载体配比及灰分对DPF压降及内部流场的影响

2022-01-25陈贵升彭益源张思泽李耀平

内燃机学报 2022年1期

陈贵升，贺如，李青，彭益源，张思泽，李耀平

(1. 昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，云南昆明 650500；2. 昆明云内动力股份有限公司，云南昆明 650501；3. 云南云内动力机械制造有限公司，云南昆明 651700)

柴油机因其热效率高、经济性好和功率输出范围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]．其尾气中的NOx和颗粒物(PM)严重危害人类生存环境和健康，国Ⅵ阶段排放法规的颁布对柴油机排放提出了更高的要求，降低柴油机的颗粒排放是柴油机研究的重要课题之一[2]．柴油机颗粒捕集器(DPF)被公认是目前最有效的颗粒净化后处理技术[3]，捕集效率可达90%以上[4]．随着DPF工作过程中捕集的碳烟不断积累，会提高发动机排气背压，影响发动机及DPF性能，需要通过连续性被动或主动再生方式清除碳烟，以保证发动机及DPF正常工作．目前催化型颗粒捕集器(CDPF)能降低碳烟反应活化能，在工程应用中最为普遍．但碳烟在DPF内部沉积具有不均匀性，探究DPF内部流场及碳烟沉积迁移规律，针对其规律以优化设计催化剂涂覆方案，以期提高其被动再生效率是当下的研究热点．DPF压降特性实质为颗粒沉积过程，而DPF流场压降及颗粒沉积特性则直接决定了DPF的捕集效率[5]．定义载体配比为DPF体积与发动机排量之比，增加载体配比是提高捕集效率的途径之一，综合考虑载体性能与制造成本，优化载体配比具有研究的必要性．

目前，国内外学者对于DPF的研究大多集中在载体材料、孔密度、壁面孔隙率及孔道形状等对DPF压降和捕集效率的影响[6-8]．Wang等[9]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．孟忠伟等[10]分析了载体材料对DPF压降的影响，表明压降大小与载体材料、孔隙率和中值孔径有关．朱亚永等[11]研究了排气流量、进口温度等对颗粒沉积特性的影响，结果表明沿轴向方向颗粒沉积量呈先减小后增大的趋势．李志军等[12]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．

综合国内外学者的研究发现，针对DPF配比及灰分分布特性对DPF内部流场及颗粒迁移特性影响的研究较少．笔者通过数值模拟的方法研究了载体配比及灰分分布系数对DPF压降特性的影响，并对该数学模型进行了试验验证；此外，对载体配比也进行了优化，研究了载体配比及灰分分布系数对DPF孔道内部流动及颗粒沉积迁移的影响规律．为DPF的结构优化设计及载体催化剂分区优化涂覆提供了科学理论依据，以期提高DPF开发设计效率．

1 试验台架及模型介绍

1.1 试验装置和方法

通过搭建D30 TCI柴油机加装氧化催化器(DOC)和DPF的试验台架见图1，进行了3种不同DPF的压降特性试验，表1为柴油机相关技术参数．

表1 柴油机主要参数 Tab.1 Main parameters of diesel engine

图1 柴油机加装DOC和DPF试验台架 Fig.1 Diesel engine with DOC＋DPF test bench

试验测试设备主要包括水涡测功机、流量计、烟度计、温度及压力传感和高精度电子称重仪等相关设备，具体规格如表2所示，温度传感器分别分布在DOC前、DPF前以及DPF后端，压力传感器分别测试DPF的两端压力，温度压力数据的采集通过GPS实现同步记录．

表2 试验测试设备 Tab.2 Test equipment

为研究碳载量对DPF压降的影响．首先在精密电子秤上称量载体的初始重量，为防止载体吸收水蒸汽引起误差，将DPF在热态条件下称重(热重)，碳烟加载试验在转速为1400r/min、转矩为105N·m工况下进行，将DPF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．积碳试验结束后，将载体质量与初始载体质量作差得到碳烟质量，碳烟质量与载体体积之比为碳载量，分别将各载体碳烟累积到2、4和6g/L后，进行后续试验．

1.2 一维模型构建及验证

研究所用DPF均采用壁流式碳化硅载体，该材料具有耐高温、热膨胀系数小及抗疲劳等优点，其相关技术参数如表3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做理论假设为：忽略胶黏区域，载体视为绝热材料[13]；将排气视为理想气体[14]，所有排气颗粒物粒径相同且分布均匀[15]．

