不同海拔下DPF 對柴油機性能及其流動特性影響

陳貴升，張 涵，陳家洪，羅 贏，彭益源，李春敏

(1. 昆明理工大學 云南省內(nèi)燃機重點實驗室，云南 昆明 650500；2. 中國人民解放軍31638 部隊，云南 昆明 650203；3. 昆明云內(nèi)動力股份有限公司，云南 昆明 650501)

面對環(huán)境污染日益嚴重的問題，世界各國制定了更加嚴格的排放法規(guī)，不斷推動內(nèi)燃機向零排放邁進.當前國Ⅵ頒布標志著中國對內(nèi)燃機及汽車產(chǎn)業(yè)提出更高要求[1]，降低柴油機顆粒排放物是目前研究的重要課題之一.柴油顆粒捕集器(DPF)是降低顆粒物排放最為有效的后處理手段之一[2]，捕集效率可達90%以上[3].國Ⅵ整車便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)測試中，增加了高原(2 400 m)排放檢測要求[4]，而我國地形環(huán)境復(fù)雜，高原覆蓋面積廣，海拔2 000 m 以上的地形占中國國土總面積的33%[5].在高海拔環(huán)境下，缸內(nèi)燃燒不充分，顆粒物排放增加，這對DPF 的工作特性提出了更高要求.DPF 壓降實質(zhì)上就是微粒沉積過程，而微粒沉積特性直接決定了DPF 的捕集效率[6]，由于DPF 內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部流場以及微粒沉積特性不易被觀察[7]，而采用仿真模擬手段可以探究其內(nèi)部工作狀態(tài).

Dong 等[8]采用優(yōu)化算法對高原環(huán)境下柴油機的工作狀態(tài)參數(shù)和性能指標進行了計算和優(yōu)化.Yang等[9]對不同海拔下渦輪增壓器和發(fā)動機的匹配方法進行了研究和優(yōu)化.Xia[10]研究了高原環(huán)境下柴油機的功率恢復(fù)問題.陳貴升等[11]研究了可變二級增壓柴油機在不同轉(zhuǎn)速工況下可變二級增壓系統(tǒng)葉片開度及其與EGR 耦合時的變海拔工作特性.在DPF 孔道內(nèi)部流動特性研究方面，Torregrosa 等[12]建立了DPF 的流體動力學模型，對穩(wěn)態(tài)和脈沖流動條件下整個DPF的壓降機理進行了研究.李志軍等[13]構(gòu)建了DPF 的1/4 微觀孔道模型，對潔凈載體孔道內(nèi)部氣體與微粒的流動進行了研究.可知，國內(nèi)外學者對不同海拔下發(fā)動機的工作特性進行了深入研究，但在海拔對柴油機和DPF 的工作特性以及DPF 孔道內(nèi)流動特性影響方面的研究則鮮見報道.

基于此，筆者通過數(shù)值模擬手段研究不同海拔下載體結(jié)構(gòu)和灰分對柴油機及DPF 性能的影響，探究不同海拔和灰分對DPF 孔道氣體流動和微粒沉積特性的影響，以期闡明DPF 孔道內(nèi)部微粒運動與遷移規(guī)律，為選擇國Ⅵ載體的選型和優(yōu)化DPF 催化劑涂覆方案提供參考[14].

1 模型構(gòu)建及驗證

1.1 一維模型構(gòu)建及驗證

筆者采用壁流式碳化硅(SiC)載體，該材料具有耐高溫、熱膨脹系數(shù)小和抗疲勞等優(yōu)點.圖1 為DPF非對稱孔道結(jié)構(gòu)示意.

圖1 非對稱孔道結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of asymmetric channel structure

排氣在DPF 孔道內(nèi)滿足質(zhì)量、能量和動量守恒三大定律，有

熱力學模型基于某高壓共軌柴油機進行構(gòu)建[15]，表1 為發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)，表2 為載體技術(shù)參數(shù).

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

碳煙層和灰分層的動態(tài)變化直接影響DPF 的捕集效率，因而筆者建立了碳煙層和灰分層的捕集效率模型.Esoot、Eash分別為碳煙層和灰分層捕集效率模型.為方便模型計算與收斂，對數(shù)值模型中載體的相關(guān)參數(shù)作以下理論假設(shè)：忽略膠黏區(qū)域，載體視為絕熱材料；將排氣視為理想氣體，假設(shè)所有排氣顆粒物粒徑相同且分布均勻.

