灰分沉積對柴油機微粒捕集器再生影響分析*

侯獻軍 王清森 徐 雷

(現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1) 武漢 430070)(汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070)

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灰分沉積對柴油機微粒捕集器再生影響分析*

侯獻軍1,2)王清森1,2)徐 雷1,2)

(現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)武漢 430070)(汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢 430070)

針對壁流式柴油機微粒捕集器再生工作過程，使用GT-Suite軟件建立DPF一維再生模型.分析DPF再生過程中灰分的生成機理,以及初始灰分層在DPF進口通道的沉積位置和沉積形狀對再生性能的影響.結(jié)果表明，灰分沉積在進口通道堵頭處會減小DPF有效過濾長度，增大再生過程的溫度，減小再生過程的壓降.初始灰分沉積量越高，灰分在進口通道上的沉積形狀對再生最高溫度的影響越大；厚度沿DPF軸向線性減小的灰分沉積形狀，對再生期間的壓降影響最大.

柴油機;微粒捕集器;灰分沉積;仿真

0 引 言

與汽油機相比，柴油機排氣中的HC，CO，CO2排放量低，主要排放物是微粒物質(zhì)(particulate matter，PM)和NOx.PM表面能吸附SO2及其他污染物，被人體吸入后極易造成損害[1].目前，柴油機微粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)被公認是控制柴油機PM排放后處理中最有效的裝置.

但是當DPF使用一段時間后，隨著PM的累積，DPF的排氣背壓會逐漸上升，導致燃油消耗率增加，因此必須在適合的時機進行再生.再生過程結(jié)束后，在DPF過濾通道內(nèi)會有一定量的殘留物質(zhì)，這些物質(zhì)被稱為灰分.Bodek等[2]通過試驗研究證明DPF中的灰分物質(zhì)主要來源于潤滑油和燃油中的添加劑，柴油機內(nèi)部各零部件磨損，以及排氣系統(tǒng)被腐蝕后脫落的殘渣.Sappok等[3]通過裝有DPF的車輛在道路上實際測量試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著測試車量運行里程的增加，DPF通道內(nèi)沉積的灰分緩慢增加，并影響DPF的再生控制策略.龔金科等[4]基于DPF過濾壁面內(nèi)灰分沉積的規(guī)律和形態(tài)，運用球狀單元填充床多孔介質(zhì)物理模型，建立了DPF過濾壁面內(nèi)灰分深床沉積數(shù)學模型，根據(jù)該模型研究了DPF過濾壁面捕集單元尺寸和滲透率隨灰分沉積量的變化規(guī)律，以及DPF壓降隨深床沉積灰分質(zhì)量的變化規(guī)律.楊陽等[5]利用AVL Boost軟件，建立了柴油機DPF的數(shù)值模型，模擬計算了灰分含量、灰分分布系數(shù)以及灰分滲透率對DPF捕集再生性能的影響.文獻[6]利用GT-Suite軟件建立了柴油機DPF仿真模型和整車仿真模型，以整車工作狀態(tài)為約束條件進行了捕集器與整車的匹配研究.

與DPF相關的數(shù)值模型，以及軟件仿真模型大部分都是建立簡化的DPF一維模型，并且假設再生過程中生成的灰分在DPF過濾通道以及通道堵頭上均勻沉積.在DPF實際再生時，不同的再生方式會影響灰分的生成和沉積位置，此外灰分的分布還受排氣流量、排氣氧的體積分數(shù)、排氣中微粒物沉積量的影響[7].Sappok等[8]通過DPF的灰分加載試驗發(fā)現(xiàn)，絕大部分的灰分沉積在DPF進口通道的堵頭處，但是沿著過濾體進口通道軸向方向厚度不斷變化的灰分層的沉積也不能忽略.

文中分析DPF再生過程中灰分的生成機理以及灰分層在DPF過濾通道的沉積位置和沉積形狀對DPF再生性能的影響.

