基于EDEM-CFD的柴油机DPF孔道内积碳层堵塞特性研究

张 韦，孟丽苹，李泽宏，陈朝辉，白宇麒，张翔宇

·农业装备工程与机械化·

基于EDEM-CFD的柴油机DPF孔道内积碳层堵塞特性研究

张 韦，孟丽苹，李泽宏，陈朝辉※，白宇麒，张翔宇

（昆明理工大学交通工程学院，云南省内燃机重点实验室，昆明 650500）

为探究柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）内部积碳层运动引起的堵塞故障，该研究采用积碳层运动与分布可视化试验，并结合离散单元法（E-Discrete Element Method，EDEM）与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD），分别对对称、非对称（ACT）结构D型及O型3种DPF孔道内部的流场压降、积碳层运动及堵塞特性进行分析。结果表明：3种结构的DPF进气孔道中心流速相差较小，但排气孔道中心流速相差较大，ACT结构O型排气孔道的出口流速最快，比对称结构快47 m/s；ACT结构O型的静压差最大，是ACT结构D型静压差的1.4倍，是对称结构的3.3倍；在3种结构的DPF进气孔道中，90%以上的积碳层发生了运动，对称结构的堵塞最严重，在进气孔道前、中、后段均形成了堵塞；ACT结构D、O型DPF的堵塞程度较轻，在进气孔道中、后段形成堵塞，且O型堵塞情况好于D型；积碳层密度越大，堵塞位置越靠近进气孔道入口端，导致进气孔道的有效空间减少；积碳层密度越大，进气孔道内的最大堵塞密度反而减小，表明气体通过堵塞段的流通性能有所改善。相比之下，对称结构DPF的孔道堵塞虽严重，但未经碳加载时的静压差小于2.4 kPa，而ACT结构的孔道堵塞程度轻，静压差却极大，D型最高可达6.3 kPa、O型可达9.1 kPa。研究结果可为解决DPF孔道堵塞问题提供理论依据与工程指导。

柴油机；EDEM；CFD；颗粒捕集器；积碳层；堵塞特性

0 引 言

柴油机具有较强的动力性，是农业机械等非道路移动机械不可替代的动力源，但柴油机的颗粒物（Particulate Matter，PM）排放量较高，为汽油机的30～80倍[1]。颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）是目前去除PM最有效的后处理装置，PM捕集过程中的3个阶段分别为深床期、过渡期和积碳层期，每个阶段的载体压降升高程度有所不同[2]。积碳层从过滤壁面脱落后会随气流运动堵塞进气孔道，使得载体背压突增[3]，导致发动机动力性和经济性下降。载体背压是评估DPF再生时机的重要依据[4]，背压过高会导致再生间隔缩短，增加载体烧损风险。因此探究DPF进气孔道内积碳层堵塞特征对提高发动机效率、增加载体耐久性具有重要意义。

受DPF工作时内部温度高，气流速度快以及孔道结构的影响，难以直接观测孔道中沉积物的氧化及运动过程。李志军等[5-6]建立三维对称/非对称DPF孔道模型对捕集过程进行模拟研究，发现碳烟厚度增加对压降的升高有显著影响，而非对称结构有利于降低压降。为深入研究碳烟沉积过程，Du等[7]采用激光位移传感器、扫描电镜技术对DPF再生过程进行监测，发现与过滤壁面接触的积碳层表面氧化较快，堆积碳层内部氧化速率慢且氧化时间长，造成了积碳层的裂解收缩。Kameya等[8]通过自主设计的DPF局部可视化试验，观测到积碳层的详细演变过程，并发现积碳层氧化后脱离壁面向下游孔道运动。Sanui等[9]从场发射扫描电子显微镜记录的延时图像中清晰地看到积碳层与过滤壁面之间的松动接触，发现运动翻转是造成积碳层团聚堆积的主要诱因。Wang等[10]发现积碳层向下游运输过程中由于不易破碎而淤塞在进气孔道中间部位，Kamp等[11]利用断层扫描技术还发现了大量长度不等的堵塞段，占据孔道一半以上的容积。

目前关于DPF堵塞的研究大多对积碳层的局部运动过程进行了试验观察，关于特征参数及孔道结构对积碳层运动及分布的影响研究则较少。本文通过积碳层运动与分布可视化试验，结合离散单元与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）计算方法，探究发动机实际运行工况下碳积层造成的孔道堵塞与分布特性，并分析孔道堵塞的影响因素，以期为载体的优化设计和选型、DPF孔道内部催化剂涂覆方案以及通过控制载体温度、气流速度等方式促进DPF再生提供理论依据。

