非對稱孔道與對稱孔道的DPF載體壓降交點研究

李志軍，姜瑞，史春濤，申博璽，魏所庫，張立強

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非對稱孔道與對稱孔道的DPF載體壓降交點研究

李志軍1，姜瑞1，史春濤2，申博璽1，魏所庫3，張立強3

(1. 天津大學(xué) 內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津，300072; 2. 天津大學(xué) 內(nèi)燃機研究所，天津，300072； 3. 天津市圣威科技發(fā)展有限公司，天津，300132)

為了減小排氣背壓對柴油機性能的影響，最大限度地減小柴油機顆粒捕集器(DPF)壓降，對對稱孔道和非對稱孔道DPF載體壓降進行模擬計算，研究碳煙和灰分的不均勻分布對DPF載體壓降的影響，給出對稱孔道和非對稱孔道DPF載體的選取指標(biāo)。研究結(jié)果表明：對稱孔道DPF碳煙最優(yōu)分布為前少后多，不對稱孔道DPF碳煙的最優(yōu)分布則與之相反，兩者的灰分最優(yōu)分布皆為分布于孔道末端。孔密度低于46.5個/cm2，壁厚較小或長徑比小的非對稱孔道性能較好，排氣流量大，排氣溫度低于100 ℃或高于400 ℃更適合采用對稱孔道DPF載體。

顆粒捕集器；壓降；非對稱孔道；壓降交點

柴油機憑借其優(yōu)異的動力性、經(jīng)濟性被廣泛應(yīng)用，但是柴油機尾氣中含有的可吸入顆粒物嚴(yán)重危害著人體健康。近年來，我國霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，大氣質(zhì)量問題也受到了人們極大關(guān)注，其中機動車排放顆粒物是霧霾形成的重要原因[1]。從2015年起，我國柴油車已全面實行國四排放標(biāo)準(zhǔn)，并將于2018年起實施國五排放標(biāo)準(zhǔn)，而歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中對顆粒物不僅有質(zhì)量(PM)方面的要求，而且增加了對顆粒數(shù)目(PN)的要求，對排放物的要求更加嚴(yán)格[2]，因此，為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，柴油機采用顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)成為一種必然趨勢[3]。目前，應(yīng)用DPF中最關(guān)鍵的問題就是顆粒的捕集和再生。BOUTEILLER等[4]建立了具有非對稱孔道結(jié)構(gòu)DPF的背壓模型，對DPF內(nèi)的壓降特性進行了研究。NAKAMURA等[5]通過實驗發(fā)現(xiàn)：與對稱孔道相比，非對稱孔道累積相同數(shù)量的碳煙后產(chǎn)生的壓降較低。ZHANG等[6?7]研究了不同孔道形狀的DPF進口和出口的壓降及氣體流速等，發(fā)現(xiàn)在白載體或者較小碳載量的情況下非對稱孔道的壓降高于對稱孔道的壓降，加載碳煙之后情況則相反。因此，隨著碳煙在DPF內(nèi)的累積，孔道壓降均會出現(xiàn)相對變化，最終會在某一碳載量達到同一壓降水平。本文作者研究DPF進口孔道內(nèi)碳煙和灰分的不均勻分布等因素對DPF壓降的影響，并依此提出DPF應(yīng)用的優(yōu)化措施和選型原則。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 碳煙和灰分模型

隨著碳煙顆粒在DPF孔道內(nèi)不斷被捕集，排氣背壓逐漸升高，使發(fā)動機性能逐漸惡化，需要定期去除DPF內(nèi)捕集的碳煙顆粒，碳煙顆粒燃燒去除的過程稱之為DPF再生過程[8?9]。再生完成后孔道壁面殘留的成分稱為灰分，灰分主要來源于燃油添加劑、潤滑油添加劑、零部件磨損及排氣系統(tǒng)腐蝕等[10]，DPF工作過程中所累積的碳煙和灰分是導(dǎo)致DPF性能惡化的最重要原因。DPF過濾的碳煙和再生后產(chǎn)生的灰分將附著于DPF載體的進口孔道內(nèi)，構(gòu)成DPF工作過程中產(chǎn)生的主要壓降[11]。

