灰分和碳煙分布對(duì)DPF 再生性能的影響研究

陳貴升，馬龍杰，彭益源，袁征，向亦華，沈穎剛

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院；2.650501 云南省 昆明市 云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司）

0 引言

因柴油機(jī)具有較好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域[1-2]。這些年來隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)排放顆粒物（PM）越來越受到人們的關(guān)注。柴油機(jī)顆粒捕集器（Diesel particulate filter，DPF）是目前降低顆粒物最有效、技術(shù)成熟的后處理裝置之一[3-5]。柴油機(jī)微粒捕集器將捕集到的碳煙通過周期性或連續(xù)的高溫再生過程燃燒掉，從而達(dá)到降低排放的目的。再生結(jié)束后會(huì)有少量的灰分沉積在DPF 中，不僅會(huì)減少有效過濾面積，降低過濾效率，還會(huì)增加排氣流動(dòng)阻力，增加發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[6-9]。因此，研究灰分沉積對(duì)DPF 再生特性的影響是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)[10]。

國內(nèi)外研究學(xué)者從多方面研究了灰分對(duì)DPF壓降的影響。李志軍[11]等分析了孔道壁面厚度、孔道直徑、灰分量、碳煙量以及孔道壁面、灰分濾餅層、碳煙濾餅層滲透率下灰分分布對(duì)DPF 壓降的影響；侯獻(xiàn)軍[12]等分析了初始灰分層在DPF進(jìn)口通道的沉積位置和沉積形狀對(duì)再生性能的影響；Jia Fang[13]等通過臺(tái)架試驗(yàn)研究了碳煙沉積和再灰分量、灰分粒徑和灰分組成成分對(duì)DPF 性能的影響；朱亞永[14]等分析了非對(duì)稱孔結(jié)構(gòu)(ACT)和灰分沉積量及分布形式對(duì)DPF 壓降和微粒沉積特性的影響。目前，關(guān)于灰分沉積對(duì)DPF 再生特性的影響大多集中在對(duì)灰分分布、灰分滲透率等對(duì)DPF 再生壓降的影響，對(duì)于灰分沉積下碳煙分布不均勻性對(duì)DPF 再生特性的影響研究較少。本文結(jié)合3 種灰分分布和5 種碳煙分布，對(duì)DPF再生特性進(jìn)行了研究。為正確認(rèn)識(shí)灰分和碳煙對(duì)DPF 的影響提供了理論依據(jù)，同時(shí)，也為汽車廠家對(duì)于DPF 再生特性的研究提供了一定的參考。

1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的建立

試驗(yàn)總體布置如圖1 所示。其中，試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)加裝有催化型氧化轉(zhuǎn)換器DOC+催化型微粒捕集器DPF 裝置，滿足國Ⅳ排放水平的高壓共軌電控增壓柴油機(jī)。DOC 與DPF 具體相關(guān)參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)使用的燃油為國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)柴油，采用水渦測(cè)功機(jī)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，采用空氣流量計(jì)讀取進(jìn)氣質(zhì)量流量，采用壓力和溫度傳感器分別測(cè)量DPF 前、后端壓力和溫度。試驗(yàn)在轉(zhuǎn)速1 400 r/min、扭矩110 N·m的工況下進(jìn)行被動(dòng)再生試驗(yàn)，DPF 入口溫度控制在450 ℃。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布置圖Fig.1 Test setting

表1 DOC、DPF 載體主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of DOC and DPF vectors

2 DOC+DPF 再生模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

本文中使用的DOC+DPF 再生模型依據(jù)試驗(yàn)所用載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建而成。如圖2 所示，包括入口管、DOC、空腔區(qū)域、DPF、出口管4 部分，共計(jì)六面體網(wǎng)格數(shù)為385 624 個(gè)。模型設(shè)置排氣質(zhì)量流量為0.08 kg/s，排氣溫度為390 ℃，碳煙量為5e-4kg particles/kg gas，初始碳煙量為4 g/L。圖3 為DPF 的捕集和再生過程的模擬值與仿真值的壓降對(duì)比。可以看出，捕集和再生時(shí)的模擬值整體溫度略低于試驗(yàn)值，但整體誤差值都在5%以內(nèi)，整體趨勢(shì)一致。

圖2 DOC+DPF 網(wǎng)格模型及結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 DOC+DPF mesh model and structure size

圖3 再生過程試驗(yàn)值與模擬值壓降對(duì)比Fig.3 Comparison of pressure drop between test value and simulation value in regeneration process

