不同颗粒物分布对柴油机颗粒过滤器再生性能的影响

2022-09-03钟玉伟谢夏琳

汽车与新动力 2022年4期

钟玉伟谢夏琳魏超高冉

(1. 广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537005；2.广西大学，广西南宁 530004)

0 前言

柴油机具有低燃油耗、高热效率、高稳定性和低CO排放等优点，被广泛应用于交通运输、工程机械、农业机械和发电机组等领域。柴油机运行时会排放大量的颗粒物，其排放量是具有相同功率汽油机的30～80倍，颗粒物排放不仅会对环境造成严重污染，还会对人类健康造成危害。

柴油机颗粒过滤器(DPF)被认为是颗粒物排放后处理技术中最简单有效的装置，对颗粒物的过滤效率高达95%以上。目前，DPF的通道设计仅可容纳有限的颗粒物。随着颗粒物的增加，发动机背压会逐渐升高，影响柴油机的燃油效率。为了恢复DPF的颗粒物过滤能力，通常用定期燃烧的方式来清除颗粒物，实现DPF再生。

DPF的再生技术主要有2种：① 通过添加催化剂来降低炭烟颗粒氧化温度的被动再生技术；② 通过外部能量供应来提高排气温度的主动再生技术。与被动再生技术相比，主动再生技术在再生效率、再生效果和再生稳定性等方面更具优势，因此，主动再生技术得到了广泛应用。在过滤颗粒物的过程中，废气在通道中流动时受到排气管、氧化催化器(DOC)和DPF封装等结构的影响，DPF内部的废气流场和温度场会产生一定的变化。如果DPF收集的炭烟颗粒在载体中分布不均匀，炭烟颗粒在燃烧时产生的局部高温会导致DPF载体的热应力分布不均匀，从而造成DPF损坏。因此，要研究DPF内部的炭烟颗粒分布状况，探索影响DPF在再生过程中温度场分布的相关因素，延长DPF的使用寿命。

目前，对DPF再生过程的研究大多集中在假设颗粒物为均匀分布的情况，对于颗粒物非均匀分布情况下的研究较少，相应的研究方法也多采用台架试验。由于试验仪器的局限性和发动机实际工况的复杂性，无法准确判断DPF中颗粒物分布方式对再生性能的影响。基于此，本文建立了DPF三维模型，研究了不同颗粒物分布对DPF压降、温度和再生效率的影响。

1 计算模型

1.1 三维网格模型

DPF主要由进气管路、滤芯和出气管路3部分组成。本文选用壁流式碳化硅DPF，采用AVL-FIRE软件进行模拟计算，仿真模型如图1所示。进气道和出气道的网格设置为5 mm，燃烧区域的网格设置为3 mm。DPF的结构参数见表1。

图1 DPF仿真模型

①为了符合本行业计量习惯，本文仍沿用部分非法定计量单位——编注。

表1 DPF结构参数

1.2 颗粒物分布类型

柴油机在实际运行中，工况的变化和DPF的封装结构都会造成炭烟颗粒在孔道内部分布不均匀。如图2所示，颗粒物分布类型共有7种，分别为均匀分布型(类型一)，线性递增分布型(类型二)，线性递减分布型(类型三)，两端分布型(类型四)，中间分布型(类型五)，前端均匀分布、后端线性递减分布型(类型六)和前端线性递增、后端均匀分布型(类型七)。

图2 DPF的颗粒物分布类型

2 模型验证

为了确认DPF再生模型的准确性，对数值模型进行了验证。图3为DPF再生模型仿真结果与试验结果的对比。在DPF的再生过程中，DPF内部3个特征点的温度模拟值与试验值的变化趋势一致，其相对误差值不超过5%。因此，本文所建立的再生模型可以较为准确地模拟DPF的再生过程。

图3 DPF模型仿真结果与试验结果对比

DPF再生模型求解过程中的相关参数和初始条件见表2。除了氧气外，柴油机尾气中能与颗粒物发生氧化反应的气体含量极少，可忽略不计，因此在进行模拟计算时，可以将除氧气外的其他气体组分用氮气来代替。颗粒物中发生氧化反应的物质主要是炭烟颗粒，可将单一的炭烟颗粒作为燃烧物质来代替颗粒物。本文简化了该模型的再生系统，对再生气源和颗粒物进行了简化。

表2 DPF再生模型参数

3 结果与分析

3.1 不同颗粒物分布对压降的影响

DPF再生过程中不同颗粒物分布对压降的影响如图4所示。虽然初始炭烟颗粒的沉积量相同，但由于颗粒物在DPF通道中的分布类型不同，其初始压降也不同。其中，类型一的颗粒物分布初始压降最高；类型七的颗粒物分布初始压降最低。这是由于在DPF入口处的颗粒物较少，对气体流动阻力的影响较小。随着DPF的再生，温度升高会使气体进一步膨胀，炭烟颗粒的无规则运动加剧，颗粒间碰撞概率增大，气体黏度增加，气体流动阻力增大，导致DPF压降升高。不同颗粒物的分布对DPF再生过程中的压降有较大影响。在颗粒沉积量相同的情况下，颗粒物在均匀分布情况下能够容纳的颗粒数最多，再生过程中产生的温度也更高，因此均匀分布的炭烟颗粒燃烧产生的压降最高。