1 仿真模型的建立

運用GT-Suite軟件建立壁流式DPF一維再生仿真模型見圖1，包括排氣氣流的輸入和輸出、壓降輸出、溫度輸出以及微粒物和灰分的輸出.仿真模型將DPF過濾通道簡化為單一形式的方形進、出通道結(jié)構(gòu).為了便于對比分析DPF再生過程中方形進口通道內(nèi)不同位置的溫度、微粒層和灰分層厚度等參數(shù)的變化趨勢，從方形進口通道的入口到堵頭處依次均勻選取6個數(shù)據(jù)采集點，見圖2.

圖1 DPF仿真模型示意圖

圖2 DPF過濾通道及采樣點分布圖

建模選取的DPF特征參數(shù)見表1.

表1 DPF特征參數(shù)

2 DPF再生過程的仿真分析

DPF再生過程仿真的初始條件設定如下：過濾體初始溫度585 K，排氣氣流質(zhì)量流量337 g/s，排氣中氧的體積分數(shù)11%，模擬計算時長200 s，排氣最高溫度為721 K.再生過程中方形進口通道內(nèi)不同采樣點處的溫度和微粒層厚度變化見圖3～4.

圖3 再生過程中進口通道內(nèi)溫度變化

由圖3可知，DPF再生過程中進口通道內(nèi)的溫度經(jīng)歷了預熱—升溫—降溫—穩(wěn)定4個過程，并且從進口通道的入口到堵頭處各采樣點的溫度變化時機和幅度是不同的.這是由于發(fā)動機排氣氣流首先由DPF進口通道進入并沿著通道流動，再生時通道入口處的微粒最先達到起燃溫度，通道堵頭處的微粒最后達到起燃溫度；通道前端微粒燃燒釋放的熱量隨著排氣的流動向通道堵頭處傳輸，所以堵頭處的溫度出現(xiàn)最高值.

圖4中進口通道內(nèi)各采樣點的微粒層厚度在DPF再生時急劇下降，由于再生過程中進口通道內(nèi)的溫度從通道入口到堵頭處各采樣點依次達到各自的最高值，所以各點的微粒層厚度也依次下降，再生結(jié)束后各點的微粒層厚度為零，DPF完全再生.

圖4 再生過程中進口通道內(nèi)微粒層厚度變化

圖5為DPF再生過程中進口通道堵頭處沉積的灰分層厚度隨時間的變化曲線.由圖5可知，整個再生過程中生成的灰分逐漸沉積在通道堵頭處，沉積厚度不斷增大，再生結(jié)束后穩(wěn)定.

康與之《卜算子·潮生浦口云》是一首哲理詞。通篇借潮與人表達無限與有限的深刻道理。上闋寫潮起潮落乃自然現(xiàn)象，并非潮水自身的有意之舉，就如人來了又離去一樣。下闋筆鋒一轉(zhuǎn)，寫古今長亭、短亭，迎了多少人，送了多少人，就算老盡這些東西南北各處來往之人，亭下的潮水也依舊如故。詩人借助潮水的無限存在來揭示人類生命的有限。結(jié)句可謂畫龍點睛之筆，辭盡意不盡，使讀者回味無窮。

圖5 再生過程中堵頭處灰分層厚度變化

圖6為DPF再生過程中進口通道過濾壁面上灰分層沉積厚度隨時間的變化曲線，變化趨勢與灰分沉積在通道堵頭處相似.

圖6 再生過程中過濾體壁面上灰分層厚度變化

當DPF再生完成時，進口通道堵頭處灰分層厚度加大，使得通道的有效過濾長度減小，相同條件下沉積在通道內(nèi)的微粒物的量會減少，降低了DPF的過濾性能.進口通道的有效過濾長度變化見圖7.

圖7 再生過程中進口通道有效過濾長度變化

3 灰分沉積對DPF再生性能的影響分析

3.1 灰分沉積位置的影響

將初始灰分在DPF內(nèi)的沉積分為以下4種情況：(1)潔凈的DPF過濾體，無灰分沉積；(2)150 g的灰分沉積在進口通道過濾壁面；(3)75 g的灰分沉積在進口通道過濾壁面上和75 g的灰分沉積在進口通道堵頭處；(4)質(zhì)量150 g的灰分沉積在進口通道堵頭處.