1 数学模型

1.1 EDEM-CFD耦合方程

本文将离散单元法（E-Discrete Element Method，EDEM）与CFD结合，求解气-固两相流场，探究积碳层在DPF进气孔道内不同空间位置的堵塞特性。由于欧拉-欧拉法更适用于求解气-固两相流问题，故本文采用该模型进行仿真模拟，-控制方程与连续性方程如下[12]：

在EDEM计算的过程中，涉及多个积碳层相互碰撞时的接触力，定义碰撞的积碳层为，被碰撞的为，因此选取DEM中的Hertz-Mindlin（无滑移）模型作为边界条件，积碳层和的法向、切向弹性系数K,xy、K,xy如下：

1.2 气相控制方程

未加载碳烟时DPF中的气相流动符合质量守恒、动量守恒定律，控制方程[13]为

2 积碳层沉积模型构建与验证

2.1 孔道结构

由于壁流式SiC材质DPF具有耐高温、耐腐蚀、导热性好、捕集效率高等优点，目前得到广泛应用。本文采用的DPF孔道结构分别为对称结构、非对称（ACT）结构D型和O型，详细参数如表1所示。

表1 DPF技术参数

上述3种DPF结构中，对称结构DPF孔道前后端交替通堵设计，载体的进、排气孔道相邻，两者孔径边长相等，前后端面如图1a所示。ACT结构的DPF同样为前后端交替通堵设计，但进/排气道孔径边长比大于1，这种结构可使进气孔道具有更大的碳烟、灰分存储空间[15]。其中，D型结构的进、排气孔道相邻，孔径边长长的为进气孔道，边长短的为排气孔道，前后端面如图1b所示；O型结构由一个孔径边长的排气孔道与相邻的3个进气孔道组成，进气孔道总数为排气孔道的3倍，前后端面如图1b所示。

图1 不同结构DPF的前、后端面

2.2 DPF孔道模型构建及验证

根据图1中虚线框的区域构建1/4孔道模型，如图2所示。EDEM计算中要求网格直径为固体颗粒直径的3～5倍[16]，因此划分的网格数量分别为对称结构1 057 471、ACT结构D型881 559及O型881 559。利用EDEM与Fluent软件进行计算，研究孔道内的流场压降、积碳层的运动分布。

采用D30高压共轨柴油机作为DPF的适配机型，发动机技术参数如表2所示。研究工况为较常用的1 200 r/min、100%负荷，此时排气质量流量为0.053 kg/s，排气温度为445 ℃。验证测试采用对称结构DPF，入口端流速为26.5 m/s，出口边界条件为压力出口。图3为进、排气孔道中心线的无量纲速度对比。模拟值与文献[17]值的误差小于3%，变化趋势一致，表明所建孔道模型能满足仿真计算要求。

2.3 积碳层沉积模型

柴油机废气中的PM被捕集后，在DPF孔道内堆积成0.03～0.2 mm[18]厚的积碳层，再生后裂解成形态各异的饼状积碳层[19-20]，如图4所示。为了便于分析，将积碳层简化为密度均匀的圆形、正方形、三角形3种基础形状[19]，均匀附着在孔道内壁面，其中DPF和积碳层的密度、泊松比等物性参数基于文献[21-25]设置，具体如表3所示。

图2 不同结构DPF的1/4孔道网格模型

表2 D30发动机技术参数

为提高计算精度，将EDEM中时间步长设置为瑞利时长的27.53%，符合5%～40%[26]的稳定计算范围，即时间步长设置为1×10-8s。Fluent中的时间步长为EDEM的整数倍，设置为1×10-5s，仿真模拟以积碳层运动后堆积到末端，或拥塞至孔道中段不再移动时结束。

图3 孔道中心线速度模拟值与文献[17]结果对比

2.4 积碳层沉积模型试验验证

由于真实DPF孔道细长狭窄，难以直接观测积碳层的运动，因此将载体孔道及积碳层按1∶40等比放大，搭建积碳层运动与分布特性试验台，用于验证数值模拟的准确性。孔道模型与积碳层的参数如表4所示，测试台架如图5所示。开始试验时，调节风机控制器使轴流风机保持在恒定转速运转，轴流风机的气流经过空气过滤器清洁后进入整流装置，得到的均匀流体流入DPF孔道模型，气流流经预先设置在过滤壁表面上的积碳层时，积碳层会跟随气流在孔道中运动。DPF孔道模型上端面设计为可抽拉式的活动端面，可通过相机拍摄积碳层的分布图像。电脑用于接收质量流量计、压差测试仪的信号并对其监测，若流量、压差值偏离预定值的3%，电脑将发出警报信号，手动解除故障后重新进行试验。