采用灰分分布系數(shù)描述灰分在DPF孔道內(nèi)分布情況，DPF孔道幾何模型如圖1所示。圖1中：ash為灰分層厚度；wall為壁面厚度；soot為碳煙層厚度；ash為灰分在孔道末端的堵塞段長度；plug為載體堵頭長。

灰分分布系數(shù)為

式中：為單個進口孔道內(nèi)灰分的總質(zhì)量；為單個進口孔道內(nèi)孔道壁面形成灰分濾餅層的灰分質(zhì)量。圖2所示為2種極端情況下灰分的分布形式。d=1說明灰分全部均勻分布于進口孔道壁面形成灰分濾餅層；d=0說明灰分全部分布于進口孔道末端，堵塞孔道末端。

圖2?d=1和d=0時灰分分布形式

根據(jù)進口孔道的幾何關(guān)系，灰分在進口孔道末端形成的堵塞段長度可以表示為

進口孔道壁面灰分濾餅層厚度可以表示為

進口孔道壁面碳煙濾餅層厚度可以表示為

1.2 壓降模型

排氣流經(jīng)DPF時，其壓降為[14]

式中：ash為灰分濾餅層滲透率；為過濾壁面滲流速率。

式中：soot為碳煙濾餅層的滲透率。

根據(jù)流體力學(xué)知識可知排氣流經(jīng)進口孔道和出口孔道的摩擦損失產(chǎn)生的壓降[15]為

式中：為摩擦因數(shù)。

過濾體進出口處的收縮和膨脹壓降[13]為

將式(6)~(10)代入式(12)即可得壁流式過濾體總壓降。

顆粒捕集器的過濾效率與壁面微觀結(jié)構(gòu)特性和排氣來流參數(shù)相關(guān)[16?17]，但是一般可以達到95%以上，本文中設(shè)置過濾效率為95%。

2 模型驗證

為了驗證模型的準(zhǔn)確性，將文獻[7]中采用的試驗的條件作為模擬仿真的邊界條件，不對稱孔道進出口孔道直徑比為1.4，其他物理參數(shù)見表1。實驗的平均排氣流量為93.4 kg/h，平均排氣溫度為165 ℃。

實驗和模擬的DPF載體壓降隨碳載量變化如圖3所示。由圖3可見：在加載初期，實驗結(jié)果和模擬結(jié)果相差較大，這是由于實驗所用DPF載體已經(jīng)經(jīng)過數(shù)次再生，累積了一定量的灰分導(dǎo)致在碳煙加載時深層過濾階段比較短，載體壓降試驗結(jié)果和模擬結(jié)果的最大相對誤差小于7%?？紤]再生產(chǎn)生的灰分后，認(rèn)為所建立的數(shù)學(xué)模型能較準(zhǔn)確地模擬DPF的壓降特性。

表1?模型計算參數(shù)

圖3 DPF壓降特性的計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比

3 計算分析

圖4所示為不同進出口孔徑比下DPF壓降隨著碳載量累積的變化。由圖4可知：隨著不對稱比增大，初始條件下(白載體)的壓降也增大；隨著碳煙加載量的增加，對稱孔道與非對稱孔道DPF載體壓降出現(xiàn)了交點，且隨著不對稱性的增大，壓降交點對應(yīng)的碳載量增大；低碳載量時，孔道和壁面壓降占主導(dǎo)地位；而高碳載量時，碳煙層壓降占主導(dǎo)地位，交點表明了這2種主導(dǎo)地位的變化，這個交點處反映了對稱孔道壓降超過非對稱孔道壓降時所對應(yīng)的碳煙質(zhì)量。因此，交點越靠前，非對稱孔道性能越好?？讖奖仍叫?，非對稱孔道載體與對稱孔道載體壓降交點越靠前，但是，后期容納碳煙能力就越差，也就是說，加載后期的壓降更高。堇青石材料DPF載體再生標(biāo)準(zhǔn)基本為8 g/L[18]，而工程上，為了防止過多的碳煙累積造成再生時產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力損壞載體，往往在碳載量接近5~6 g/L時就開始再生。不對稱比為1.6的DPF載體與對稱孔道載體的壓降交點對應(yīng)的碳載量為4.4 g/L，這說明過大孔徑比的非對稱孔道載體應(yīng)用價值并不高。