圖8為以上4種情況下DPF再生時壓降的變化曲線.由圖8可知，在DPF再生過程中，過濾體壓降是隨著再生溫度的上升而增大，并達到最高值，隨后迅速下降并趨于穩(wěn)定.有灰分初始沉積的DPF過濾體的壓降大于潔凈過濾體，初始灰分沉積在進口通道壁面處的壓降最大.

圖8 初始灰分沉積位置對DPF再生時壓降的影響

過濾體壓降總體的變化趨勢是因為隨著DPF再生過程的進行，過濾體內(nèi)的微粒達到起燃溫度并開始緩慢燃燒，釋放出大量的熱量，使過濾體得壓降增加.當微粒燃燒完畢時，再生過程結(jié)束，過濾體溫度和壓降下降并穩(wěn)定.

由于DPF再生時過濾體內(nèi)有微粒物存在，初始灰分沉積在過濾體進口通道過濾壁面上使過濾體微孔孔徑變小，減小了通道的滲透率，使通過微粒層的氣流阻力增加，從而過濾體壓降增大；微粒的沉積厚度越大，過濾體的壓降越大.

圖9為初始灰分沉積位置對再生時溫度的影響.由圖9可知，在相同微粒質(zhì)量沉積的情況下，初始灰分沉積在過濾體進口通道堵頭時，減小了通道的有效過濾長度，過濾體進口通道壁面上微粒層的厚度顯著變小，壓降相應變小，同時加劇了再生微粒燃燒過程，使得過濾體進口通道內(nèi)的溫度的最高值最大，增大載體溫度梯度，對過濾體的再生不利；達到溫度最高值的時機提前.

圖9 初始灰分沉積位置對再生時溫度的影響

3.2 灰分沉積形狀的影響

為便于分析初始灰分層在過濾體進口通道內(nèi)沿著軸向方向厚度變化(即相同灰分沉積量下，沉積形狀變化)對DPF再生性能的影響，假定過濾體進口通道堵頭處無灰分沉積.在進口通道過濾壁面上相同灰分沉積量下，灰分沿著過濾體軸向沉積的形狀可簡化等效為圖10的4種形狀.灰分沉積量為20 g/L時，灰分層平均分布時的厚度約占潔凈過濾體入口通道寬度的11%.灰分層采用波浪式分布時，分布3個波峰，波峰值約占潔凈過濾體入口通道寬度的22%，波谷為0.灰分層厚度線性減小時，在通道入口處的灰分厚度約占潔凈過濾體入口通道寬度的22%，通道堵頭處灰分層厚度為0，灰分層厚度線性增加時情況相反[9].

圖10 灰分沉積形狀變化

圖11～12為不同的初始灰分沉積量條件下，4種不同灰分初始沉積形狀對DPF再生過程中壓降和進口通道內(nèi)溫度最高值的影響變化情況.由圖11可知，隨著沉積量的減小，分別沉積4種形狀灰分層的DPF再生過程中的壓降值逐漸接近.圖12中過濾體進口通道內(nèi)的溫度最高值隨著初始灰分沉積量不同的變化趨勢與圖11中壓降的變化趨勢相同.原因是初始灰分沉積量越小，過濾體進口通道上的不同形狀的灰分沉積層的厚度就越小，形狀差別也越小，越趨近于平均分布.因此灰分沉積量越低，初始灰分在過濾體通道上的沉積形狀對DPF的再生性能的影響越小.

圖11 灰分沉積形狀對DPF再生最大壓降的影響

圖12 灰分沉積形狀對再生時溫度最高值的影響

圖13～14分別為初始灰分沉積量為20 g/L，在4種不同初始灰分沉積形狀下，DPF再生過程中進口通道內(nèi)溫度變化圖和壓降變化圖.可以看出DPF在較大的初始灰分沉積量下，灰分層厚度線性減小的過濾體在再生過程中，進口通道內(nèi)的溫度最高值明顯低于沉積其他灰分形狀的過濾體，而過濾體的壓降值明顯高于沉積其他灰分形狀的過濾體.