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 碳煙不均勻性對(duì)捕集特性的影響

本節(jié)選擇如圖4 所示的5 種碳煙分布類型來分析其對(duì)DPF 捕集和再生特性的影響，即均勻分布、線性增加、線性減少、碳煙由中間向兩端遞增、碳煙由中間向兩端遞減。

3.2 碳煙不均勻性對(duì)再生特性的影響

圖5 是不同類型的碳煙分布下再生最高溫度隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知，在最高溫度達(dá)到560 ℃左右再生開始，兩種結(jié)構(gòu)載體溫度在200 s左右達(dá)到峰值，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體的溫度峰值高于對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體。這是因?yàn)榉菍?duì)稱載體孔道出口孔徑小于對(duì)稱載體，廢氣流通其孔道時(shí)停留時(shí)間較長(zhǎng)，溫度散失慢，加快了碳煙的燃燒速率。從碳煙分布類型的曲線可以看出，分布3 情況下的再生溫度首先達(dá)到峰值，分布4 情況下的溫度再生前期上升速率較慢且最后達(dá)到峰值，分布2 情況下峰值溫度最高。這是因?yàn)镈PF 再生時(shí)，當(dāng)進(jìn)入DPF 入口的廢氣溫度達(dá)到孔道前端著火點(diǎn)開始燃燒，釋放的熱量達(dá)到后端的碳煙著火點(diǎn)后，后端碳煙開始燃燒。

圖4 碳煙分布類型Fig.4 Distribution type of soot

圖5 碳煙分布對(duì)再生最高溫度的影響Fig.5 Influence of soot distribution on maximum regeneration temperature

由于分布3 情況下的碳煙在孔道前端沉積的較多，且廢氣溫度較高，當(dāng)碳煙起燃后釋放出較大的熱量，加速了后端碳煙的燃燒，因此，分布3 情況下升溫速率最快；分布2 情況下的碳煙在孔道前端分布較少，再生初期再生的碳煙量小于捕集的量，導(dǎo)致碳煙量不斷增加，隨著再生的進(jìn)行，當(dāng)孔道后端的碳煙達(dá)到起燃溫度后釋放出大量的熱量，升溫速率加快并很快達(dá)到峰值；分布4 情況下的碳煙由于在孔道中部分布較少，碳煙燃燒時(shí)釋放的熱量少，再生溫度出現(xiàn)了略微的下降，之后隨著碳煙量的增加，溫升速率也隨之加快。

圖6 是在不同類型的碳煙分布下，再生壓降隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知，壓降值在120 s 左右開始下降，且下降速率區(qū)域平緩；120～150 s 時(shí)對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體壓降大于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體；150～400 s時(shí)，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體壓降大于對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體。這是因?yàn)?，再生初期兩個(gè)載體孔道內(nèi)沉積的碳煙較多，對(duì)稱孔道碳煙層厚度大于非對(duì)稱孔道，氣流流通阻力較大，導(dǎo)致對(duì)稱孔道壓降較大，隨著再生的進(jìn)行，孔道內(nèi)部碳碳煙層變薄，廢氣流通孔道時(shí)，非對(duì)稱孔道出口孔徑較小，流通阻力較大，因此壓降較大。從碳煙分布類型不同可以看出，分布2 情況下的壓降最高，分布3 情況下的壓降最低。這是因?yàn)榉植? 情況下，載體孔道前端碳煙再生時(shí)釋放的熱量較少，導(dǎo)致傳遞給后端的熱量較少，而由于后端碳煙分布較多，其再生反而需要更多的熱量，因此，在這種分布情況下，碳煙再生壓降會(huì)受到嚴(yán)重的影響。而對(duì)于分布3，由于前端碳煙再生釋放的熱量較多，大量熱量向后端傳遞，而后端分布的碳煙較少，進(jìn)一步加速了碳煙的再生。

圖6 碳煙分布對(duì)再生壓降的影響Fig.6 Influence of soot distribution on regeneration pressure drop

圖7 為不同類型的碳煙分布下再生剩余碳煙量和再生效率對(duì)比。由圖可知，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)再生剩余碳煙量和再生效率優(yōu)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體。從不同碳煙分布類型的曲線可以看出，對(duì)稱和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體均在分布3 情況下碳煙再生率最高，分布1 和分布5 的碳煙再生效率最低。這說明碳煙在孔道內(nèi)的分布情況對(duì)其再生速率有很大影響，碳煙在孔道前端分布較多的情況下再生速率較快。結(jié)合以上對(duì)5 種碳煙分布下的再生溫度、再生壓降的分析可知，分布3 最有利于提高碳煙的再生效率。

圖7 碳煙分布對(duì)再生剩余碳煙量和再生效率的影響Fig.7 Influence of soot distribution on residual soot and regeneration efficiency