圖4 不同進出口孔徑比DPF載體壓降變化

為了研究對稱孔道與非對稱孔道DPF載體壓降的交點情況，需要選定一個非對稱孔徑比模型作為對照組，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的條件下研究壓降特性及影響因素等。本文選擇孔徑比為1.4的DPF為基礎(chǔ)模型，并以對稱孔道載體的壓降曲線與此非對稱孔道載體的壓降曲線交點所對應(yīng)的碳載量2.67 g/L為基準(zhǔn)交點，大于該值則認(rèn)為對稱孔道DPF載體性能好，反之則認(rèn)為非對稱孔道DPF載體性能好。下文若無特殊說明，所述非對稱孔道皆為孔徑比為1.4的基礎(chǔ)非對稱孔道。

3.1 對稱孔道和非對稱孔道DPF載體壓降組成

為了探究DPF載體在較高和較低碳載量條件下的壓降特性，選定極限再生碳載量8 g/L為較高碳載量，并規(guī)定此時碳煙負(fù)載量為100%，較低碳載量則選取為0.8 g/L。對稱孔道和非對稱孔道DPF載體分別在10%和100%碳煙負(fù)載時的各部分壓降如圖 5所示。從圖5可以看出：當(dāng)碳載量較低(0.8 g/L)時，非對稱孔道壓降高于對稱孔道壓降，這主要是由于非對稱孔道出口壓降高于對稱孔道出口壓降；而當(dāng)碳載量較高(8 g/L)時，對稱孔道載體壓降高于非對稱孔道載體壓降，這主要是由于對稱孔道載體碳煙層造成的壓降所占比例較高，而且隨著碳煙在進口孔道內(nèi)的累積，對稱孔道DPF載體進口孔道變小的趨勢較非對稱孔道DPF載體的要大，進口孔道壓降上升的程度也比非對稱孔道載體的大。由此可見：引起非對稱孔道載體低碳載量狀態(tài)下壓降較高的原因是其出口較小，從而產(chǎn)生了較大的出口孔道壓降；而隨著碳載量的累積，對稱孔道DPF載體的進口孔道壓降和濾餅層的壓降超過了出口孔道壓降的影響，從而使得非對稱孔道載體壓降低于對稱孔道載體壓降，這最終導(dǎo)致這兩者在某一相同碳煙累積量出現(xiàn)相同的壓降。由圖5還可見：影響低碳載量情況下兩者的壓降差的主要因素為出口孔道壓降，影響高碳載量情況下兩者的壓降差的主要因素為濾餅層壓降，其次為出口孔道壓降。

圖5 DPF載體的壓降組成

3.2 碳煙和灰分的不均勻分布對DPF壓降的影響

為最大限度減小DPF壓降、優(yōu)化DPF的性能，除使用進口大出口小的非對稱孔道之外，還應(yīng)研究碳煙和灰分對壓降的影響。首先，建立了在對稱孔道中模擬碳煙量均為5 g/L時不同的DPF進口通道碳煙分布形式，如圖6所示，引入碳煙表面分布系數(shù)，反映碳煙層最高點出現(xiàn)的相對位置，0≤≤1。

式中：X為碳煙層最高點離孔道進口距離；L為孔道總長。

不同碳煙分布形式的DPF載體壓降如圖7所示。由圖7可知：對于對稱孔道，=1時壓降最?。粚τ诜菍ΨQ孔道，=0時壓降最小。由圖5可知，DPF加載后主要是濾餅層壓降占比高。對稱孔道和非對稱孔道DPF載體軸向壓降分布如圖8所示。圖中，相對進口位置表示該點距離孔道進口的長度與載體總長度的比值。由圖8可見：對稱孔道DPF載體碳載量為8 g/L且沿DPF長度方向均勻分布的壓降呈現(xiàn)前端高、中后端低、后端高的分布，造成這種分布的主要原因為濾餅層造成的壓降，而濾餅層的不均勻分布則是由于DPF孔道內(nèi)流場的不均勻分布引起的[19]，因此，使濾餅層不均勻分布形狀與濾餅層均勻分布時的壓降曲線線形反向?qū)?yīng)即可最大限度地減小DPF載體的總壓降，即=1時最接近這種反向?qū)?yīng)的趨勢。同理，不對稱孔道同條件下沿長度方向壓降為前端低、后端高，因此，最接近反向?qū)?yīng)此形式的分布形式=0壓降最小。由此可見：控制碳煙沿DPF進口長度方向的不均勻分布可以最大限度減小DPF載體壓降。

