柴油機DPF壓降及噪聲特性分析*

陳貴升，周群林，馬龍杰，呂 譽，沈穎剛

（昆明理工大學(xué)，云南省內(nèi)燃機重點實驗室，昆明 650500）

前言

隨著排放法規(guī)限值的日益嚴苛，柴油機工作過程的顆粒物（PM）排放［1］和排氣噪聲控制問題［2］受到廣泛關(guān)注。柴油機微粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）具備極高的微粒捕集效率，能有效降低柴油機的PM和PN排放，被視為應(yīng)對國六排放法規(guī)最有效的后處理技術(shù)手段之一［3］。DPF壓降特性實則是排氣氣流在DPF載體內(nèi)部流動受阻而產(chǎn)生損失的過程，其中碳煙、灰分的沉積對DPF壓降的影響尤為顯著。Liati等［4］分析了DPF內(nèi)沉積顆粒物的特征，Sappok等［5］對不同灰分下的DPF壓降特性進行了研究。而DPF排氣端噪聲特性則源于排氣流經(jīng)DPF過程中所攜帶的噪聲聲能量損失，以及氣流運動受阻產(chǎn)生的氣動再生噪聲，部分動能轉(zhuǎn)化為噪聲聲能量的過程［6－8］。

目前有關(guān)DPF的研究工作主要集中在壓降特性、捕集效率和再生特性等方面，針對其在排氣噪聲方面的影響研究甚少。本文中通過一維數(shù)值模擬方法，分析了在發(fā)動機各工況下，不同DPF載體尺寸、碳載量、灰分沉積量等因素對DPF壓降和排氣噪聲的影響。

1 模型介紹

1.1 發(fā)動機參數(shù)

本文中研究的機型為電控高壓共軌D30柴油發(fā)動機，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機相關(guān)參數(shù)

1.2 DPF相關(guān)參數(shù)

本文中采用碳化硅（SiC）作為DPF載體材料。SiC是目前應(yīng)用最為廣泛的一種DPF載體材料，其具備碳載量高、耐熱性好和機械強度高等特點，DPF主要參數(shù)如表2所示。

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 壓降模型

由于DPF載體的孔道排列具有幾何對稱性，故可通過單一進、排氣孔道組對DPF壓降組成進行展示。假設(shè)碳煙、灰分均勻沉積于進氣孔道壁面，DPF孔道內(nèi)碳煙及灰分沉積形式的壓降模型如圖1所示。

從圖中可知，發(fā)動機排氣流經(jīng)DPF的總壓降Δp由7部分組成，分別表示如下：

表2 DPF技術(shù)參數(shù)

圖1 壁流式DPF壓降模型示意圖

式中：Δp1、Δp7分別為進、出口端 DPF的壓縮、膨脹壓降損失；Δp2、Δp6分別為DPF進、出口孔道內(nèi)排氣流動的壓降損失；Δp3、Δp4、Δp5分別為碳煙層、灰分層和過濾體壁面的壓降損失。

式中：vw，1為進口孔道壁面流速；μ為流體的運動黏性系數(shù)；d1為進口孔徑；d2為出口孔徑；kw為壁面滲透率；kac為灰分層滲透率；ksc為碳煙層滲透率；δw為壁面厚度；δac為灰分層厚度；δsc為碳煙層厚度；ζinl、ζout分別為縮口、擴口壓降摩擦損失系數(shù)；ρinl、ρout分別為進、出口孔道氣流密度；vinl、vout分別為進、出口孔道氣體流速；ρg，1、ρg，2分別為進、排氣孔道內(nèi)氣流密度；le為孔道有效長度。

