溫度對(duì)DPF過(guò)濾參數(shù)影響的試驗(yàn)研究

陳鵬，孟忠偉，李路，閆妍，張川

(西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

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溫度對(duì)DPF過(guò)濾參數(shù)影響的試驗(yàn)研究

陳鵬，孟忠偉，李路，閆妍，張川

(西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

柴油機(jī)顆粒捕集器( DPF )過(guò)濾參數(shù)研究對(duì)其再生時(shí)機(jī)的判斷具有重要意義?；谕饧訜嵩丛偕_(tái)架，研究了過(guò)濾參數(shù)(壓降及其與常溫?cái)?shù)據(jù)的比值、滲透率及其與常溫?cái)?shù)據(jù)的比值)隨過(guò)濾溫度的變化規(guī)律，同時(shí)考慮了流量和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)的影響。結(jié)果表明：過(guò)濾溫度升高，DPF壓降及其比值近似線性增長(zhǎng)，滲透率及其比值近似線性減??；線性擬合了壓降及其比值、滲透率及其比值隨溫度的變化曲線，比較發(fā)現(xiàn)流量和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF壓降和滲透率都具有一定影響，但對(duì)比值的影響較小。

顆粒捕集器； 壓降； 滲透率； 過(guò)濾溫度； 流量； 孔隙結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)以燃油經(jīng)濟(jì)好、CO2排放低和性能可靠等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，但顆粒物(PM)排放是同排量汽油機(jī)的30～80倍[1-2]，嚴(yán)重制約了其運(yùn)用范圍。目前，DPF是柴油機(jī)炭煙顆粒物減排最有效的裝置之一，其過(guò)濾效率可達(dá)95%[3-5]。隨著DPF內(nèi)PM沉積量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓增大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，需對(duì)DPF進(jìn)行再生[6-8]。因此，再生時(shí)機(jī)的選擇尤其重要。排氣背壓是判斷再生時(shí)機(jī)的一種有效手段[9-10]，然而柴油機(jī)運(yùn)行工況多變，實(shí)際排氣溫度變化較大，導(dǎo)致排氣背壓產(chǎn)生較大的波動(dòng)[11]，因此研究溫度對(duì)過(guò)濾壓降(滲透率)的影響具有重要的意義?，F(xiàn)有研究通常將DPF的滲透率(k)取為某一固定值，如樓狄明等[3]選取的滲透率k=1.38×10-13m2，A.G.Konstandopoulos等[12-13]選取k=5.0×10-13m2，龔金科等[14-15]將k分別選取為2.2×10-13，5.3×10-13，21.7×10-13m2，不考慮溫度對(duì)k的影響，甚至不考慮溫度對(duì)壓降的影響。因此本研究重點(diǎn)關(guān)注過(guò)濾壓降及滲透率隨溫度的變化關(guān)系，為修正參數(shù)提供試驗(yàn)參考。

基于外加熱源再生臺(tái)架，測(cè)試了3種DPF白載體在不同溫度、流量下的過(guò)濾壓降，計(jì)算了載體滲透率，探索溫度和載體孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓降、滲透率及其比值變化的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

1.1 外加熱源再生試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)臺(tái)架見(jiàn)圖1。氣體由空氣壓縮機(jī)提供，流量由質(zhì)量流量計(jì)控制，氣體通過(guò)電加熱器進(jìn)行加熱。在過(guò)濾體的進(jìn)口處測(cè)量壓力獲得過(guò)濾體的過(guò)濾壓降，在過(guò)濾體的軸心處沿軸向不同位置插入5根直徑0.5 mm的K型熱電偶測(cè)量載體內(nèi)部溫度。DPF安裝在可拆卸的套管內(nèi)，可以便捷更換DPF載體。試驗(yàn)選取16.05，23.0，30.4 g/s 3種流量(用Q1，Q2，Q3表示)，選取25～320 ℃溫度。試驗(yàn)時(shí)，待DPF軸心處5個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定后(見(jiàn)圖2)讀取DPF的過(guò)濾壓降。

1.2 DPF參數(shù)

試驗(yàn)所用壁流式DPF的參數(shù)見(jiàn)表1，3種載體的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)相當(dāng)，而孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)存在一定的差別。

表1 DPF的基本參數(shù)

1.3 DPF白載體壓降模型

圖3示出DPF白載體的壓力損失示意。DPF白載體的壓降主要由五部分組成，包括氣體流入和流出時(shí)收縮和擴(kuò)張引起的壓力損失Δp1和Δp2，氣體流經(jīng)進(jìn)氣通道和排氣通道的壓力損失Δp3和Δp4，氣體穿透壁面引起的壓力損失Δp5。故DPF白載體的壓降為