式中：ηDR為捕集單元捕集效率；εsoot為碳煙層孔隙率；wsoot為碳煙層厚度；dc為捕集對象的直徑；εash為灰分層孔隙率；wash為灰分層厚度.

為保證模型計算的準確性，需要對模型進行可靠性驗證.模型驗證時海拔設(shè)為2 km，DPF 的碳載量設(shè)為2 g/L.圖2 分別為柴油機轉(zhuǎn)矩、功率、進氣流量、有效燃油消耗率(BSFC)、排氣溫度及NOx排放的模擬值與試驗值對比，各工況下模擬值與試驗值精度匹配均較高.圖3 為DPF 碳煙加載過程及不同工況下模型驗證.圖3a 中，初始碳載量設(shè)置為0 g/L，由于試驗中載體經(jīng)過多次再生，不可避免存在殘余灰分，而模擬中初始灰分設(shè)置為0 g/L，所以壓降的試驗值略高于模擬值，但差異較小且趨勢一致.為進一步驗證DPF 碳煙模型，在碳載量為2 g/L 條件下，對不同工況下DPF 壓降再次進行驗證，如圖3b 所示，誤差均在8%以內(nèi)，說明筆者所構(gòu)建的模型相對可靠，可用于仿真計算.

圖2 模擬值與試驗值對比Fig.2 Comparation of simulated and experimental value

圖3 DPF碳煙加載過程及不同工況下模型驗證Fig.3 DPF soot loading process and model verification under different working conditions

1.2 DPF微觀孔道模型構(gòu)建及驗證

圖4 為基于DPF 載體構(gòu)建的1/4 進/出口孔道的三維模型.載體內(nèi)有不同灰分加載時，只需改變模型中灰分層的幾何尺寸.

圖4 基于DPF構(gòu)建的1/4孔道模型Fig.4 1/4 channel model based on DPF carrier

模型將顆粒視為稀疏離散相，忽略粒子間的相互作用及粒子體積分數(shù)對流體相的影響，離散相顆粒軌跡通過求解拉式坐標下顆粒作用力的微分方程得到.粒子作用力平衡方程(x 方向)為

式中：u 為連續(xù)相速度；up為顆粒速度；FD(u-up)為顆粒單位質(zhì)量曳力；gx為x 方向重力加速度；ρp為顆粒密度；1ρ為流體密度；Fx為x 方向的其他作用力；Re為顆粒相對雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)；μ 為流體動力黏度；dp為顆粒直徑.對于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，a1、a2和a3為常數(shù).

通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，在海拔為2 km 時對模型進行可靠性驗證，顆粒入場速度為38 m/s，均勻進入進氣孔道，相關(guān)技術(shù)參數(shù)[16-17]見表3.定義排氣流在孔道和壁面的流動為層流流動，模擬計算過程中忽略傳熱和化學反應(yīng)過程.

表3 流動模型相關(guān)設(shè)置參數(shù)Tab.3 Related setting parameters of the flow model

圖5 為進/排氣孔道中心線壓力及速度模擬值與文獻[18]模擬值對比.可知，本文模擬值與文獻[18]模擬值的誤差較小，物理趨勢基本一致，可以較好地預(yù)測氣流在孔道內(nèi)的實際流動狀態(tài).模型中碳煙和灰分相關(guān)參數(shù)的設(shè)置參見文獻[19—20].

圖5 進/排氣孔道中心線壓力及速度模擬值與文獻[18]模擬值對比Fig.5 Comparison of simulated values of centerline pressure and velocity of inlet/outlet channels with those in Ref.[18]

2 載體結(jié)構(gòu)對發(fā)動機性能的影響

筆者在碳載量為4 g/L、灰分量為22 g/L 和灰分分布系數(shù)0.3 下進行模擬研究.圖6 為不同海拔下載體結(jié)構(gòu)對發(fā)動機性能的影響.圖6a 中，隨海拔升高，采用不同載體結(jié)構(gòu)的發(fā)動機動力性均下降.這是由于海拔上升，大氣壓力和溫度均下降，充氣效率下降，同時高海拔條件也會影響缸內(nèi)混合氣的形成.搭載300 目對稱結(jié)構(gòu)載體的發(fā)動機動力性高于200 目載體.這是由于200 目DPF 的孔隙率更低，單個孔道內(nèi)壁面碳煙和灰分累積更多，排氣背壓升高，進氣量減少，從而導(dǎo)致發(fā)動機動力性變差.