表3 各方案载体技术参数 Tab.3 Technical parameters of each scheme

排气从DPF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、惯性碰撞和扩散拦截等方式将颗粒物捕集[16]．排气在DPF孔道内满足质量守恒、动量守恒和能量守恒，如式(1)～(3)所示．

式中：c、ρ、p和F分别表示进口截面的的流体流速、密度、压力和管截面积；ƒ为摩擦系数；q为单位质量流体的传热率；D为当量直径，D＝

模型可靠性验证时DPF碳载量设置为2g/L，边界条件设置为1000～2400r/min、75%负荷下的DPF入口状态．图2为不同入口条件下模型验证，所有工况点的模拟值与试验值趋势一致，且误差较小，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 Fig.2 Model validation under different entry conditions

1.3 捕集效率数学模型的建立

在深床捕集阶段，壁面的孔隙率随着每一层的碳烟沉积不断发生变化[17]．碳烟层和灰分层的动态变化将直接影响DPF的捕集效率，为此建立了碳烟层和灰分层的捕集效率模型[18]．

Esoot为碳烟层捕集效率模型，公式为

Eash为灰分层捕集效率模型，公式为

式中：DRη为捕集单元捕集效率；sootε 为碳烟层孔隙率；ashε 为灰分层孔隙率；sootw 为碳烟层厚度；ashw 为灰分层厚度；cd为捕集对象的直径．

1.4 DPF 1/4微观孔道模型构建及验证

因DPF结构复杂，通过试验手段不易观察了解其内部流场及颗粒沉积特性，而通过构建颗粒捕集器1/4微观孔道模型可以研究其内部工作状态．基于表3中DPF载体构建1/4进/出口孔道的三维模型如图3所示，载体有灰分沉积时只需改变模型几何尺寸即可得到．

图3 DPF 1/4孔道模型及网格模型 Fig.3 DPF 1/4 channel model and grid model

模型将颗粒视为稀疏的离散相，忽略粒子间的相互作用及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)公式为

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方向的其他作用力；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和a3均为1013．

通过调整相关参数对模型进行可靠性验证，根据后处理装置排气直管的直径为73mm，通过计算得出颗粒入场速度为38m/s，均匀进入进气孔道，相关技术参数见表4．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掉传热和化学反应过程．图4为进/排气孔道中心线压力及速度模拟值与文献值对比．模拟值与文献[19]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见文献[20—21]．

表4 流动模型相关设置参数 Tab.4 Parameters of flow model

图4 进/排气孔道中心线压力及速度模拟值与文献值对比 Fig.4 Comparison between simulated values of inlet and outlet orifice pressure and velocity and those in literature

2 试验结果分析

图5为转速及碳载量对不同载体压降的影响．随着转速的升高，3种载体的压降均升高，0.310个/mm2载体压降高于0.465个/mm2载体且增幅更为明显，增加碳载量，两载体的压降差值增大，即碳载量对低孔密度载体压降的影响更明显；碳载量低于4g/L时，非对称孔结构载体的压降略高于对称孔载体；增加碳载量，DPF压降增大，但非对称孔结构载体压降低于对称孔结构载体．在2400r/min、100%负荷时，非对称孔结构载体与对称孔结构载体的压降交点对应的碳载量为4.69g/L，说明非对称孔结构载体在高碳载量时压降特性更优．

图5 碳载量和转速对载体压降的影响 Fig.5 Effects of soot load and speed on pressure drop of carrier

3 载体配比对DPF压降及捕集效率的影响

3.1 灰分分布系数对DPF性能的影响

灰分在DPF内部分布主要包括两种形态，即附着在过滤壁面的层状分布和堆积在进口孔道末端形成的灰分堵头[22]．基于灰分在DPF内部的此类分布现象，定义灰分分布系数θ(θ＝mash_layer/mash_all)为载体内层状灰分占总灰分的质量分数，研究灰分分布系数对DPF压降特性和捕集效率的影响．模型计算的边界条件见表5．