图4 积碳层的真实形态与简化模型

表3 积碳层与DPF物理参数

再生不完全时，破碎积碳层在DPF孔道内主要进行滑移、翻滚、碰撞等运动。为保证积碳层运动过程中可视化试验、数值模拟与真实孔道内运动动态一致，根据雷诺数相似原则[27]，DPF孔道模型的流速方程如下所示：

积碳层运动与分布的模拟与试验结果如图6、图7所示。正方形、圆形、三角形基础轮廓的积碳层按照图6a的初始分布排列，对其进行模拟及试验计算，积碳层运动后的分布结果如图6b所示。从图中可以看出，积碳层从初始分布到运动过程结束经历了翻滚、碰撞、滑移等运动，最终形成团聚体阻塞在孔道前段。由于试验所用轴流风机为机械装置，导致进气质量流量在小范围内（±5 L/min）波动，积碳层的各项指标差异（误差棒）均小于6.6%，可见该波动不足以改变积碳层的运动结束后的堆积状态。

通过试验结果与模拟结果对比发现：积碳层运动后的堵塞位置占比及堵塞长度占比的相对误差在5%以内，迁移率、碰撞率的相对误差分别为6.6%与5.2%，表明该模型满足积碳层的运动仿真要求。

表4 DPF孔道模型及积碳层参数

图6 积碳层运动与分布的模拟与试验情况对比

注：S为迁移率，表示在孔道内发生位移的积碳层数量占总数的百分比；Z为碰撞率，表示发生碰撞的积碳层数量占总数的百分比；K为堵塞位置占比，表示积碳层堵塞中心位置与孔道总长的比值，L为堵塞长度占比，表示堵塞长度与孔道总长的比值。

3 结果与分析

3.1 对称/非对称DPF孔道内气相流动特性分析

3种结构DPF的进、排气孔道中心线流速分布如图8a所示。可以看出，各结构DPF的进气孔道中心线流速均呈先增后减趋势，至孔道末端面时降为0；这是因为气流在进气孔道中加速运动后，由于壁面摩擦与气体黏度等阻力增大，进气孔道的流速迅速下降。而排气孔道的流速则迅速增加，充分发展后均在孔道出口处达到最大值。然而，对于不同结构的进气孔道，中心流速存在一定差异（小于10%），这种差异主要受孔径边长与排气孔道数量影响。其中，对称DPF的进气孔道中心流速稍大于ACT结构。这种差异主要是由进气孔道的孔径边长造成的，对称结构DPF的孔径边长短，流通通道窄，中心线流速就越大。而ACT结构O型进气孔道的中心流速低于同等孔径边长的D型，这是因为此时的气流速度差异主要是由排气孔道数量决定，O型DPF排气孔道数比D型少，气流受到阻碍，因此O型进气孔道的流速低。同时，在排气孔道中，中心线流速差异较大（最大差异为103%），具体表现为：ACT结构O型孔道的整体流速最快（出口处达到92.7 m/s），ACT结构D型次之（出口处达到78.7 m/s），对称结构最慢（出口处仅为45.7 m/s），且孔道后端面的中心线流速差高达47 m/s。这是由于3种结构DPF的排气孔道与进气孔道的横截面积之比（截面积比）存在差异，对称结构的截面积比（1.0）大于ACT结构D型（0.56）和ACT结构O型（0.47），截面积比越小，气体在排气孔道内压缩越严重，动压升高越快，流速就越大。

进、排气孔道中心线的静压分布如图8b所示。可以看出，3种结构的DPF中，进气孔道的中心线静压变化不明显，因为进气量基本保持在平衡状态，气流仅受到较小的沿程阻力损失；而排气孔道中的静压沿轴向呈现大幅降低至0的趋势，主要是因为排气孔道的出口端与大气相通，气流涌出所致。但不同结构DPF的进、排气孔道静压差较大，通过对比发现，ACT结构O型的静压差在孔道末端达到最大（高达9.1 kPa），是ACT结构D型静压差（6.3 kPa）的1.4倍，是对称结构（2.4 kPa）的3.3倍。这是由于孔道的截面积比由大到小为对称结构（1.0）、ACT结构D型（0.56）、ACT结构O型（0.47），截面积比越小，单位时间内气流排出阻力越大，静压差也就越大，在工程应用中具体表现为载体背压越高。