排氣在孔道間滲流過程壓降損失滿足達西定律，其控制方程如式（9）所示。

式中Fa和Fb均為過濾體通道幾何系數(shù)。

1.3.2 噪聲模型

多孔介質(zhì)內(nèi)部存在大量細微孔隙，當聲波入射材料表面，部分聲波會在材料表面發(fā)生反射，其余投射進入材料內(nèi)部繼續(xù)傳播。聲波本質(zhì)上是一種機械波，進入材料內(nèi)部的聲波會激發(fā)空隙內(nèi)的流體介質(zhì)分子振動，振動的流質(zhì)分子與多孔材料內(nèi)的孔頸、腔室壁面產(chǎn)生相對運動，由于流質(zhì)本身的黏滯性，以及與微孔間的摩擦損耗，受迫振動的流體介質(zhì)分子所攜帶的動能被轉(zhuǎn)化成熱能，從而衰減聲能；同時，在聲能傳遞的過程，流質(zhì)與多孔材料內(nèi)的固體筋絡(luò)存在熱交換，也是造成聲能衰減的原因［9］。DPF的過濾體壁面和孔道內(nèi)沉積的碳煙層、灰分層，皆呈現(xiàn)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，從其結(jié)構(gòu)特殊性而言，可實現(xiàn)一定程度噪聲衰減。

壁流式DPF通過過濾體壁面和碳煙、灰分層等多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)來吸收噪聲，但排氣流經(jīng)DPF的過程中會因流通截面的突變而產(chǎn)生氣動再生噪聲（見圖2）。最終，DPF排氣端總噪聲量Eout為

式中：Ein為進入DPF的發(fā)動機原排氣噪聲量；Er為DPF進氣孔道內(nèi)反射的噪聲量；Ea為DPF所吸收的噪聲量；Ereg為流經(jīng)DPF的排氣所產(chǎn)生的再生噪聲量。

吸聲系數(shù)α作為評價多孔材料吸聲性能的主要參數(shù)之一，其取值區(qū)間在0～1，數(shù)值越大，代表材料的吸聲效果越好。由于孔道尺寸極小，反射噪聲Er可忽略，吸聲系數(shù)可近似為

圖2 壁流式DPF排氣噪聲示意圖

圖3 DPF壓降試驗和仿真結(jié)果對比

2 模型可靠性驗證

為提高模型仿真結(jié)果的可靠性，參照文獻［10］～文獻［12］中所采用的模型驗證方法，對DPF仿真的壓降和噪聲結(jié)果對照試驗數(shù)據(jù)進行驗證。模擬D30柴油發(fā)動機在1 200～2 400 r·min－1不同轉(zhuǎn)速下的外特性工況，以發(fā)動機排氣作為DPF的入口質(zhì)量流量邊界條件。由圖3可見，壓降模擬值與試驗值趨勢一致，僅低速段試驗值略高于模擬值，這是因為發(fā)動機冷起動不久，水溫低，燃油環(huán)境不佳，發(fā)動機處在低轉(zhuǎn)速高負荷工況下，燃燒環(huán)境相對惡劣，少量碳煙會沉積在DPF內(nèi)，加之試驗所用DPF非潔凈載體，經(jīng)歷過數(shù)次再生已有少量灰分積累，造成試驗所采集的DPF壓降數(shù)值略高。噪聲結(jié)果方面（見圖4），試驗值與模擬值稍有偏差，這是因為當前試驗條件下測量環(huán)境做到完全靜音較為困難，在噪聲測量過程中會受到少許環(huán)境噪聲的影響，但最大數(shù)值偏差亦在2 dB（A）內(nèi)，且噪聲模擬值與試驗值趨勢相符。模擬與試驗值較為吻合，誤差均在5%以內(nèi)，故該一維整機模型較為準確。

圖4 DPF噪聲試驗與仿真結(jié)果對比

3 DPF性能仿真

3.1 載體尺寸對DPF壓降和噪聲特性的影響

3.1.1 載體圓徑尺寸的影響

壁流式DPF的壓降損失主要來源于兩個方面，一方面是排氣在孔道內(nèi)的流動損失，另一方面是排氣在孔道壁面滲流過程的達西運動?？椎纼?nèi)的流動取決于孔道的表面粗糙度、長徑等參數(shù)，達西運動則取決于壁面孔隙率、壁厚等參數(shù)。