采用表3中方案1载体，设置载体中的单位灰分量为22g/L，进行不同灰分分布系数对DPF压降及捕集效率影响的研究．图6a为灰分分布系数对压降的影响，随着灰分分布系数增加，不同碳载量下DPF压降均上升；灰分分布系数小于0.6时，压降随灰分分布系数的增加基本呈线性增加，随着灰分分布系数的继续增大，DPF压降上升趋势呈二次方形式，碳载量的增加会增大此效应．DPF压降随灰分分布系数的变化规律表明，层状灰分对压降的贡献多于灰分堵头．这是因为分布在壁面的层状灰分增大了气流穿过壁面过滤阻力，灰分层压降上升，虽然灰分堵头降低了孔道流通长度，但其降低的过滤长度有限，因而对DPF压降的影响效果较小．图6b为灰分分布系数对DPF捕集效率的影响，随灰分分布系数增加，分布在壁面的层状灰分增加，层状灰分对碳烟颗粒的捕集作用提升，捕集效率增加．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，主要靠深床的捕集作用，捕集效率大大降低．

图6 灰分分布系数对压降和捕集效率的影响 Fig.6 Effects of ash distribution coefficient on pressure drop and collection efficiency

3.2 载体配比对DPF压降和捕集效率的影响

载体配比对控制发动机排放十分重要，配比太小会导致排气背压较高，载体容纳灰分能力较差，造成再生频繁，导致油耗增加；配比太大又会提高制造成本，因而研究配比对DPF性能的影响是十分必要的．采用表3中方案1载体的基础参数，通过扩展长度的方式来得到不同配比的载体见表6，以研究载体配比对DPF压降及捕集特性的影响．

表6 不同DPF配比载体参数 Tab.6 Carrier parameters of different DPF ratios

图7示出总灰分量分别为0g、101.2g及灰分分布系数为0.3时不同配比对DPF压降特性的影响．无灰分量时，4种配比载体的压降均随着碳烟质量的增加而增大，且DPF配比越小其压降增幅越明显；灰分沉积量的增加提高了DPF压降，且配比越小，DPF压降上升更快．配比增大，载体容纳灰分能力增强，压降下降，且随着碳烟质量增加，配比对载体压降的影响更加明显．

图7 不同配比对DPF压降的影响 Fig.7 Effects of different ratios on DPF pressure drop

图8a所示碳烟质量为0g时DPF主要依靠深床的作用来捕集颗粒，捕集效率偏低；随着碳烟质量增加，DPF的捕集效率上升，当碳烟质量达到6g时，捕集效率随碳烟质量的增加基本无变化．但配比越大，捕集效率越高，且灰分加载不影响配比对载体捕集效率的影响规律．这是由于随着配比的增大，载体的有效过滤面积更大，其捕集效率更高．

图8 不同配比对DPF捕集效率的影响 Fig.8 Effects of different ratios on DPF collection efficiency

柴油机对载体体积的选择需综合考虑性能和成本两个方面因素，配比太小无法满足性能要求；配比太大制造成本增加．早期对DPF的配比选择要求高捕集效率和低背压，但随着工程开发的深入，DPF反而需要适当增加背压以提高原机排气温度，为DPF被动再生提供合适的温度窗口．综合各方面因素，载体的配比通常为1.2～1.5．

3.3 载体孔密度对DPF压降和捕集效率的影响

选择表3中方案1和方案2载体对比研究孔密度对DPF压降和捕集效率的影响．图9a为载体孔密度对DPF压降的影响，0.465个/mm2载体的压降均低于0.310个/mm2载体，尤其是在单位灰分量高于33.0g/L及碳载量较大的情况下效果更加明显．这是由于0.465个/mm2载体的过滤壁面壁厚与灰分层厚度较0.310个/mm2载体更薄，载体的孔道容积更大，流通面积增加．图9b为载体孔密度对DPF捕集效率的影响，在不同单位灰分量的情况下，0.465个/mm2载体的捕集效率均略低于0.310个/mm2载体．

图9 载体孔密度对DPF压降和捕集效率的影响 Fig.9 Effects of mesh number of carrier on DPF pressure drop and collection efficiency

4 DPF孔道内流动特性的数值模拟

4.1 灰分分布系数对DPF孔道内流动的影响

灰分沉积对DPF压降和捕集效率具有较大的影响，通过构建DPF孔道的1/4模型从微观角度研究了灰分分布系数对DPF孔道内气流运动的影响，模型计算的边界条件与3.1节相同．

