性.

将再生试验得到的试验参数作为模拟计算的边界条件和初始条件进行仿真计算.再生试验时，DPF入口排气流量在0.032～0.039 kg／s左右内波动，为了便于仿真的计算，在DPF入口处排气流量设置为0.038 kg／s，初始碳烟浓度为0.000 01（kg PM）／（kg gas），初始满载碳烟量为7 g／L，壁面渗透率为1×10-13m2，微粒层渗透率为4.7×10-14m2，当再生时间为70 s时将入口温度从300.5℃提升到555℃后保持恒定，其余技术参数同表1一致.在DPF再生试验中，测量1、2、3位置点的温度，与此同时也测量DPF前后两端的压降损失.通过对比压降损失与3个位置的温度仿真模拟值与试验值，验证DPF再生模型的可靠性.如图4所示为DPF再生过程中压降损失模拟值与试验值对比图，图5所示为不同位置处的壁面温度模拟值与试验值的对比.

从图4得知，两者压降损失最大误差不超过5.9%，且两者压降损失变化趋势大致相同.产生误差的原因是：再生试验时，排气流量处于实时波动状态，仿真模拟时排气流量设置无法根据试验真实流量设定，因此造成两者间压降损失存在误差.从图5可以看出在提温预热阶段两者壁面温度最大误差不超过11%，且二者温度变化趋势相同.产生误差的原因是：仿真模型在依据试验获得的DPF入口排气温度数据基础上，直接将DPF入口温度在70 s内从初始温度300℃提升到555℃左右，忽略了DPF提温之前发动机处于怠速状态需要提温的阶段，且仿真测点与试验测点存在偏差（由于网格单元最小长度为0.005 9 m，仿真模型中测点的位置无法与试验布置的温度测试点位置准确对应），因此壁面温度的模拟值与试验值误差相对较大，但1、2、3位置处试验与仿真的壁面温度随时间变化趋势大致相同，且试验测试点1两者壁面温度峰值最大误差不超过2.4%，因此所建的DPF再生仿真模型具有一定可靠性，可用来做下一阶段再生过程仿真研究.

图4 压降损失模拟值与试验值对比Fig.4 Comparison of computational and experimental results of pressure drop

图5 壁面温度模拟值与试验值对比Fig.5 Comparison of computational and experimental results of substrate temperature

4 DPF再生仿真研究

为研究DPF再生过程中沿轴向和径向上不同位置处壁面温度分布特性和碳烟沉积分布特性，在仿真模型中建立研究区域测点如图6所示.这些测点位置分别为：轴向中心线位置x＝26 mm、x＝84 mm和x＝161 mm，即DPF前端位置1、中间位置2和后端位置处3；径向位置处：y＝7 mm、y＝30.2 mm和y＝60.5 mm，即DPF入口截面沿径向方向上中心轴心4、远离中心轴线位置5、靠近边缘位置6，将它们的三维计算结果导出，得到不同轴向／径向位置处DPF壁面温度场分布和碳烟颗粒物燃烧分布随再生过程的变化规律.在基本满载条件下（初始微粒沉积量为7 g／L）开始再生，假设微粒沉积均匀分布，再生时间为1 000 s，DPF入口初始温度为300.5℃，在70 s左右将DPF入口温度提升到555℃左右，之后恒定在555℃开始再生.