圖5 不同圓徑尺寸載體對DPF壓降的影響

圖5為同長度條件下不同圓徑尺寸載體對DPF壓降的影響。隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提升，3種不同圓徑尺寸載體壓降均呈現(xiàn)上升趨勢，且轉(zhuǎn)速越高，壓降增幅越大；其中，圓徑越小，DPF壓降越大，且壓降差異隨轉(zhuǎn)速的升幅越明顯。因為隨著轉(zhuǎn)速的升高，排氣流量增大，氣體流經(jīng)過濾體的流速提升，通過孔道及多孔介質(zhì)壁面的摩擦阻力增加，DPF壓降損失增加；隨載體圓徑尺寸增加，在孔道尺寸和載體單位面積孔道數(shù)一定情況下，整體有效流通面積增大，單一孔道內(nèi)流速得以降低，氣體流經(jīng)的過濾壁面有效面積增大，流阻下降，DPF壓降降低。

圖6為同長度條件下不同圓徑尺寸載體對DPF排氣噪聲的影響對比。排氣端噪聲聲壓級均隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提升而逐漸增大。因為伴隨轉(zhuǎn)速的提升，排氣流速增大，氣體流質(zhì)在孔道中快速通過，一部分在進氣孔道封堵的末端阻擋作用下產(chǎn)生回流，激發(fā)空氣振蕩產(chǎn)生噪聲；另一部分快速滲流過多孔介質(zhì)壁面，與壁面孔隙摩擦，產(chǎn)生輻射噪聲，并在排氣孔道側(cè)形成多個剪切流域，剪切流與排氣孔道內(nèi)部的軸向氣流運動相互作用，誘發(fā)氣體分子振蕩，產(chǎn)生強烈的氣壓和速度脈動變化，激發(fā)氣動再生噪聲。其中載體圓徑尺寸越大，產(chǎn)生排氣噪聲越大。圓徑尺寸增加，單個DPF孔道內(nèi)流速雖有減緩，相較于小尺寸載體，一定程度上有助于降低孔道內(nèi)的再生噪聲，但由于總孔道數(shù)增多，整體剪切流域變廣，形成更多輻射和氣動噪聲源，增大了整體噪聲量。

圖6 不同圓徑尺寸載體對DPF排氣噪聲的影響

由圖6可見，排氣噪聲在轉(zhuǎn)速1 200～1 600 r·min－1區(qū)間漲幅較大，在 1 600～2 000 r·min－1整體趨于平緩并在中間位置略有降低，在2 000～2 400 r·min－1緩慢增長；其中圓徑尺寸越大，在1 600～2 000 r·min－1轉(zhuǎn)速區(qū)間的中間位置降幅越明顯。

圖7 噪聲頻率聲壓級與發(fā)動機轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖7為加裝Φ190.5 mm載體DPF后，發(fā)動機在1 600～2 000 r·min－1轉(zhuǎn)速區(qū)間排氣端噪聲的頻域分析。轉(zhuǎn)速 1 600、1 800、2 000 r·min－1對應(yīng)的基頻分別為27、30、33 Hz，由于整機模型是四缸柴油機，從氣缸著火的脈沖頻率角度，排氣噪聲主要聲能集中在4階和8階諧頻，即120和240 Hz附近。從圖中可見，幾個主要噪聲聲壓級離散峰都在300 Hz內(nèi)，符合該轉(zhuǎn)速區(qū)間聲能量的集中區(qū)域，且1 800 r·min－1對應(yīng)的聲壓級離散峰值小于1 600和2 000 r·min－1，故在 1 600～2 000 r·min－1中間會出現(xiàn)排氣噪聲總聲壓級的降低。

3.1.2 載體長度的影響

圖8為同圓徑尺寸條件下不同長度載體對DPF壓降的影響。由圖可見，載體長度的變化對壓降損失影響不大，相較載體長度的大幅變化，DPF壓降僅略有增加。載體長度增加，其對應(yīng)的單個孔道長度增加，氣流與孔道壁面接觸面積增加，較大長徑比的DPF孔道內(nèi)部氣流接近層流運動，加之壁面孔隙率一定，長度增加變相增加了排氣壁流運動過程的有效流通面積。故DPF壓降隨長度增長略有提高的主要原因來自于孔道內(nèi)氣流的黏滯作用和與壁面接觸的摩擦損耗。