DPF进、排气孔道内部流速、静压差对积碳层的运动轨迹影响较大，具体表现为流速越大对积碳层的扰动越大，这会加剧积碳层之间的碰撞，从而导致积碳层的团聚现象越明显，而静压差越大对积碳层的推力越大，越不容易形成堵塞。因此，本文结合图8中孔道流速、静压差对不同密度积碳层的堵塞特性进行分析研究。

3.2 对称DPF孔道内积碳层的堵塞特性分析

再生不完全时，大量聚集的碳烟层会氧化、裂解，形成形态各异的积碳层。本文仅考虑再生后，从DPF过滤壁面脱落的积碳层在孔道内的运动及分布。积碳层密度受发动机排气管的气体流速、温度氛围和排放颗粒粒径等参数影响而改变。当积碳层密度变化时，积碳层与壁面之间的碰撞力、静摩擦力、滚动摩擦力均发生改变，这使得积碳层在孔道中的团聚位置发生变化，为探究积碳层密度变化产生的影响，本文选择150、350和550 kg/m3三种低、中、高积碳层密度进行仿真计算。为便于定性分析，将孔道沿轴向分为0～80、80～140和140～200 mm 3段，分别对应进气孔道的前、中、后段。

图8 不同结构DPF的孔道中心线流速及静压差对比

不同密度的积碳层在对称孔道内的分布如图9所示。由图9可知，低、中、高密度的积碳层在对称结构DPF进气孔道内部形成了多个堵塞段，且积碳层密度越大，堵塞段距离孔道入口端越近，堵塞段与入口端最近的距离为41.4 mm。这是由于积碳层密度越大其动能越大，进一步扩大了积碳层的碰撞、滑移、翻转等活动范围，同时因积碳层团聚体与壁面之间的摩擦力增大，更容易堵塞在进气孔道前段。根据堵塞位置，堵塞型式可分为孔道末端的端塞沉积和孔道前、中段堵塞沉积，实际上端塞沉积仅仅增加了进气孔道末端的堵头长度，而前、中段堵塞沉积则将孔道沿轴向分割为多个空间，这不但阻碍了气流的流通，还造成载体积碳和积灰容量大幅下降。

不同位置的局部放大堵塞状态效果如图10所示，可以观察到积碳层呈无序堆积的混乱状态。图10a中进气孔道前段的积碳层堆积密实，但未将孔道全部塞满，使得气流只能从堵塞位置上方通过，气流的流通通道变窄将进一步增大载体压降。图10b中进气孔道中段堆积的积碳层较为紧密，使得气流穿过堵塞段的流通性能极差，该现象与文献[28]的进气孔道中段扫描结果一致，如图10c。进气孔道后段的积碳层堆积如图10d所示，堵塞段既有堆积较密实的积碳层，也存在一些堆积比较松散的结构，积碳层之间存在大量空隙。这是因为进气孔道中段较密实的堵塞段严重阻碍了气流的流通，降低了后段的轴向气流速度，导致堆积相对松散，甚至在积碳层之间形成中空结构，该现象与文献[29]的扫描结果相同，如图10e所示。

为了获取DPF进气孔道内不同区域的积碳层分布情况，从孔道入口端至末端，沿轴向每隔10 mm统计积碳层数量，如图11所示，并计算该段的堵塞密度，计算公式如式（13）所示。

a. 150 kg·m-3b. 350 kg·m-3c. 550 kg·m-3

由图11可知，对称结构DPF进气孔道中，超过90%的积碳层都进行了运动，且低、中、高密度的积碳层在孔道内的堵塞段数量均达到3段以上。进气孔道后段堵塞段内的积碳层数量均为孔道前段、中段的2倍以上，堵塞段长度为孔道前段、中段的3倍以上，且距离最长的堵塞段接近20 mm。这是因为进气孔道中气流流速越快，积碳层受升力影响越大，越容易被拉起向进气孔道后段运动。同时，由于积碳层密度变化对本身质量产生了影响，其运动后的堵塞密度也发生了很大变化。低密度的积碳层除了在孔道后段堆积较为松散，堵塞密度仅48.5 /mm2，孔道内其他部分堵塞密度高达86.9 /mm2，且堵塞长度最短；中密度的积碳层在孔道中的堵塞密度在72～77 /mm2范围之间，高密度的积碳层的堵塞密度在66～71 /mm2范围之间。表明积碳层密度越大，气流对积碳层的推动力减弱，单位面积内积碳层数量减少，因此进气孔道最大堵塞密度减小。积碳层的密度是影响堵塞密度的原因之一。