圖13 不同初始灰分沉積形狀再生時壁面溫度變化

圖14 不同初始灰分沉積形狀再生時DPF壓降變化

由圖13～14可知，隨著DPF初始灰分沉積量的增加，厚度線性減小的灰分層在過濾體進口通道入口處的厚度大，相對于潔凈的過濾體，通道入口處的寬度變小，發(fā)動機排氣氣流流經(jīng)過濾體通道入口時產(chǎn)生的摩擦阻力增加，從而使得過濾體的壓降增加.由于進口通道入口阻力的增加，排氣氣流進入通道后的流動速度變緩，通過微粒層的氣流速度降低，再生過程中微粒燃燒釋放的熱量向堵頭處傳導較慢，導致過濾體通道內(nèi)溫度的最高值相應的減小.因此初始灰分沉積量越大，厚度線性減小的初始灰分層對DPF再生期間壓降和最高溫度的影響越大.

4 結(jié) 論

1) DPF再生過程中過濾體進口通道內(nèi)的溫度從通道入口到堵頭處依次升高.

2) 在有微粒物沉積時灰分沉積在過濾體進口通道壁面上會增大壓降，但再生溫度最高值較低；灰分沉積在進口通道堵頭處會減小有效過濾長度，使壓降變小，再生溫度最高值較大.

3) 初始灰分沉積量越高，初始灰分的沉積形狀對DPF的再生期間的壁面最高溫度、壓降影響越大.

4) 厚度沿過濾體軸向線性減小的初始灰分層對DPF再生期間的壓降影響最大.

[1]劉雙喜，邵忠英，高繼東，等．燃油硫含量對輕型柴油車顆粒物排放的影響研究[J]．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2010，34(5)：940-943．

[2]BODEK B, WONG V. The effects of sulfated ash phosphorous and sulfur on diesel aftertreatment systems-A review[C]. SAE Paper,2007：19-22.

[3]SAPPOK A, WONG V. Ash effects on diesel particulate filter pressure drop sensitivity to soot and implications for regeneration frequency and DPF control[C]. SAE Paper,2010：8-11.

[4]龔金科，陳韜,鄂加強，等.柴油機微粒捕集器灰燼深床沉積壓降特性[J].內(nèi)燃機學報,2013(4):354-359.

[5]楊陽，李志軍，焦鵬昊，等.灰分對柴油機DPF捕集再生性能的數(shù)值模擬研究[C].高等學校工程熱物理第十六屆全國學術會議,2013(1):23-27.

[6]侯獻軍，陳曠，杜松澤，等．柴油機微粒捕集器與整車匹配研究[J]．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2015，39(5):1045-1048．

[7]ISHIZAWA T, YAMANE H, SATOH H， et al. Investi-gation into ash loading and its relationship to dpf regeneration method[C]. SAE Paper,2009:28-31.

[8]SAPPOK A, WONG V. Ash effects on diesel particulate filter pressure drop sensitivity to soot and implications for regeneration frequency and dpf control[C]. SAE Paper，2010:8-11.

[9]WANG Y J, WONG V, SAPPOK A, et al. The sensitivity of dpf performance to the spatial distribution of ash inside dpf inlet channels[C]. SAE Paper，2013:15-18.

Effect of Ash Deposition on the Regeneration of Diesel Particulate Filter

HOU Xianjun1,2)WANG Qingsen1,2)XU Lei1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

A one-dimensional regeneration model of diesel particulate filter (DPF) simulating the regeneration process by wall-f1ow filter is established based on the GT-Suite software. Simulation is conducted to investigate the ash generation and the influence of initial ash location and shape in the process of DPF regeneration. The results show that the ash depositing in the plug of inlet channel can reduce the effective length of filter, increase the temperature and reduce the exhaust back pressure in the process of regeneration. When the initial amount of ash deposition is higher, the ash deposition shape on the inlet channel has a greater effect on the highest temperature of regeneration. The ash deposition, whose thickness decreases linearly with the axial line, has the maximum effect to the pressure drop in the process of regeneration.

diesel engine; diesel particulate filter (DPF); ash deposition; simulation

2016-08-15

*湖北省自然科學基金重點項目資助(2013CFA104)

TK422 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.002

侯獻軍(1973- )：男，博士，教授，主要研究領域為汽車及發(fā)動機CAD/CAE，發(fā)動機排放控制及電控技術