图6 研究单元区域Fig.6 Specific study units of DPF

4.1 DPF内部温度分布特性

DPF再生过程中，壁面温度沿轴向和径向方向上分布情况分别如图7（a）和7（b）所示.从图中7（a）可知：提温预热阶段，壁面温度急剧上升；燃烧初期，壁面温度继续提升达到峰值后急剧下降，燃烧后期下降平缓.提温预热阶段，轴向方向上不同位置处的壁面温度同时升高，DPF前端壁面温度升高速率最大，后端壁面温度升高速率最小.碳烟燃烧初期，沿轴向方向各点温度相继达到峰值，随后依次急剧下降，且越靠近DPF后端，壁面温度峰值就越大.DPF前端、中间、后端位置处壁面峰值温度分别为830.62 K、836.22 K、844.11 K.在燃烧后期，不同轴向位置处的壁面温度下降平缓，最终逐渐趋于一致，越靠近后端，壁面温度下降速率越缓慢.这是由于DPF处于预热提温阶段时，随着热量的传递，轴向方向上不同位置处的壁面温度随入口温度的升高相继逐渐升高，且DPF前端位置处因靠近入口最先被加热，壁面温度升高速率最快.燃烧初期，当壁面温度升高到微粒着火点时，由于DPF前端壁面温度最先达到微粒着火点，前端少部分颗粒最先参与氧化反应，释放热量，导致前端大量碳烟颗粒参与燃烧，释放更多的热量，温度急剧升高，达到峰值.释放的热量通过对流与辐射作用向后端传递形成热量的累积，沿着轴向方向上壁面温度峰值相继升高，越靠近DPF后端，壁面温度峰值越大，且由于DPF进气通道节流作用，各点达到峰值温度时间间隔较短；当大量沉积的微粒被燃烧殆尽，不同位置处的壁面温度下降，越靠近DPF后端，壁面温度下降速率越慢.燃烧后期，还存在着少量的微粒参与氧化反应，壁面温度下降平缓，但仍高于进气温度，且由于释放的热量被传递到后端，所以后端壁面温度较高，DPF前端壁面温度较低，但最终逐渐趋于一致.

图7 DPF壁面温度沿轴向和径向变化情况Fig.7 Variation of substrate temperature along axial／radial direction

4.2 DPF内部碳烟沉积量变化

DPF再生过程中，微粒沉积量沿轴向和径向方向上分布情况分别如图8（a）、8（b）所示.从图中可以得知：在提温预热阶段，微粒沉积量变化不明显；燃烧初期碳烟量急剧下降，后期下降速率平缓.在燃烧初期，沿轴向方向上的微粒沉积量依次急剧下降，越靠近DPF前端，微粒越早参与氧化反应，沉积微粒越先下降，且沿着轴向方向上微粒沉积量下降速率越快，但越靠近后端剩余微粒沉积量越大.燃烧后期，各位置处的碳烟沉积量均缓慢下降直至再生结束，越靠近后端微粒沉积量越少.这是由于提温预热阶段，微粒还未参与氧化反应，所以微粒沉积量变化不明显.燃烧初期时，DPF前端壁面温度最先达到微粒着火点，少量碳烟先燃烧释放热量，释放的热量累积导致大量碳烟参与燃烧，所以前端沉积的碳烟量首先急剧下降，释放的热量沿着轴向方向上传递，使得后续观测点处温度依次达到微粒着火点，所以沿着轴向方向上微粒沉积量依次急剧下降，且壁面温度依次达到峰值.由于越靠近DPF后端累积的释放热量越高，导致越靠近后端微粒沉积量下降速率越大.因此，在燃烧后期，温度虽然降低但仍高于进气温度，仍有少量的颗粒物燃烧，微粒沉积量缓慢减少直至再生结束，且DPF后端壁面温度高于中间位置，相较之下，前端剩余微粒沉积量较多，越靠近后端剩余微粒沉积量越少.

图8 微粒沉积量沿轴向／径向变化情况Fig.8 Variation of particulate deposition along axial／radial direction

从图8（b）可以得知，燃烧初期，沿着径向方向上的微粒沉积量均急剧下降，燃烧后期下降速率缓慢，且越靠近径向边缘，颗粒物沉积量下降速率越小.7 mm与30.2 mm处的颗粒物沉积量下降速率相比差异不太明显，但60.5 mm位置处的下降速率明显较小.从图中还可以看出沿着径向方向上不同位置处微粒沉积量下降的时间间隔非常短，几乎同时下降.径向60.5 mm位置处产生差异的原因是由于在径向方向上，当颗粒物达到着火点燃烧后，颗粒物沉积量急剧减小，释放的热量沿径向方向传递损失较多，越靠近径向边缘位置接收到的热量越少，使得边缘剩余微粒沉积量较大.因此DPF前端径向边缘位置处会存在着燃烧不完全现象.