圖6b 和圖6c 為不同海拔下載體結(jié)構(gòu)對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響.不同海拔下，搭載300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體的柴油機有效燃油消耗率比200 目結(jié)構(gòu)載體更低.這是由于搭載200 目結(jié)構(gòu)載體的發(fā)動機排氣背壓更大，有效燃油消耗率升高，有效熱效率下降.發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時，有效燃油消耗率隨海拔的升高緩慢增加，而中、高轉(zhuǎn)速時，有效燃油消耗率隨海拔的升高迅速增加.這是由于海拔對中、高轉(zhuǎn)速時的進氣狀態(tài)影響更大，影響混合氣的形成，有效燃油消耗率增加.圖6d 中，隨海拔升高，搭載不同類型載體的柴油機缸內(nèi)溫度均升高.搭載200 目載體的柴油機在不同海拔下缸內(nèi)溫度均比搭載300 目載體的柴油機高.這是由于隨著海拔的升高，進氣量減少，缸內(nèi)熱容降低，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度上升.

圖6e 中，隨海拔升高，NOx排放升高.搭載300目對稱型DPF 的柴油機NOx排放最低.

圖6 不同海拔下載體結(jié)構(gòu)對發(fā)動機性能的影響Fig.6 Effect of carrier structure on engine performance under different altitudes

3 載體結(jié)構(gòu)和灰分對DPF性能的影響

3.1 不同海拔下載體結(jié)構(gòu)對DPF性能的影響

筆者針對柴油機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、全負荷工況進行研究.圖7 為不同海拔下載體結(jié)構(gòu)對DPF 壓降和捕集效率的影響.圖7a 中，當碳載量較小時，3 種載體結(jié)構(gòu)DPF 的壓降隨海拔升高而升高，碳載量大于4 g/L 后，海拔對3 種載體結(jié)構(gòu)DPF 的壓降影響較小.這是由于發(fā)動機排氣溫度升高，分子運動加劇，導(dǎo)致壓降上升；而DPF處于高碳載量時其內(nèi)部空間余量較低，由于海拔的升高使得排氣流量減小，從而降低壓降的效果提升，此時削弱了排氣溫度升高而帶來的影響，導(dǎo)致在高碳載量時海拔對載體壓降影響較小.

圖7b 中，隨著海拔的升高，3 種結(jié)構(gòu)DPF 的捕集效率均升高，200 目對稱型DPF 在各海拔下捕集效率均為最高.這是由于海拔升高，進氣量減少，排氣中顆粒物數(shù)量增多，分布在壁面的碳餅層變厚，碳餅層過濾作用增強，DPF 捕集效率上升.同時，海拔升高使發(fā)動機排氣背壓升高，排氣流量降低，有利于DPF 的捕集，捕集效率升高.

圖7 不同海拔下載體結(jié)構(gòu)對DPF性能的影響Fig.7 Effect of carrier structure on DPF performance under different altitudes

綜上，300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體在各海拔下壓降均為最低，雖然200 目對稱結(jié)構(gòu)載體在各海拔下捕集效率最高，但與300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體相差不大，并且其在各海拔下中、高碳載量時壓降超過40 kPa，所以300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體性能更優(yōu).

3.2 不同海拔下灰分對DPF性能的影響

筆者采用方案3 載體，設(shè)置碳載量為4 g/L 進行研究.圖8 為不同海拔下灰分分布系數(shù)對DPF 壓降和捕集效率的影響.隨海拔和灰分分布系數(shù)的上升，DPF 壓降和捕集效率均有不同程度的升高.這是因為隨海拔和灰分分布系數(shù)的上升，分布在壁面的層狀灰分增加，降低了孔道流通面積，流動阻力上升，DPF壓降升高.層狀灰分對壓降的影響要高于灰分堵頭，雖然灰分堵頭減小了孔道內(nèi)的流通長度，但是其作用程度有限，所以對DPF 壓降影響較小.隨海拔上升，300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體壓降有小幅升高，并且在灰分分布系數(shù)大于0.6 后，載體壓降曲線斜率增大.