图10 孔道不同位置的堵塞状态放大图与CT扫描结果

从图中还可看出，圆形、正方形、三角形轮廓的积碳层在孔道内分布相对均匀，未出现同一种轮廓大量聚集现象，这是因为在运动过程中，2个及2个以上的积碳层之间相互裹挟推动，同种形状的积碳层未能聚拢所致。

3.3 非对称DPF孔道内积碳层的堵塞特性分析

ACT结构DPF孔道的结构差异对其流场压降影响较大，进而影响积碳层在进气孔道中的碰撞及团聚过程。由3.2部分研究可知，积碳层密度为350 kg/m3时，进气孔道形成的堵塞段之间的位置差异较明显，为比较对称、ACT结构D和O型DPF进气孔道的堵塞特性差异，选取该密度的积碳层进行仿真模拟。在分析ACT结构D及O型DPF进气孔道中的堵塞特性时，积碳层密度设置为350 kg/m3。ACT结构DPF进气孔道内积碳层的分布如图12所示。D型与O型DPF进气孔道中均形成稳固的堵塞段，但O型进气孔道中形成的首个堵塞段（164.4 mm）比D型（114.8 mm）靠近后段。这是因为在相同的孔径边长下，O型DPF的进气孔道流速小于D型，使得积碳层脱离过滤壁表面运动过程中的剧烈碰撞程度减轻，同时由于O型孔道的静压差Δ2远大于D型Δ3，静压差越大，对积碳层轴向后移的驱动力越大，因此堵塞段更容易在进气孔道后段形成。

注：图中虚线为积碳层的初始分布，高于虚线的位置视为堆积密实的堵塞段。

Note: The dotted line in the figure is the initial distribution of the soot cake layer, and the position higher than the dotted line is regarded as the densely packed blockage segment.

图11 不同密度积碳层在对称孔道内的数量统计

Fig.11 Quantitative statistics of soot cake layers with different density in the symmetrical channel

图12 ACT结构DPF孔道内积碳层的分布

ACT结构D型和O型DPF孔道内积碳层的数量统计如图13所示。由于ACT孔道中的静压差较高，对积碳层的推动力增加，减少了积碳层的团聚，降低了堵塞的形成，因此D型及O型进气孔道内仅形成了2段堵塞段。同时，较高的静压推动积碳层向进气孔道后段运动，使得后段的堵塞长度相对较长，其中D型孔道后段的堵塞段长度约为中段的2倍，O型孔道的堵塞则全部出现在进气孔道后段。从图中还可看出，ACT结构的堵塞密度均小于68.1/mm2，比对称结构的最小堵塞密度（72.2/mm2）低，堵塞密度越低，气流通过堵塞段的流通性能越好，说明孔道结构是影响堵塞的原因之一。此外，ACT结构与对称结构出现相似情况，圆形、正方形、三角形轮廓的积碳层在进气孔道内分布相对均匀，未出现同种形状的积碳层大量聚集情况，进一步说明混合形状中单一形状轮廓的积碳层对分布的影响较小。

从图14中可以看出3种结构载体的堵塞分布情况。对称结构DPF内，各密度的积碳层随气流运动后，更容易在进气孔道前、中段堵塞，而ACT结构的进口孔径边长比对称结构长，进气孔道容积就越大，积碳层的自由运动空间越大，较大的静压差也使得ACT结构的堵塞靠近进气孔道后段。综上可知，同一密度的积碳层在不同类型的DPF进气孔道中运动后，对称结构的堵塞情况最为严重，ACT结构D型堵塞程度较轻，O型堵塞最轻。堵塞程度越轻载体背压增幅越小，因而越不容易出现堵塞失效故障。另一方面，堵塞程度越轻的载体有效利用空间越大，具有更高的碳烟承载性和压降包容性。在实际工程应用中，应当根据柴油机经济性需求，制定相匹配的DPF结构参数，同时采取对应的主、被动再生策略，尽可能减轻或消除孔道前、中端堵塞带来的高背压增长问题，对保障DPF的可靠性及延长其寿命有重要意义。