圖8 不同長度載體對DPF壓降的影響

圖9 不同長度載體對DPF排氣噪聲的影響

圖9為同圓徑條件下不同長度載體對DPF排氣噪聲的影響。由圖可見，載體長度的變化對DPF排氣噪聲影響不大。載體長度增加，其排氣噪聲聲壓級會略有增長。因為隨著載體長度增加，單個孔道長度增加，雖有效降低了層流速度，使其在進氣孔道末端封堵產(chǎn)生的回流氣動噪聲減小，但由于排氣壁面滲流時的有效接觸面積增多，氣體分子與多孔介質(zhì)的孔隙碰撞、摩擦的幾率大大增加，而這部分輻射噪聲和氣動噪聲是主要再生噪聲源，故整體噪聲水平會略有增長。

3.2 碳載量對DPF壓降和噪聲特性的影響

DPF載體模型尺寸為Φ170.2 mm×254 mm，初始碳載量分別設(shè)為0、4、8和12 g／L。圖10為不同碳載量對DPF壓降損失的影響。各碳載量下，DPF總壓降隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增長趨勢較為一致，轉(zhuǎn)速提升過程，碳載量越大，壓降損失增幅越明顯。碳煙量在0～4 g／L的區(qū)間內(nèi)時，即碳煙沉積的初始階段，DPF的總壓降升高，其中碳煙層壓降上升較緩和，深層過濾壓降增長較快，壓力損失不斷增加。因為該階段排氣所攜帶的碳煙顆粒主要被深床捕集，即在孔壁滲流過程中，微粒被多孔介質(zhì)的孔道和腔室捕集，迅速沉積在過濾體孔道周圍，導(dǎo)致壁面孔隙率和滲透率快速下降，流阻增大，壓降也隨之上升。

圖10 不同碳載量對DPF壓降損失的影響

隨著沉積過程的繼續(xù)進行，碳載量達4 g／L后，顆粒物的沉積逐漸以層堆積在孔道壁表面，此時壁面滲透率變化較小，僅少量會被深層捕集，隨著DPF捕集的碳煙量增多，濾餅層厚度也隨之增加，DPF壓降持續(xù)上升。隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，排氣流量加大，排氣溫度上升，加劇分子不規(guī)則運動，碳煙濾餅層厚度增加占據(jù)了孔道有效流通體積，孔道流速進一步提高，氣體分子碰撞的幾率大大提升，DPF壓降損失快速上升。

圖11為不同碳載量對DPF排氣噪聲總聲壓級和4、8階噪聲聲壓級的影響。由圖可見，隨著轉(zhuǎn)速升高，總噪聲和4、8階噪聲皆有所上升。因為轉(zhuǎn)速的提升使排氣流速和排氣溫度升高，在高溫、高速的氣流狀態(tài)下，孔道內(nèi)排氣穩(wěn)定的層流運動遭到破壞，促使孔道內(nèi)氣體的共振幾率大大增加，使得DPF氣動噪聲增加。

圖11 不同碳載量對DPF排氣噪聲的影響

由圖可見，各轉(zhuǎn)速條件下，隨著碳載量增加，DPF排氣噪聲總聲壓級和各階噪聲聲壓級均有所下降，其中8階噪聲隨轉(zhuǎn)速提升，在不同碳載量下噪聲聲壓級差異更加明顯，0與12 g／L碳載量DPF排氣端噪聲聲壓級最大差異達2 dB（A）以上。因為碳煙顆粒物沉積量增大，碳煙濾餅層厚度增加。碳煙層具有稀疏多孔的結(jié)構(gòu)特征，排氣流經(jīng)碳煙層的流阻增加，介質(zhì)阻抗系數(shù)的變化使聲音的傳播受到影響，加之碳煙層厚度的增加導(dǎo)致其內(nèi)部的多孔環(huán)境更為復(fù)雜，在氣體黏滯力和與孔道摩擦力作用下，部分聲能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，整體吸聲系數(shù)增大，DPF排氣噪聲降低。