圖8 不同海拔下灰分分布系數(shù)對DPF性能的影響Fig.8 Effect of ash distribution coefficients on DPF performance under different altitudes

圖9 為不同海拔下灰分量對DPF 壓降和捕集效率的影響.圖9a 中，300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體壓降隨海拔的升高而升高，但整體變化不大.隨灰分量的增大，DPF 壓降升高.所有灰分量下300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體壓降均維持在較低水平，說明非對稱孔結(jié)構(gòu)容灰能力較強.圖9b 中，300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體捕集效率隨海拔升高而略有提升.海拔升高的同時排氣流量也隨之降低，由于溫度升高，氣體黏度增大，使碳煙更容易被捕集，捕集效率升高.隨灰分量的增大，DPF捕集效率呈先降低后升高的趨勢，但差距較小.

圖9 不同海拔下灰分量對DPF性能的影響Fig.9 Effect of ash content on DPF performance under different altitudes

綜合不同海拔下載體結(jié)構(gòu)和灰分對柴油機及DPF的影響可知，300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體性能更優(yōu).因而選用300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體進行不同海拔下DPF 流動特性的分析.

4 灰分分布對DPF孔道內(nèi)氣相流動的影響

4.1 不同灰分分布下DPF孔道內(nèi)氣相流動分析

針對方案3 載體，設(shè)置海拔為0 km、碳載量為4 g/L 且灰分量為22 g/L.圖10 為不同灰分分布系數(shù)下DPF 孔道內(nèi)顆粒運動軌跡.沿DPF 軸向方向，DPF 孔道內(nèi)顆粒沉積分布呈前端少、后端多的趨勢，顆粒的速度由入口端逐漸降低，直至為0.沿DPF 徑向方向，越靠近多孔介質(zhì)壁面，顆粒受到的阻力越大，所以越容易被捕集，孔道中心速度越高，顆粒在孔道中的運動距離也更遠.隨灰分分布系數(shù)的增大，顆粒在進口孔道內(nèi)運動速度增加，顆粒運動速度峰值向載體后端遷移；顆粒速度運動軌跡線更加密集，捕集顆粒數(shù)增多，顆粒不均勻性更明顯.

圖10 不同灰分分布系數(shù)下DPF孔道內(nèi)顆粒運動跡線Fig.10 Particle movement traces in DPF channels under different ash distribution coefficients

圖11 為不同灰分分布系數(shù)下DPF 進/出口孔道中心線氣流速度和壓力.各灰分分布系數(shù)下，進口孔道中心線氣流速度先增大后減小，出口孔道中心線氣流速度都逐漸增大.隨灰分分布系數(shù)的增大，進口孔道中心線氣流速度在孔道前端變化不大，在孔道后端大灰分分布系數(shù)時速度呈逐漸增大的趨勢.出口孔道中心線氣流速度下降，這是由于灰分分布系數(shù)的增大使得載體壁面的滲透率降低，導(dǎo)致氣流通過更厚的灰分層時損耗的勢能增加，從而使得出口孔道內(nèi)氣流速度下降.灰分分布系數(shù)增大，進/出口孔道中心線壓力都逐漸降低，且壓力都在末端變?yōu)?.這是由于灰分分布系數(shù)越大，氣流通過壁面的壓力損失越大.

圖11 不同灰分分布系數(shù)DPF進/出口孔道中心線速度和壓力Fig.11 Centerline velocity and pressure of DPF inlet/outlet channels under different ash distribution coefficients

4.2 不同海拔下DPF孔道內(nèi)氣相流動分析

載體參數(shù)同4.1 節(jié)，設(shè)置灰分分布系數(shù)為0.3.圖12 為不同海拔下DPF 孔道內(nèi)顆粒運動軌跡.沿DPF軸向方向，隨海拔升高，進口孔道內(nèi)顆粒運動速度增加，顆粒運動速度峰值向載體后端遷移，進口孔道末端顆粒數(shù)量增多，顆粒速度運動軌跡線更加密集，并且其軌跡雜亂程度更顯著.這是由于海拔升高，排氣溫度升高，分子擴散運動效果增強，顆粒運動速度增大，顆粒在孔道內(nèi)的運動距離更遠，在孔道末端顆粒受紊流脈動影響增強，產(chǎn)生的氣流回流現(xiàn)象更明顯.