3.3 殘余灰分沉積對(duì)再生特性的影響

為了探究殘余灰分沉積對(duì)DPF 再生特性的影響，本節(jié)在DOC+DPF 再生模型的基礎(chǔ)上，研究分析碳載量為6 g/L、灰分量40 g/L 時(shí)不同灰分分布形式對(duì)DPF 再生特性的影響，其中碳煙分布選擇第3 種分布類型。假設(shè)灰分分布形式有如圖8 所示3 種：第1 種是均勻分布在進(jìn)口孔道壁面形成灰分濾餅層（s=1）；第2 種一半均勻分布在進(jìn)口孔道壁面形成灰分濾餅層（s=0.5）；第3 種是分布在進(jìn)口孔道末端，形成灰分堵塞段（s=0）。

圖8 灰分不同分布類型Fig.8 Different distribution types of ash

圖9 為不同灰分分布系數(shù)下，再生溫度隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知，對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體再生溫度峰值大于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體，這是因?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)載體出口孔徑小，溫度散失較慢，使碳煙再生速率增加。灰分分布不同時(shí)，灰分分布系數(shù)越低，再生溫度峰值越高。一方面因?yàn)榛曳址植枷禂?shù)的變化直接影響到過濾體的有效長(zhǎng)度的變化，灰分分布系數(shù)越小，則沉積在進(jìn)口末端的灰分越多，導(dǎo)致過濾體長(zhǎng)度減小，再生溫度升高；另一方面碳煙再生過程中燃燒放出的熱量由于灰分層的阻礙作用不能及時(shí)隨排氣流排出，主要通過熱傳導(dǎo)作用傳遞給載體，導(dǎo)致載體最高溫度隨灰分量的增加而升高。

圖9 灰分分布對(duì)再生最高溫度的影響Fig.9 Influence of ash distribution on maximum regeneration temperature

圖10 為灰分量40 g/L，不同灰分分布類型下再生壓降隨再生時(shí)間變化的曲線。由圖10 可知，對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體再生壓降大于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體，這是因?yàn)樘驾d量一定、灰分量較高時(shí)，非對(duì)稱孔道較對(duì)稱孔道的碳餅層和灰分層更薄，流通阻力小，從而壓降較小。

圖10 灰分分布對(duì)再生壓降的影響Fig.10 Influence of ash distribution on regeneration pressure drop

不同灰分分布系數(shù)下對(duì)比，灰分分布系數(shù)越大，壓降越低。當(dāng)灰分為0，即灰分全部分布于進(jìn)氣孔道堵塞處時(shí)，再生壓降最大；當(dāng)灰分分布系數(shù)為1，即灰分全部分布于孔道壁面上時(shí)，載體壓降最低。這是因?yàn)榛曳侄氯谶M(jìn)氣孔道堵塞處，孔道的有效過濾長(zhǎng)度顯著減小，造成碳煙的厚度更大，氣體流通面積減小，流通阻力增大，從而壓降增大。當(dāng)灰分全部分布于孔道壁面上時(shí)，造成碳煙量形成的碳餅層變厚，相比全部堵塞在進(jìn)氣孔道末端對(duì)碳煙層碳煙層厚度的影響小，因此壓降較小。

圖11 為灰分量40 g/L，不同灰分分布下碳煙量和再生效率的變化情況。由圖可知，隨灰分分布系數(shù)的增加，DPF 再生剩余碳載量減小，灰分分布系數(shù)為1 即灰分均勻分布在孔道壁面上形成灰分濾餅層時(shí)，DPF 剩余碳載量最低。兩種結(jié)構(gòu)型式的載體對(duì)比，非對(duì)稱孔道DPF 再生效率較高。綜合分析，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)載體除再生溫度峰值較高外，其綜合再生性能最優(yōu)。

圖11 灰分分布對(duì)再生剩余碳煙量和再生率的影響Fig.11 Influence of ash distribution on the amount and regeneration rate of recycled residual soot

4 結(jié)論

（1）排溫較高時(shí)，“線性增加”型的碳煙分布再生溫度溫升速率快，再生效率高，“線性減少”型的碳煙分布溫升速率較慢，峰值溫度高，再生效率差；

（2）孔道進(jìn)口末端灰分對(duì)DPF 再生的影響大于壁面灰分層的影響，末端灰分多，再生峰值和壓降高，再生效率較差。

（3）相同質(zhì)量的碳煙和灰分沉積時(shí)，不管何種碳煙和灰分分布，非對(duì)稱孔道的DPF 再生溫度峰值高，壓降低，再生效率好。