3.3 灰分對DPF壓降和噪聲特性的影響

3.3.1 灰分分布系數(shù)的影響

DPF捕集微粒過程中，在不同的微粒沉積階段，其灰分的沉積形式會存在不同。微粒沉積初期，顆粒物更多是沉積在過濾體孔道表面，隨著微粒數(shù)量的不斷增多，DPF孔道內(nèi)氣流速度增加，灰分顆粒更多被吹向DPF進氣孔道后方。DPF的再生方式、溫度和發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況也會影響灰分的沉積形式。通常采用噴油助燃主動再生方式，排氣溫升快，微粒氧化快，灰分結(jié)構(gòu)松散，還有部分懸浮于半空，排氣氣流較大，灰分更容易被吹至末端形成堵頭；而采用連續(xù)被動再生時，微粒氧化相對較緩和，灰分更傾向于粘附于壁面，形成灰分層。此處引入灰分分布系數(shù)i的概念［12］，其表達式為

當i＝0時，代表灰分全部集中沉積在排氣孔道末端，形成灰分堵頭；當i＝1時，則表示灰分全部沉積在載體的過濾體壁面，形成灰分層；當i在0～1之間時，表示兩種沉積形式并存。

圖12所示為灰分沉積量為12.5 g／L時，不同灰分分布系數(shù)對DPF壓降的影響。同碳載量時，隨著灰分分布系數(shù)的變大，即灰分在孔道壁面的沉積量比重增加，DPF壓降呈現(xiàn)增長趨勢。因為當灰分的層狀分布沉積量增多時，減少了排氣在孔道中的流通截面積，導(dǎo)致孔道內(nèi)氣體流速增大，流阻增加，DPF壓降損失上升。

圖12 不同灰分分布系數(shù)對DPF壓降的影響

發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r·min－1時，灰分分布系數(shù)在0.3以內(nèi)，DPF壓降增長幅度很小，超過0.3以后壓降增長趨勢更明顯。因為較小灰分分布系數(shù)時，灰分更多以堵頭形式沉積，層狀灰分較少；而大灰分分布系數(shù)時，灰分更多以層狀形式沉積于壁面，氣體流動摩擦增加，DPF壓降上升更快。由此表明灰分的層狀分布影響壓降損失的能力大于灰分堵頭形式的分布。

相同分布系數(shù)下，碳載量越大，壓降越大，隨灰分分布系數(shù)增大，DPF壓降差異越明顯。因為灰分分布系數(shù)越大，層狀灰分越多，灰分層越厚，碳煙更趨向于沉積形成碳煙層，導(dǎo)致孔道內(nèi)氣體壓降損失上升。

圖13為不同灰分分布系數(shù)對DPF排氣噪聲的影響。轉(zhuǎn)速越高，排氣流速越大，產(chǎn)生再生噪聲越多。如圖13（a）所示，隨灰分分布系數(shù)的增大，灰分層占比大于灰分堵頭，增大了排氣氣流在孔道內(nèi)的有效接觸面積，透射進入灰分層的聲波越多，灰分層本身具有多孔結(jié)構(gòu)，聲波激發(fā)層內(nèi)空氣介質(zhì)受迫振動，在摩擦和氣體黏滯作用下部分聲能轉(zhuǎn)化成熱能被消耗，灰分層吸聲系數(shù)提高，噪聲聲壓級降低。如圖13（b）和圖13（c）所示，灰分分布系數(shù)越大，隨碳載量的增加，DPF排氣端聲壓級越低。在不同轉(zhuǎn)速情況，即隨DPF入口端氣體流量的增大，不同灰分分布系數(shù)下，碳載量對噪聲影響更加顯著。因為灰分分布系數(shù)越大，透射聲波量增多；層狀灰分阻礙了碳煙的深床捕集，碳煙層厚度隨碳載量增加，由碳煙、灰分疊加的沉積層其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，吸聲系數(shù)更大，有助于衰減透射進入的噪聲能量。