图13 ACT结构D型和O型孔道内积碳层的数量统计

4 结 论

本文建立了对称结构、非对称（Asymmetric Cell Technology，ACT）结构D型以及O型3种颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）孔道模型，分别对其内部气相流动、积碳层运动结束后的堵塞特性进行分析，得出以下主要结论：

1）未经碳加载情况下，3种结构的DPF进气孔道中心流速相差较小，但排气孔道中心流速相差较大，ACT结构O型的孔道出口流速最快，比对称结构快47 m/s；3种结构DPF的静压差也相差较大，ACT结构O型的静压差最大，是ACT结构D型静压差的1.4倍，是对称结构的3.3倍。

2）在3种结构的DPF孔道中，90%以上的积碳层均进行了运动，但由于孔道内部流场压降存在差异，不同型号的DPF堵塞程度不同。对于同一密度（350 kg/m3）的积碳层，对称孔道中的堵塞最为严重，在孔道前、中、后段均形成了堵塞，首个堵塞段距入口端仅41.4 mm；ACT结构的堵塞程度相对轻，在进气孔道中、后段形成堵塞，O型的首个堵塞段距入口端164.4 mm，D型114.8 mm，O型堵塞情况好于D型，O型背压增幅会更小。

3）同一结构的DPF中，高密度积碳层具有较大的运动阻力，其堵塞位置靠近孔道入口端，导致孔道有效空间减少。中密度积碳层的堵塞位置离入口端稍远，低密度积碳层离入口端最远。密度大的积碳层自身质量大，使得气流推动力减弱，孔道内的最大堵塞密度减小，气体通过堵塞段的流通性能得以改善，反之亦然。

[1] Tonetti M, Rustici G, Buscema M, et al. Diesel engine technologies evolution for future challenges[C]//Capri Nappli, Italy, SAE 13th International Conference on Engines & Vehicles, 2017.

[2] 李小华，程静峰，岳广照. 柴油机颗粒捕集器不规则六边形孔道结构压降特性研究[J]. 农业工程学报，2020，36(3)：63-70.

Li Xiaohua, Cheng Jingfeng, Yue Guangzhao. Pressure drop characteristics of irregular hexagonal channel diesel particulate filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(3): 63-70. (in Chinese with English abstract)

[3] Fukui R, Okamoto Y, Nakao M. Experimental analysis of sudden pressure increase phenomenon by real-time internal observation of diesel particulate filter[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2016, 138(10): 102803-102807.

[4] 谭丕强，王德源，楼狄明，等. 农业机械污染排放控制技术的现状与展望[J]. 农业工程学报，2018，34(7)：1-14.

Tan Piqiang, Wang Deyuan, Lou Diming, et al. Progress of control technologies on exhaust emissions for agricultural machinery[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 1-14. (in Chinese with English abstract)

[5] 李志军，侯普辉，焦鹏昊，等. DPF孔道内流场及微粒沉积特性的数值模拟[J]. 天津大学学报（自然科学与工程技术版），2015，48(10)：914-920.

Li Zhijun, Hou Puhui, Jiao Penghao, et al. Numerical simulation for flow and soot accumulation in the channels of diesel particulate filter[J]. Journal of Tianjin University (Science and Technology), 2015, 48(10): 914-920. (in Chinese with English abstract)

[6] 陈贵升，贺如，李青，等. 载体配比及灰分对DPF压降及内部流场的影响[J]. 内燃机学报，2022，40(1)：71-79.

Chen Guisheng, He Ru, Li Qing, et al. Effects of carrier ratio and ash distribution on DPF pressure drop and internal flow field characteristics[J]. Transactions of Chinese Society for Internal Combustion Engines, 2022, 40(1): 71-79. (in Chinese with English abstract)

[7] Du Y H, Meng Z W, Fang J, et al. Characterization of soot deposition and oxidation process on catalytic diesel particulate filter with ash loading through an optimized visualized method[J]. Fuel, 2019, 243: 251-261.

[8] Kameya Y, Lee K O. Soot cake oxidation on a diesel particulate filter environmental scanning electron microscopy observation and thermogravimetric analysis[J]. Energy Technology, 2013, 1(11): 695-701.

[9] Sanui R, Hanamura K. Scanning electron microscopic visualization of bridge formation inside the porous channels of diesel particulate filters[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2016, 9(3): 725-733.

[10] Wang Y, Obuchi Y, Zhang J, et al. Experiments and analyses on stability/mid-channel collapse of ash-deposit wall layers and pre-mature clogging of diesel particulate filters[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2019.