Δp=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4+Δp5。

(1)

其中，由于氣流孔道改變引起的變截面壓力損失Δp1和Δp2較其他項(xiàng)小得多，可以將其忽略[17]。在本試驗(yàn)條件下，流速低，氣體流經(jīng)進(jìn)氣通道和排氣通道的壓力損失也較小，因此將Δp3和Δp4忽略[18]，故而

(2)

本試驗(yàn)中氣體穿過(guò)壁面的流速小，僅為0.004 4～0.007 8 m/s，Δp5中的二次項(xiàng)可以忽略[19]，因此DPF白載體的壓降可以寫成：

(3)

從而獲得滲透率的計(jì)算公式為

(4)

式中：S為過(guò)濾面積；Qv為常溫體積流量。

通過(guò)線性擬合在不同溫度時(shí)的過(guò)濾參數(shù)值(壓降及其比值、滲透率及其比值)，獲得擬合線斜率值C(y=Cx+b)，該值可作為評(píng)價(jià)溫度對(duì)過(guò)濾參數(shù)影響的特征值，為修正過(guò)濾參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系提供試驗(yàn)參考。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)過(guò)濾壓降的影響

不同溫度時(shí)的過(guò)濾壓降見(jiàn)圖4，為了繪圖方便，以下圖中的Δp均用p表示。

由圖4可看出，隨著溫度的增加，壓降呈線性增加；且隨流量的增加，壓降逐漸增加，主要是由于過(guò)濾速度增加導(dǎo)致壓降的增加，同時(shí)壓降增長(zhǎng)率也逐漸增加(從0.9 Pa/℃增加為1.9 Pa/℃)。通過(guò)比較高溫與常溫時(shí)的過(guò)濾壓降，獲得壓降比值隨溫度的變化關(guān)系。在300 ℃時(shí)壓降可增加至常溫時(shí)的兩倍左右，而發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的分布范圍較大(通常在180～350 ℃之間)[10]，可見(jiàn)溫度對(duì)過(guò)濾壓降的影響不容忽視，需進(jìn)行溫度修正或補(bǔ)償。此外，各流量下的壓降比值曲線斜率較為一致，變化范圍為0.003 4～0.003 8 ℃-1(最大偏差為22%)，較壓降變化范圍小(最大偏差為36%)，說(shuō)明了在不同流量時(shí)溫度對(duì)壓降的影響具有相似性。

2.2 溫度對(duì)滲透率的影響

根據(jù)以上測(cè)得的過(guò)濾壓降值，結(jié)合式(4)可得各溫度條件下的滲透率k(見(jiàn)圖5)。從圖5可看出，滲透率隨溫度的增加而減小，且隨流量的增大而減小。原因是隨溫度增加，黏性系數(shù)μ和壓降Δp均增加，但Δp比μ增加迅速，導(dǎo)致滲透率k降低(見(jiàn)式(4))。從圖5 可知：在300 ℃時(shí)滲透率可減小為常溫時(shí)的75%左右，所以需修正或補(bǔ)償溫度對(duì)滲透率的影響。流量的變化也將導(dǎo)致滲透率的變化，流量增大，滲透率降低。原因是本研究?jī)H采用達(dá)西公式來(lái)描述過(guò)濾壓降，真實(shí)DPF載體的壓降除通道壁面壓降外，還包括進(jìn)出載體通道的壓縮和膨脹損失，以及通道內(nèi)的摩擦損失，因此本研究計(jì)算所得的滲透系數(shù)為綜合滲透系數(shù)，滲透率隨流量的增大而降低。此外，不同流量時(shí)的滲透率比值隨溫度的變化范圍較小(0.000 6～0.000 7 ℃-1)，說(shuō)明了在不同流量時(shí)溫度對(duì)滲透率的影響也具有相似性。

2.3 壓降比值和滲透率比值隨溫度的變化

將壓降比值和滲透率比值與黏性系數(shù)隨溫度的變化率進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖6。考慮到當(dāng)?shù)剡^(guò)濾速度隨溫度的變化，圖中也給出了(黏性系數(shù)×當(dāng)?shù)亓魉?的變化率，其中，當(dāng)?shù)亓魉贋镼v′/S，Qv′為高溫體積流量。由圖6可知，壓降比值變化率在0.003 4～0.003 8 ℃-1范圍內(nèi)，介于黏性系數(shù)變化率和(黏性系數(shù)×當(dāng)?shù)亓魉?變化率之間。因此，壓降不僅受氣體黏性變化的影響，還受滲透率變化的影響，即滲透率及其比值將隨溫度的增加而降低。