圖7 不同碳煙分布形式的DPF載體壓降

圖8 對稱和非對稱孔道DPF載體軸向壓降分布

除此兩者之外，灰分分布對壓降的影響也不可忽視?；曳值漠a(chǎn)生方式與碳煙不同，灰分由再生的化合物，可能附著于壁面上也可能阻塞于DPF載體孔道末端?？梢岳没曳址植枷禂?shù)研究灰分分布形式對DPF壓降產(chǎn)生的不同影響。DPF壓降隨灰分分布系數(shù)和孔徑比的變化如圖9所示。從圖9可見：當(dāng)碳載量為5 g/L、排氣流量為93.4 kg/h時，DPF壓降隨灰分分布系數(shù)的增大而增大，說明灰分分布于進口孔道末端比灰分分布于進口孔道壁面更有利于降低DPF壓降。這是因為灰分分布于進口孔道末端時，進口孔道壁面灰分濾餅層的厚度減小，排氣流經(jīng)灰分濾餅層的壓降減小。ISHIZAWA等[20]的研究表明：主動再生時，灰分分布在進口孔道末端；被動再生時，灰分分布在進口孔道壁面形成灰分濾餅層。因此，可以通過進行主動再生控制灰分分布于孔道末端，從而減小DPF壓降。從圖9還可以看出：當(dāng)孔徑比增大時，DPF壓降減??；當(dāng)孔徑比大于1.4時，進一步增大孔徑比，DPF壓降減小緩慢。這也進一步說明孔徑比大于1.4的非對稱DPF載體應(yīng)用價值有限。

圖9?DPF壓降隨灰分分布系數(shù)和孔徑比的變化

3.3 DPF壓降交點的影響因素及分析

3.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對DPF壓降交點的影響

圖10所示為對稱孔道和基礎(chǔ)非對稱孔道壓降交點及其對應(yīng)的碳載量隨孔密度的變化。由圖10可知：兩者壓降交點及對應(yīng)碳載量隨著孔密度的增大而增大。這是因為孔密度增大，減小了對稱和非對稱孔道的出口孔道直徑，增大了進出口壓降，非對稱孔道較小的出口孔道壓降增加更為明顯。壓降交點對應(yīng)的碳載量增加則是由于不同的孔密度下占主導(dǎo)地位的壓降不同，孔密度越大，孔道和壁面壓降越能占據(jù)主導(dǎo)地位。由此也說明在孔密度低于300時選擇使用非對稱孔道可以改善DPF性能。

圖10 孔密度對DPF載體壓降交點的影響

壁厚對DPF載體壓降交點的影響如圖11所示。由圖11可見：對稱孔道和基礎(chǔ)非對稱孔道壓降交點及其對應(yīng)的碳載量隨壁厚增加而增大。這是由于壁厚增加且孔密度保持不變略微減小了進出口孔道的孔徑，從而增大了壁面和孔道壓降，使孔道和壁面壓降能占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致其交點對應(yīng)的碳載量也增加，但是，在壁厚為0.20~0.45 mm范圍內(nèi)影響較小，不過此趨勢也說明若采用DPF載體壁厚比較小，則不對稱孔道的優(yōu)勢更加明顯。

圖11 壁厚對DPF載體壓降交點的影響

長徑比對DPF載體壓降交點的影響如圖12所示。圖12可見：對稱孔道與非對稱孔道壓降交點和其對應(yīng)的碳載量隨長徑比的增加而增大。這是因為隨著長徑比的增大，DPF載體體積不變，進出口孔道變小，因此導(dǎo)致進出口壓降增加，總壓降上升；交點對應(yīng)的碳載量增加是由于不同的長徑比下占主導(dǎo)地位的壓降發(fā)生改變，長徑比越大，孔道和壁面壓降越能占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，當(dāng)長徑比在1.8以上時，更適合選擇對稱孔道的DPF；當(dāng)長徑比在1.8以下時，更適合采用非對稱孔道。

