不同孔道形狀對(duì)DPF再生性能的影響研究

盧志美，覃神全，李艷勤，黎華揚(yáng)

（廣西玉柴動(dòng)力股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

柴油機(jī)微粒捕集器（DPF）作為降低PM最有效的后處理裝置之一，憑借其簡(jiǎn)單高效的工作特性被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、發(fā)電等領(lǐng)域[1]。

DPF在顆粒過(guò)濾期間，過(guò)濾效率高達(dá)90%以上[2]，甚至在形成煙灰層后能達(dá)到100%[3]。但由于DPF孔道內(nèi)的容積有限，顆粒沉積過(guò)多將導(dǎo)致排氣壓降升高，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，因此必須以定期燃燒的方式去除顆粒物實(shí)現(xiàn)DPF再生[4]。但在DPF再生過(guò)程中碳煙顆粒燃燒會(huì)產(chǎn)生局部高溫，容易損壞DPF的孔道結(jié)構(gòu)，需要對(duì)其孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前，已經(jīng)有許多學(xué)者研究了孔道結(jié)構(gòu)對(duì)DPF工作特性的影響。Nakamura等[5]將載體通道由標(biāo)準(zhǔn)正方形幾何體變?yōu)檎也ㄐ蔚耐ǖ罆r(shí)。結(jié)果表明，增大過(guò)濾面積能夠降低其背壓。Ingram等[6]設(shè)計(jì)了非對(duì)稱通道結(jié)構(gòu)的DPF，將入口通孔增大，出口保持不變。研究發(fā)現(xiàn)：同樣顆粒存儲(chǔ)量的情況下，非對(duì)稱DPF的壓降僅是標(biāo)準(zhǔn)DPF的一半。Segawa等[7]研究發(fā)現(xiàn)六邊形非對(duì)稱通道過(guò)濾器具有較大的開(kāi)放通道面積，并且其壓降低于方形對(duì)稱通道過(guò)濾器。

目前對(duì)DPF孔道結(jié)構(gòu)的研究主要集中在顆粒捕集階段方面，而模擬不同形狀孔道比對(duì)主動(dòng)再生過(guò)程中的再生性能的研究鮮有報(bào)道。因此，采用三維模型研究了不同形狀孔道結(jié)構(gòu)對(duì)其主動(dòng)再生過(guò)程中溫度場(chǎng)、壓降和再生效率的變化規(guī)律，對(duì)DPF再生過(guò)程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 氣相控制方程

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：i為氣體通道，i=1為進(jìn)氣道，i=2排氣道；w為壁面厚度；ρ為氣流密度；v為通道的氣體流速；z為通道中的軸向方向；p為氣體壓力；F為方形通道內(nèi)的壓降系數(shù)，取值為28.45 Pa；μ為排氣的動(dòng)力黏度；T為內(nèi)氣流的混合溫度；cp為氣體的比熱容，hi為過(guò)濾體孔道氣流與過(guò)濾體壁面之間的對(duì)流換熱系數(shù)。

1.2 固相控制方程

質(zhì)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρp為顆粒層密度，wp為顆粒層厚度；Mc表示碳的分子量；MO2表示氧氣的分子量；Y1為進(jìn)口通道的氧氣濃度；Sp為被捕集的微粒層的比面積；cp，p是顆粒層的比熱；ws為過(guò)濾壁厚；cp，s是過(guò)濾器壁的比熱容。

燃燒熱Qreact滿足方程：

式中△HO2為反應(yīng)生成焓。

對(duì)流熱傳導(dǎo)Qcond滿足方程：

式中，λp為顆粒層的導(dǎo)熱率；λw為過(guò)濾層的導(dǎo)熱率。

氧氣組分在壁面上滿足平衡方程：

式中，Ww為壁中的含氧量。

1.3 壓降控制方程

氣流經(jīng)過(guò)DPF載體產(chǎn)生壓降損失，過(guò)濾壁面和顆粒層被視為兩個(gè)相連的多孔介質(zhì)層，壓降損失遵從達(dá)西定律，即

式中，kp和ks分別為顆粒層和壁面的滲透率。

1.4 反應(yīng)機(jī)理

DPF的主動(dòng)再生通過(guò)直接提高進(jìn)氣溫度使碳微粒與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，主要化學(xué)反應(yīng)機(jī)理如下：

在等式（10），α為碳顆粒氧化反應(yīng)的完全系數(shù)，一般為0.55～0.90。碳粒子氧化反應(yīng)的焓ΔH可以表示如下

其中ΔH（i）和ΔH（ii）分別是CO2和CO的形成焓，J/mol。

1.5 孔道結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)的DPF孔道是方形的壁流式結(jié)構(gòu)。為了研究不同孔道結(jié)構(gòu)對(duì)DPF再生性能的影響，提出了兩種用于過(guò)濾器的不同通道結(jié)構(gòu)，。3種孔道結(jié)構(gòu)分別為正方形、六邊形和八邊形，如圖1所示。