圖13 不同灰分分布系數(shù)對DPF排氣噪聲的影響

3.3.2 灰分沉積量的影響

DPF內(nèi)灰分的分布不會以單一的層狀分布形式或是灰分堵頭形式存在，在DPF內(nèi)微粒沉積形式、排氣氣流、再生方式和再生溫度等諸多因素的影響下，通常是兩種分布并存。故選用灰分分布系數(shù)0.7作為模擬灰分分布條件，即70%的灰分量以層狀形式分布于孔道壁面，剩余30%形成灰分堵頭。在0、5、12.5和25 g／L 4種不同的灰分沉積量下的DPF壓降對比如圖14所示。

圖14 不同碳載量下灰分對DPF壓降的影響

灰分沉積量增加，DPF壓降隨之增大。因為在固定灰分分布系數(shù)條件下，灰分量越大，灰分堵頭體積與灰分層厚度均增加，兩者侵占了DPF孔道的有效體積，氣體流速增大，捕集效率降低，孔道內(nèi)的微粒、氣體兩相流運動更加紊亂，摩擦損失增加，DPF壓降升高。且灰分堵頭變大減小了壁流有效面積，DPF壓降進一步增大。

相較于發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 400和1 800 r·min－1的情況，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升至2 400 r·min－1時，DPF壓降數(shù)值隨灰分量增加的增大趨勢也越顯著。因為此時流速大，溫度高，分子運動劇烈，隨灰分量增加，流阻更大。隨碳載量的增加，碳煙更傾向于形成碳煙層，孔道截面面積縮小，DPF壓降增幅越大。

圖15 不同碳載量下灰分對DPF排氣噪聲的影響

圖15為不同碳載量下，灰分對DPF排氣端噪聲的影響。無論是同灰分量下的不同碳載量，亦或是同碳載量不同的灰分，其表現(xiàn)出的均是隨沉積量增長，噪聲越小。因為沉積量的增加改變了碳煙-灰分濾餅層厚度，使得壁流過程的吸聲系數(shù)增加。同碳載量下，灰分量增加，不同轉(zhuǎn)速的噪聲差異值相較不大，這與DPF壓降數(shù)值差異隨灰分量變化情況截然不同。因為雖然轉(zhuǎn)速提升帶來了氣動再生噪聲增加，但是灰分層厚度增加消耗了壁流透射的聲能量，而灰分堵頭則損耗了來流本身攜帶的噪聲，這與流速增大引發(fā)的氣動噪聲產(chǎn)生量基本持平。

4 結(jié)論

（1）DPF潔凈載體圓徑尺寸越小，壓降越大，且壓降差異隨轉(zhuǎn)速的提升變得更加顯著，但載體長度對壓降的影響并不明顯；載體圓徑尺寸越大，DPF排氣端噪聲聲壓級越大，但載體長度對排氣噪聲影響同對壓降的影響效果一樣不明顯。

（2）無灰分沉積情況下，DPF壓降隨碳載量的增加呈現(xiàn)兩段變化，4 g／L內(nèi)深床沉積為碳煙主要沉積形式，壁面孔隙率快速下降，深層過濾壓降占主導(dǎo)，壓降快速增長；4 g／L后則主要為碳煙層沉積，碳煙層壓降占主導(dǎo)，壓降線性增長；碳煙層疏松多孔的層狀介質(zhì)結(jié)構(gòu)特點有助于聲能量的衰減，碳載量越大，碳煙層吸聲系數(shù)越高，DPF排氣端噪聲隨之有所降低。

（3）同灰分量下，灰分分布系數(shù)越大，DPF壓降越大；同灰分分布系數(shù)下，灰分量越大，DPF壓降越大；灰分層狀分布影響壓降損失的能力大于灰分堵頭。

（4）同灰分量下，灰分分布系數(shù)越大，壁面灰分層越厚，灰分堵頭越小，吸聲系數(shù)提高，DPF排氣端噪聲越小；同灰分系數(shù)下，灰分量越大，排氣噪聲聲壓級越低。