圖12 長徑比對DPF載體壓降交點的影響

3.3.2 運行參數(shù)對壓降交點的影響

圖13所示為對稱孔道和非對稱孔道壓降交點隨DPF排氣流量的變化，由圖13可見：兩者壓降交點及其對應(yīng)碳載量隨著排氣流量的增大而增大，壓降增加是由于排氣流速增加，增大了孔道內(nèi)的氣流速度，孔道結(jié)構(gòu)未變的情況下增加了滲流速率使得壓降明顯增加；交點對應(yīng)的碳載量增加則是由于不同的排氣流量下占主導(dǎo)地位的壓降不一樣，DPF進口流量大，使得孔道和壁面壓降占據(jù)了主導(dǎo)地位。以上分析結(jié)果說明高轉(zhuǎn)速或者大排量的柴油機在加裝DPF時較宜選用對稱孔道的載體，而低轉(zhuǎn)速小排量的柴油機由于排氣流量較小則更加適合采取不對稱孔道的DPF載體。

圖13 排氣流量對DPF載體壓降交點的影響

載體溫度對DPF載體壓降交點的影響如圖14所示。由圖14可見：隨著溫度的增加，壓降交點逐漸升高，但是壓降交點對應(yīng)的碳載量隨DPF載體溫度上升則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，溫度升高則其壓力上升，因此，兩者壓降交點上升，而其對應(yīng)的碳載量增加則是由于隨排氣溫度上升，孔道、壁面壓降與碳煙層壓降交替成為壓降的主要原因。

圖14 載體溫度對DPF載體壓降交點的影響

4 結(jié)論

1) 對稱孔道碳煙最優(yōu)分布為前少后多，非對稱孔道DPF碳煙的最優(yōu)分布則與之相反；不論對稱孔道還是非對稱孔道，灰分分布于進口孔道末端比分布于進口孔道壁面更有利于降低DPF壓降。

2) 低碳載量時，孔道壓降占主導(dǎo)地位，高碳載量時，碳煙層壓降主導(dǎo)地位。隨著碳煙的累積，達到某特定的碳載量這兩者的主導(dǎo)地位發(fā)生對換。

3) 對稱孔道與非對稱孔道DPF壓降交點和其對應(yīng)的碳載量隨著孔密度的增加而增加；隨著壁厚的增加，壓降交點增加明顯，而對應(yīng)的碳載量也有增加，但幅度不大；隨長徑比增加，壓降交點和對應(yīng)碳載量增加；對稱孔道與非對稱孔道壓降交點和對應(yīng)碳載量隨著流量的增加而增加，DPF前排氣溫度增加，壓降交點增加，而交點對應(yīng)碳載量則呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢。

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(編輯 趙俊)

Intersection of pressure drop between asymmetrical and symmetrical channel DPF carrier

LI Zhijun1, JIANG Rui1, SHI Chuntao2, SHEN Boxi1, WEI Suoku3, ZHANG Liqiang3

(1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3. Tianjin Shengwei Development of Science Co. Ltd., Tianjin 300132, China)

In order to reduce the impact of exhaust back pressure on the engine performance deterioration, and reduce the pressure drop of diesel particulate filter(DPF), the effects of uneven distribution of soot and ash to DPF pressure drop were researched based on the simulation. The quantitative indicators of symmetrical or asymmetrical DPF were given. The results show that the optimal soot distribution of symmetrical channel is few in the front, but that of the asymmetrical channel is different, and both of their optimal ash distribution are at the end of channel. When channels density is less than 46.5 cm?2, the wall thickness is thin or the ratio of length to diameter is low, and the performance of asymmetrical channel DPF is better. The large displacement diesel engine and the situation of lower than 100 ℃ or higher than 400 ℃exhaust temperature is more suitable for the case of symmetrical channel DPF carrier.

particulate filter; pressure drop; asymmetrical channel; intersection of pressure drop

TK421.5

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.029

1672?7207(2018)03?0732?09

2017?03?07；

2017?05?13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51576140，51276128)；科技部中歐中小企業(yè)節(jié)能減排發(fā)展專項基金資助項目(SQ2013ZOA100012) (Projects(51576140, 51276128) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (SQ2013ZOA100012) supported by theMinistry of Science and Technology of China and Central Europe Small and Medium Enterprises Energy Saving and Emission Reduction Development Special Fund)

史春濤，博士，內(nèi)燃機燃燒理論與設(shè)計；E-mail: Shict@sina.com