圖1 DPF的不同通道形狀

2 物理和數(shù)學(xué)模型

DPF主要由進(jìn)氣管路、濾芯和出氣管路三部分組成。本研究采用壁流式碳化硅DPF，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。采用AVL-FIRE軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)氣道和出氣道的網(wǎng)格設(shè)置為5 mm，燃燒區(qū)域的網(wǎng)格為3 mm。DPF的計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

表1 DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 DPF計(jì)算網(wǎng)格

3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，對(duì)DPF再生過(guò)程進(jìn)行了大量的建模和數(shù)值模擬研究，本研究得到的模擬結(jié)果與Mayari的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證[8]。其中，模型驗(yàn)證計(jì)算過(guò)程所需的排氣狀態(tài)參數(shù)和過(guò)濾器結(jié)構(gòu)參數(shù)與文獻(xiàn)中的參數(shù)保持一致。模型求解參數(shù)見(jiàn)表2。圖3顯示了在DPF中心軸上三個(gè)位置的壁溫測(cè)量結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的比較。顯然，由該圖可以看出當(dāng)前研究的模擬結(jié)果和文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果之間有良好的一致性，且誤差較小，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖3 模型驗(yàn)證

表2 模型求解參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 不同孔結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響

在不改變DPF過(guò)濾體其他參數(shù)的情況下，改變過(guò)濾體的孔道結(jié)構(gòu)，研究其對(duì)再生過(guò)程的影響。根據(jù)八邊形通道的DPF在145 s時(shí)候達(dá)到峰值溫度，壁面峰值溫度為1164.82 K（圖4）。六邊形結(jié)構(gòu)在190 s的時(shí)候達(dá)到峰值溫度，為1097.45 K。而方形孔道峰值溫度在200 s的時(shí)候達(dá)到1084.53 K的峰值溫度。3種孔道結(jié)構(gòu)中，正方形結(jié)構(gòu)峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)最晚，峰值溫度也最小。這是因?yàn)榘诉呅慰椎赖娜肟谕ǖ琅c出口通道相比來(lái)說(shuō)，入口通道的密度大于出口通道，就導(dǎo)致每個(gè)入口通道中的煙灰分布較為均勻，燃燒得更充分，產(chǎn)生的熱量更高且更集中，且加上密度較少的出口通道不利于熱量排出，就容易導(dǎo)致峰值溫度出現(xiàn)得更快且更高。

圖4 不同孔結(jié)構(gòu)對(duì)再生峰值溫度的影響

4.2 不同孔結(jié)構(gòu)對(duì)壓降的影響

DPF再生過(guò)程中不同孔結(jié)構(gòu)對(duì)壓降的影響如圖5所示。可以看出，雖然初始的煙灰顆粒容量是一樣的，但由于微粒在DPF孔道中的分布不同，導(dǎo)致初始的壓降也不一樣。其中，八邊形孔道的初始?jí)航底罡?，正方形孔道的次之，六邊形孔道的初始?jí)航底畹汀＿@是因?yàn)槲⒘Ｔ谌肟谔幍奈⒘］^少，對(duì)氣流的流動(dòng)阻力較少，故壓降最小。隨著DPF的再生，由于溫度升高導(dǎo)致氣體膨脹，加速微粒無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，碰撞幾率變大，氣體黏度增加，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，從而使壓降升高。其中八邊形孔道的煙灰顆粒所產(chǎn)生的壓降最高，這是因?yàn)榧词乖谙嗤念w粒容量下，均勻分布的微粒所能容納的微粒也是最多的，再生燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的溫度也就越高，從而導(dǎo)致更大的壓差。

圖5 手動(dòng)控制界面

圖5 不同孔結(jié)構(gòu)對(duì)再生壓降的影響

4.3 不同孔結(jié)構(gòu)對(duì)再生速率的影響

圖6為不同形狀的進(jìn)出孔道DPF的碳載量隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可知，在未達(dá)到再生溫度初期，碳載量保持不變。當(dāng)達(dá)到再生溫度后，八邊形孔道DPF的碳載量首先開(kāi)始下降，且下降趨勢(shì)最為迅速。六邊形的下降趨勢(shì)次之，正方形的最慢。再生結(jié)束后，八邊形DPF載體內(nèi)殘留的碳煙質(zhì)量更小。這是因?yàn)檫^(guò)濾體直徑和通道密度不變時(shí)，八邊形孔道使得進(jìn)氣孔道表面碳煙層面積增大，與排氣接觸面積增加。在再生過(guò)程中，由于八邊形孔道DPF熱量排出較慢，排氣與載體壁面的熱交換更多，使得再生速度較快，總體的再生效率也有所增大。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，得出以下結(jié)論：

（1）DPF再生過(guò)程中的壓降呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢(shì)，且再生后壓降大于初始?jí)航怠?/p>

（2）八邊形孔道DPF和六邊形孔道DPF再生過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的峰值溫度，但八邊形孔道具有最快的再生速率，六邊形孔道所產(chǎn)生的壓降最小。