[11] Kamp C J, Bagi S, Wang Y. Phenomenological investigations of mid-channel ash deposit formation and characteristics in diesel particulate filters[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2019.

[12] 王帅. 流化床内稠密气固两相反应流的欧拉-拉格朗日数值模拟研究[D]. 杭州：浙江大学，2019.

Wang Shuai. Eulerian-Lagrangian Simulation of Dense Reactive Gas-Solid Flows in Fluidized Beds[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[13] 张新卓. 异型粗颗粒管道输送流态及动力学特性研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2019.

Zhang Xinzhuo. Study on the Flow Regimes and Dynamics Performance of Heteromorphic Coarse-Grain in Pipeline Transportation[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)

[14] Shaheed R, Abdolmajid M, Hossein K G. A comparison of standard k-ε and realizable k-ε turbulence models in curved and confluent channels[J]. Environmental Fluid Mechanics, 2019, 19(2): 543-568.

[15] Sappok A, Wong V. Ash effects on diesel particulate filter pressure drop sensitivity to soot and implications for regeneration frequency and DPF control[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2010, 3(1): 380-396.

[16] Wang S, Luo K, Hu C, et al. CFD-DEM study of the effect of cyclone arrangements on the gas-solid flow dynamics in the full-loop circulating fluidized bed[J]. Chemical Engineering Science, 2017, 172(1): 199-215.

[17] Zhang X, Tennison P, Ruona W. 3D numerical study of pressure loss characteristics and filtration efficiency through a frontal unplugged DPF[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2010, 3(1): 177-193.

[18] Shi Y, Cai Y, Fan R, et al. Characterization of soot inside a diesel particulate filter during a nonthermal plasma promoted regeneration step[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 150(1): 612-619.

[19] Srilomsak M, Hanamura K. Time-lapse visualization of shrinking soot in diesel particulate filter during active regeneration using field emission scanning electron microscopy[J]. Journal of Microscopy, 2020, 279(2): 85-97.

[20] Choi S, Oh K C, Lee C B. The effects of filter porosity and flow conditions on soot deposition/oxidation and pressure drop in particulate filters[J]. Energy, 2014, 77: 327-337.

[21] Stobbe P, Petersen H G, Høj J W, et al. SiC as a substrate for diesel particulate filters[J]. SAE Transactions, 1993, 102: 2151-2165.

[22] Wurzenberger J C, Kutschi S, Nikodem A. Ash transport and deposition, cake formation and segregation a modeling study on the impact of ash on particulate filter performance[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2019.

[23] Bensaid S, Marchisio D L, Fino D. Numerical simulation of soot filtration and combustion within diesel particulate filters[J]. Chemical Engineering Science, 2010, 65(1): 357-363.

[24] Versaevel P, Colas H, Rigaudeau C, et al. Some empirical observations on diesel particulate filter modeling and comparison between simulations and experiments[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2000.

[25] 王忠，李游，张美娟，等. 柴油机排气阶段颗粒碰撞过程动力学特征分析[J]. 吉林大学学报（工学版），2021，51(1)：39-48.

Wang Zhong, Li You, Zhang Meijuan, et al. Analysis on particle collision dynamics parameters in diesel exhaust stage[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2021, 51(1): 39-48. (in Chinese with English abstract)

[26] 王国志，谭元文. 基于FLUENT-EDEM耦合的吸尘罩结构优化设计[J]. 真空科学与技术学报，2020，40(10)：996-1001.

Wang Guozhi, Tan Yuanwen. Design optimization of suction hood for subway tunnel cleaning vehicle: A simulation and theoretical study[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2020, 40(10): 996-1001. (in Chinese with English abstract)

[27] 许艳芝，朱惠人，郑杰. 克努森数在微尺度相似流动特性研究中的作用[J]. 航空动力学报，2013，28(8)：1752-1758.

Xu Yanzhi, Zhu Huirren, Zheng Jie. Effect of knudsen number on microscale similar flow characteristics[J]. Journal of Aerospace Power, 2013, 28(8): 1752-1758. (in Chinese with English abstract)

[28] Kamp C J, Bagi S, Wang Y. Phenomenological investigations of mid-channel ash deposit formation and characteristics in diesel particulate filters[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2019.

[29] Sappok A, Wang Y, Wang R Q, et al. Theoretical and experimental analysis of ash accumulation and mobility in ceramic exhaust particulate filters and potential for improved ash management[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2014, 7(2): 511-524.