2.4 不同孔隙結(jié)構(gòu)下DPF過(guò)濾參數(shù)的比較

為考察孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓降和滲透率的影響，選取3種不同孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的DPF載體(1號(hào)～3號(hào))開(kāi)展壓降測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知：3種DPF載體的壓降均隨溫度的增加而增加，增長(zhǎng)率在1.9～2.8 Pa/℃之間(最大偏差為19%)，增長(zhǎng)率主要受載體材料孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。3種DPF載體的壓降比值變化率差別減小，在0.003 4～0.005 1 ℃-1之間(平均為0.004 ℃-1，最大偏差為12.5%)，即溫度增加100 ℃，壓降值將增長(zhǎng)約30%。因此，排氣溫度波動(dòng)時(shí)，應(yīng)考慮壓降的波動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的修正。

不同孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的DPF載體滲透率及其比值隨溫度的變化見(jiàn)圖8。各載體的滲透率及其變化率差別較大(在-0.001 0×10-13～-0.001 6×10-13m2/℃之間，最大偏差為41%)，與載體孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)；但滲透率比值的變化率卻相差較小，在-0.000 6～-0.001 0 ℃-1之間(平均值為0.000 8 ℃-1，最大偏差為25%)，說(shuō)明在不同孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)溫度對(duì)滲透率的影響也具有相似性。

3 結(jié)論

a) 溫度對(duì)過(guò)濾壓降及其比值、滲透率及其比值均存在明顯的影響，應(yīng)考慮溫度變化時(shí)對(duì)這些過(guò)濾參數(shù)值進(jìn)行修正或補(bǔ)償；

b) 溫度增加，過(guò)濾壓降及其比值線性增加，滲透率及其比值線性降低；壓降比值隨溫度的變化關(guān)系不僅受黏性系數(shù)變化的影響，還受滲透率變化的影響；

c) 流量變化時(shí)，溫度對(duì)過(guò)濾壓降和滲透率的影響均具有相似性，即流量不同，過(guò)濾壓降和滲透率不同，變化率也差別較大，但壓降比值和滲透率比值的差異較??；

d) 對(duì)不同孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的載體，其壓降比值變化率平均值為0.004 ℃-1，即溫度增加100 ℃，壓降值將增長(zhǎng)約30%；其滲透率比值變化平均值為0.000 8 ℃-1，即溫度增加100 ℃，滲透率將降低約6%；與流量變化類似，孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)，溫度對(duì)過(guò)濾壓降和滲透率的影響也均具有相似性。

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[編輯：袁曉燕]

Influence of Temperature on DPF Filtration Parameter

CHEN Peng, MENG Zhong-wei, LI Lu, YAN Yan, ZHANG Chuan

(Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province,School of Transportation and Automotive Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

It is important to judge the regeneration timing of DPF by the filtration parameter research.The changing laws of filtration parameters consisting of the ratio between pressure drop and room temperature data and the permeation and the ratio with filtration temperature were researched on the generation test bench with exterior heater by taking into consideration the influence of flow rate and pore structure meanwhile.The results showed that the pressure drop and the corresponding ratio increased linearly and the permeation and the ratio decreased linearly with the increase of filtration temperature.The linear fittings of pressure drop, permeation and their respective ratios with temperature were conducted and the flow rate and the pore structure were found to have certain influence on the pressure drop and permeation and less influence on their ratios.

diesel particulate filter(DPF); pressure drop; permeation; filtration temperature; flow rate; pore structure

2014-05-20；

2015-01-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51106130)；教育部“春暉計(jì)劃”合作科研項(xiàng)目(Z2014058)；四川省教育廳青年基金項(xiàng)目(12ZB138)；發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電控系統(tǒng)及尾氣后處理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)集群項(xiàng)目(成財(cái)教[2013]265)；四川省重點(diǎn)科技項(xiàng)目(2011JYZ014)；西華大學(xué)重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(Z1120319)

陳鵬(1986—)，男，碩士，主要從事柴油機(jī)顆粒物減排方面的研發(fā)工作；chenpeng0527@126.com。

孟忠偉(1980—)，男，副教授，博士，主要從事柴油機(jī)顆粒物捕集器方面的研究；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.012

TK424.5

B

1001-2222(2015)02-0057-04