圖12 不同海拔下DPF孔道內(nèi)顆粒運動跡線Fig.12 Particle movement traces in DPF channels under different altitudes

圖13 為不同海拔下DPF 孔道內(nèi)壓力分布.在各海拔DPF 軸線方向上，進/出口孔道壓力逐漸減小，在灰分堵頭處壓力降為0.這是由于沿DPF 軸向方向，進口孔道內(nèi)壓力受沿層阻力的影響，壓力下降；由于出口孔道末端邊界為相對大氣壓(0 kPa)，所以其壓力逐漸降低.隨海拔升高，進口孔道和出口孔道壓力均逐漸升高.這是因為隨著海拔上升，雖然進氣量的減少會使壓力降低，但是排氣溫度升高，分子熱運動速率增大使壓力增大，此時排氣溫度升高的作用更明顯，所以壓力升高.

圖13 不同海拔下DPF孔道內(nèi)壓力分布Fig.13 Pressure distribution in DPF channels under different altitudes

圖14 為不同海拔下DPF 進/出口孔道中心線氣流速度和壓力.隨海拔升高，進/出口孔道中心線氣流速度均升高，并且在灰分堵頭處，各海拔下進口孔道中心線斜率均下降.這是由于海拔升高，排氣溫度升高，氣流運動速度加快，在灰分堵頭處，受到孔道末端壁面封堵的作用，曲線斜率下降，氣流速度上升更慢.進/出口孔道中心線壓力隨海拔的升高而升高，最終在孔道末端減小為0.海拔越高，進/出口孔道中心線壓力減小得越快.

圖14 不同海拔下DPF進/出口孔道中心線速度和壓力Fig.14 Centerline velocity and pressure of DPF inlet/outlet channels under different altitudes

圖15、圖16 分別為不同海拔下DPF 孔道內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度分布和速度分布.圖15 中，在不同海拔下，孔道軸向方向上顆粒質(zhì)量濃度分布均呈前少后多的趨勢.隨海拔的升高，沿入口端位置至孔道末端顆粒質(zhì)量濃度整體略有降低，在靠近灰分堵頭處顆粒質(zhì)量濃度隨海拔的變化最明顯.

圖15 不同海拔下DPF內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度分布Fig.15 Particle mass concentration distribution in DPF under different altitudes

圖16 不同海拔下DPF內(nèi)顆粒速度分布Fig.16 Particle velocity distribution in DPF under different altitudes

圖16 中，在各海拔下顆粒的速度均呈先增大后減小的趨勢，顆粒在載體前、中段速度達到最大值，并在灰分堵頭處速度均降為0.隨海拔升高，孔道內(nèi)顆粒運動速度增加，微粒束逐漸向孔道后端集中，顆粒分布不均勻性更明顯.這是由于隨海拔升高，顆粒運動速度增大，DPF 進口孔道前端的速度增大，使孔道前端捕集效率降低，捕集量減少，而后端捕集量增多.

5 結(jié) 論

(1) 隨海拔升高，柴油機動力性及經(jīng)濟性下降，缸內(nèi)溫度升高；300 目非對稱結(jié)構(gòu)載體各海拔下壓降特性均最優(yōu)，其對柴油機工作特性影響最小.(2) DPF 壓降隨海拔的升高而增大，碳載量的提高會削弱該效果；灰分分布系數(shù)及海拔的升高均可提高DPF 捕集效率；隨灰分分布系數(shù)的增大，顆粒逐漸向孔道后端遷移，顆粒不均勻性更明顯.

(3) 不同海拔下，孔道內(nèi)顆粒的速度均呈先增大后減小的趨勢，顆粒質(zhì)量濃度呈前少后多的不均勻性；隨海拔升高，進/出口孔道中心線氣流速度和壓力均增大；隨海拔升高，孔道內(nèi)顆粒運動速度增加，孔道末端顆粒數(shù)量增多，軌跡雜亂程度更顯著.