Blockage characteristics of soot cake layers in the DPF channel of diesel engine based on EDEM-CFD

Zhang Wei, Meng Liping, Li Zehong, Chen Zhaohui※, Bai Yuqi, Zhang Xiangyu

(,,,650500,)

Blockage failure can be caused by the motion of the soot cake layer in the Diesel Particulate Filter (DPF). In this study, the motion and distribution of the soot cake layer were visualized to combine the E-Discrete Element Method (EDEM) with Computational Fluid Dynamics (CFD). An analysis was made on the flow field pressure drop, soot cake layer motion, and blockage characteristics inside the symmetric, asymmetric cell technology (ACT) D type and O type DPF channels. The results show that there was a small velocity difference between the inlet channel centers of the above three types of DPF. By contrast, a large difference was found in the flow velocity between the centers of the exhaust channel. Among them, the fastest flow velocity was at the outlet of the channel of the ACT structure O type, whereas, the slowest of the symmetrical structure was a difference of 47 m/s. The differential static pressure of different models of DPF also varied widely at the same time. The largest difference was observed in the static pressure of ACT structure O type, which were 1.4 and 3.3 times those of D type and the symmetric structure. More than 90% of the soot cake layer was migrated in the three types of DPF inlet channels. The most serious blockage was in the symmetric channel, with the blockage segments formed in the front, middle and back sections. The nearest distance was 41.4 mm between the blockage segment and the inlet end. The ACT structure D/O type DPF presented a relatively light blockage, where the blockages were formed in the middle and back sections of the inlet channel. Among them, the blockage was closer to the back end in the O type channel. The blockage segment was separated from the entrance 164.4 mm away from the inlet, which caused the smaller back pressure to increase. In the same type of DPF, the 550 kg/m3high-density soot cake layer presented a greater resistance to exercise, and the blockage segment was located close to the inlet end of the inlet channel, resulting in the less effective space in the inlet channel. The blockage segment of the 350 kg/m3medium-density soot cake layer was slightly farther from the inlet end, and the 150 kg/m3low-density soot cake layer was farthest from the inlet end. The closer the blockage segment was to the inlet end, the less effective space there was in the inlet channel. There was a significant increase in the back pressure of the DPF, eventually affecting the engine power and economy. Meanwhile, the change of the soot cake layer density posed different effects on the different types of the DPF inlet channel, among which, the change of density was the greatest change on the axial position of the blockage segment formed in the symmetric channel, followed by ACT structure D type, and ACT structure O type was the least. Thus, among the three types of the DPF, the O type structure was the most effective to deal with blockage failure. In addition, the higher the density of the soot cake layer, the higher the mass of the cake, the weaker the airflow propulsion, the lower the maximum blockage density in the inlet channel, and the improved flow performance of the airflow through the blockage segment, and vice versa. In overview, there was a severe symmetric structure of DPF channel blockage, but the static pressure difference was low when unloaded with the soot. While the ACT structure of channel blockage was light, usually the soot cake layer was accumulated at the end position of the inlet channel, which was regarded as an end plug, but the static pressure difference was very high, the static pressure difference without soot loading was less than 2.4 kPa, the static pressure difference was 6.3 kPa for D type and 9.1 kPa for O type. The trade-offs between the two types were chosen, according to the actual engineering application requirements. The findings can provide a theoretical basis and engineering guidance for the DPF channel blockage failure.

diesel engine; EDEM; CFD; particulate filter; soot cake layer; blockage characteristics

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.006

TK442.5

A

1002-6819(2022)-16-0051-10

张韦，孟丽苹，李泽宏，等. 基于EDEM-CFD的柴油机DPF孔道内积碳层堵塞特性研究[J]. 农业工程学报，2022，38(16)：51-60.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.006 http://www.tcsae.org

Zhang Wei, Meng Liping, Li Zehong, et al. Blockage characteristics of soot cake layers in the DPF channel of diesel engine based on EDEM-CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 51-60. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.006 http://www.tcsae.org

2022-06-06

2022-07-02

国家自然科学基金资助项目（52166007）；云南省大学生创新创业训练计划项目（2021106740025，20211067400114）

张韦，博士，教授，博士生导师，研究方向为内燃机燃烧与排放控制。Email：koko_575@aliyun.com

陈朝辉，博士，副教授，研究方向为内燃机燃烧与排放控制。Email：chenzhaohuiok@sina.com