5 DPF再生过程敏感性分析

在DPF再生反应过程中，入口温度、排气氧含量、初始碳烟量、微粒沉积分布类型都会影响再生的进行［13-16］.为了进一步探究上述四个因素对DPF再生特性的影响，本文采用正交试验设计方案来进行研究.由于在DPF实际碳烟加载过程中，DPF内微粒分布多呈“凹形”分布，因此在假设微粒分布类型呈“凹形分布”的基础上设计正交计算方案.计算方案以入口温度、排气氧含量和初始碳烟量为三个因素，每个因素取三个水平.再生过程中选择壁面温度峰值、压降损失峰值及剩余的微粒沉积量作为评价指标.壁面温度峰值代表着载体再生时所受到的热冲击与热载荷，是载体承受的最高温度；压降损失峰值代表着载体在提温阶段是否会超过排气背压允许值；同等再生时间内所剩余的微粒沉积量代表着再生效率和再生频率的好坏，因此在计算过程中，将这三个值作为评价指标.按照正交设计原则设计的9个正交计算方案及其结果如表4所示.

表4 再生特性影响因素的正交试验计算结果Tab.4 Computational results of the influencing factors of regeneration characteristics by orthogonal experiments

续表4

从表4正交试验计算结果可以看出：对再生后所剩余的微粒沉积量影响最大的是入口温度，其次是排气氧含量，最小的是初始碳烟量.再生过程中相同的再生时间内，微粒剩余量越少，说明再生效率越高，更加有利于再生.对于减少微粒剩余量的最佳取值依次分别是相同时间内入口温度提升到600℃、排气氧含量为11%、初始碳烟量为7 g／L.在前述三个再生影响因素研究中，对壁面温度峰值的影响从大到小依次为入口温度、排气氧含量、初始碳烟量.再生过程中，DPF末端壁面温度峰值最大，因此为了防止末端峰值温度过高，三个因素的最佳组合分别为在同等时间内将入口温度提升到530℃、排气氧含量为5%、初始碳烟量为5 g／L.初始碳烟量对DPF再生时峰值压降损失影响最大，其次是入口温度，排气氧含量对压降损失峰值影响最小.在碳烟未大量迅速燃烧前，压降损失在提温阶段有一个急剧上升的过程.而压降损失过大会带来排气背压过大，影响发动机燃油经济性和动力性，因此为了减小压降峰值的最佳组合方案为入口温度530℃、排气氧含量11%、初始碳烟量5 g／L.

图9为不同因素对DPF再生时剩余微粒总量、壁面温度峰值、压降损失峰值三个评价指标的影响趋势.从图中可知，对剩余微粒总量影响最大的是入口温度.剩余微粒总量随入口温度的提高而急剧减少；随着排气氧含量的增加，再生结束时总的微粒剩余量减少；初始碳烟量对剩余微粒总量影响不规律.对于再生时DPF末端壁面温度峰值影响最大的因素是入口温度.随入口温度的增加，壁面温度峰值依次增大；随着排气氧含量的增加，壁面温度峰值依次增大；初始碳烟对壁面温度峰值的影响最小，随着初始碳烟量的增加，壁面温度峰值依次略微增大.对于再生时DPF压降损失峰值影响最大的因素是初始碳烟量.随着初始碳烟量的增加，压降损失峰值依次增大；随着入口温度的增加，压降损失依次增大；随着排气氧含量的增大，压降损失峰值依次减小.

图9 不同因素对DPF再生特性的影响Fig.9 Effects of different factors on the regeneration characteristics of DPF

综上所述，DPF再生过程中，入口温度、排气氧含量的增加能有效地提高再生效率，但入口温度的提高会使得末端壁面温度峰值过高；同时再生频率增加，达到壁面温度峰值的时间缩短，受到的热冲击也增大，会导致DPF使用寿命缩短.因此将排气氧含量一定的条件下，控制入口温度在合适的范围内进行再生比较合理；在碳烟满载时进行再生，能减少再生频率，但压降损失过高容易导致排气背压过高，同时会使得末端壁面温度峰值过高而烧毁DPF，因此尽量控制DPF碳烟加载量达到合理范围内进行再生.