图10为不同灰分分布系数条件下DPF孔道内气流速度分布．在无灰分加载时，DPF进口孔道中心速度沿轴向方向减小，出口孔道中心速度沿轴向逐渐增大，在孔道末端气流速度达到60m/s，并高于进口速度．单位灰分量为22g/L时，随着灰分分布系数的增加，能量损失增大，出口孔道末端的气流速度降低．无灰分时，由于过滤壁面的摩擦力以及流体内部黏性力的作用，进口孔道内的气流沿孔道从前往后逐渐下降；单位灰分量为22g/L时，灰分分布系数增大，层状灰分厚度增加，气流通过壁面的压力损失增加，气流速度减小．

图10 碳载量为6g/L和单位灰分量为22g/L时不同灰分分布系数对DPF孔道内气流速度的影响 Fig.10 Effects of different ash distribution coefficients on airflow velocity in DPF channels when soot load is 6g/L and ash component is 22g/L

图11所示不同灰分分布系数下孔道轴向方向上颗粒浓度分布均呈现前少后多的不均匀性．这是因为沿孔道轴向方向，气体流速降低，碳烟在DPF孔道后端较容易被捕集沉积．有灰分沉积时，颗粒浓度分布较均匀，在靠近灰分堵头时达到最大．增加灰分分布系数，壁面分布的层状灰分增加，灰分堵头长度减小，过滤长度增加，DPF整体的捕集效率提升．无灰分时，虽然孔道过滤长度最大，但壁面过滤作用差，降低了过滤效率．

图11 不同灰分分布系数对孔道内颗粒浓度分布的影响 Fig.11 Effects of different ash distribution coefficient on particle movement concentration distribution in channel

4.2 不同配比DPF孔道内气流运动分析

针对不同配比DPF孔道内气流的运动分析，所采用的载体参数如表6所示．图12所示总灰分量为0g、碳烟质量为27.6g时不同配比DPF进/出口孔道中心的压力与气流速度对比．进口孔道中心压力沿轴向增大，气流速度沿轴向方向先略增大再急剧降低至0．配比越小，载体进口孔道中心压力越高，其气流速度下降更快．出口孔道中心压力沿轴向方向减小，气流速度沿轴向方向增大．配比越小，出口孔道中心压力越小，出口孔道中心气流速度上升更快．这是由于在碳烟质量相同时，载体的配比越小，载体的碳烟层厚度增大，气流通过碳烟层的压力损失更大．

图12 总灰分量为0g时不同配比对进/出口孔道压力与气流速度的影响 Fig.12 Effects of different ratio on inlet and outlet pressure and airflow velocity when the total ash content is 0g

图13所示总灰分量为101.2g、灰分分布系数为0.3及碳烟质量为27.6g时不同配比DPF进/出口孔道中心的压力与气流速度对比．因较小配比载体的有效过滤长度短，其进口孔道压力及气流速度更快下降为0；出口气流速度也更快上升到最大值，但出口气流速度的最大值随着配比的减小而降低．

图13 总灰分量为101.2g时不同配比对进/出口孔道压力与气流速度的影响 Fig.13 Effects of different carrier ratio on inlet and outlet pressure and airflow velocity when the total ash content is 101.2g

图14所示总灰分量为0g时不同配比DPF进口孔道内颗粒浓度分布．配比越大，进口孔道内颗粒浓度越大，说明捕集效率越高．

图14 总灰分量为0g时不同配比对DPF进口孔道内颗粒浓度分布的影响 Fig.14 Effects of different carrier ratio on particle concentration distribution in DPF inlet channel when the total ash content is 0g

图15所示总灰分量为101.2g、灰分分布系数为0.3时不同配比DPF进口孔道内颗粒浓度分布．较小配比载体的进口孔道有效过滤长度内颗粒浓度较大且分布比较均匀；随着配比的增大，载体长度增加，颗粒浓度分布前端较少、中后端较多．配比较小时，由于孔道有效过滤长度缩短，最大颗粒浓度明显下降，即捕集效率下降．有灰分沉积时，增大配比，最大颗粒浓度上升，捕集效率提高．

图15 总灰分量为101.2g时不同配比对DPF进口孔道内颗粒浓度分布的影响 Fig.15 Effects of different carrier ratio on particle concentration distribution in DPF inlet channel when the total ash content is 101.2g