图4 不同颗粒物分布对压降的影响

3.2 不同颗粒物分布对温度的影响

导致DPF被损坏的最主要因素是DPF再生过程中过高温度。温度过高容易使DPF多孔载体融化，使其丧失多孔吸附性，无法达到过滤颗粒物的目的，因此，在DPF再生过程中，研究不同颗粒物分布引起的温度变化至关重要。图5示出了DPF再生过程中不同颗粒物分布情况下DPF内部平均温度和峰值温度变化情况。DPF入口处颗粒物越多，导致DPF内部平均温度越高，达到峰值温度的时间也越短。随着炭烟颗粒聚集量增多，产生的温度急剧升高。越靠近DPF入口处，DPF再生时间也越短。对比类型二和类型三，当颗粒物呈线性分布时，类型三的峰值温度比类型二出现得更早，峰值温度更高。这是因为靠近DPF入口处的颗粒物越多，DPF再生的时间越短，产生的温度也越高。随着气体的流动，热量传递到DPF后半段，导致DPF的峰值温度升高。对比类型四和类型五，由于类型四在DPF入口处的颗粒物分布比类型五的多，其峰值温度出现时间更早；类型五在DPF中间位置所容纳的颗粒物数量比类型四多，其峰值温度会更高。相同的颗粒物分布类型，DPF内部峰值温度基本相同，仅是达到温度峰值的时间不同。这是由于DPF前后端颗粒物分布不均造成的，颗粒物堆积越多，且离DPF入口处越近，达到峰值温度的时间就越短，反之亦然。

图5 不同颗粒物分布对平均温度和峰值温度的影响

图6 7种分布类型颗粒物的燃烧温度场

图6为不同颗粒物分布类型在DPF各个部位及不同时段的内部温度场示意图。类型一均匀分布的颗粒物燃烧并未在一开始就产生高温，而是由流动的气体将不断积累的热量向后端传递。当燃烧至150 s时，DPF中后部产生了高温。类型二的颗粒物在燃烧至150 s时，大部分颗粒物开始燃烧；燃烧至200 s时，颗粒物在DPF滤芯末端产生了局部高温。类型三的颗粒物在燃烧至150 s时，大部分颗粒物开始发生剧烈燃烧，最高温度达1 072.2 K。类型四的颗粒物在燃烧至100 s时，DPF入口处的氧化反应已经相对剧烈，但由于DPF中间位置的颗粒物较少，其温度并未显著提升，维持原温度不变，当热量传递到DPF后半部，随着颗粒物增多，氧化反应加剧，最高温度出现在DPF末端。类型五的颗粒物在过滤器中部位置较多，氧化反应反而要吸收更多的热量，因此，最高温度出现的时间会更晚，约在燃烧至250 s时才出现。在DPF前端，类型六的颗粒物比类型七的多，类型六的颗粒物在燃烧至150 s时的燃烧速度最高，而类型七的颗粒物则在燃烧至200 s时的燃烧速度最高。

3.3 不同颗粒物分布对炭烟密度的影响

图7为DPF再生过程中不同颗粒物分布对炭烟密度的影响。假设初始炭烟质量相同，但由于DPF内颗粒物分布不均匀，不同颗粒物分布类型的初始炭烟密度也不同。

图7 不同颗粒物分布对炭烟密度的影响

图8 7种颗粒物分布类型在燃烧过程中的炭烟密度

图8示出了不同颗粒物分布类型情况下DPF内部炭烟密度随再生时间变化的情况。类型一，由于氧化反应产生的热量被气体不断地传递到DPF后端，DPF末端炭烟颗粒燃烧得更迅速、更充分，此时DPF前端的炭烟颗粒还未燃烧完成。类型二，呈线性递增分布的颗粒物类型中，在DPF末端的炭烟密度最高，为19.302 g/L。虽然DPF末端的炭烟密度更高，但DPF末端的炭烟颗粒在250 s时就已经完全燃烧，而DPF中段的炭烟颗粒在300 s时还未完全燃烧。类型三，呈线性递减分布的颗粒物类型中，DPF入口处的炭烟密度最高，但由于入口处的热量不断被排气流带走，因此炭烟颗粒在DPF入口处的燃烧最慢。类型四，呈中间分布的颗粒物类型在DPF端面位置的密度最高。当最低值处于DPF中段位置时，其在DPF入口处和出口处的炭烟密度为25.955 g/L，此时炭烟颗粒在DPF中段位置极少甚至没有。在燃烧的前200 s，DPF入口处的炭烟颗粒燃烧更迅速，但在DPF末端的炭烟颗粒燃烧速率更快，超过了入口处炭烟颗粒的燃烧速度。因为DPF入口处聚集的大量炭烟颗粒在达到再生温度时会剧烈燃烧，产生的热量被迅速传递到DPF末端，而入口处的颗粒物燃烧却未完成，导致DPF末端的颗粒物燃烧速度大幅提升，超过了入口处的炭烟燃烧速度。类型五，当颗粒物都堆积在DPF中段时，炭烟密度达到14.988 g/L，此时DPF入口处的炭烟颗粒燃烧最慢。类型六颗粒物在DPF入口处的燃烧速率最慢，而类型七颗粒物则在DPF中段的燃烧速率最慢。