基于EDEM-CFD的柴油機(jī)DPF孔道內(nèi)積碳層堵塞特性研究

張 韋，孟麗蘋，李澤宏，陳朝輝，白宇麒，張翔宇

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

基于EDEM-CFD的柴油機(jī)DPF孔道內(nèi)積碳層堵塞特性研究

張 韋，孟麗蘋，李澤宏，陳朝輝※，白宇麒，張翔宇

（昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院，云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500）

為探究柴油機(jī)顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）內(nèi)部積碳層運(yùn)動引起的堵塞故障，該研究采用積碳層運(yùn)動與分布可視化試驗(yàn)，并結(jié)合離散單元法（E-Discrete Element Method，EDEM）與計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD），分別對對稱、非對稱（ACT）結(jié)構(gòu)D型及O型3種DPF孔道內(nèi)部的流場壓降、積碳層運(yùn)動及堵塞特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：3種結(jié)構(gòu)的DPF進(jìn)氣孔道中心流速相差較小，但排氣孔道中心流速相差較大，ACT結(jié)構(gòu)O型排氣孔道的出口流速最快，比對稱結(jié)構(gòu)快47 m/s；ACT結(jié)構(gòu)O型的靜壓差最大，是ACT結(jié)構(gòu)D型靜壓差的1.4倍，是對稱結(jié)構(gòu)的3.3倍；在3種結(jié)構(gòu)的DPF進(jìn)氣孔道中，90%以上的積碳層發(fā)生了運(yùn)動，對稱結(jié)構(gòu)的堵塞最嚴(yán)重，在進(jìn)氣孔道前、中、后段均形成了堵塞；ACT結(jié)構(gòu)D、O型DPF的堵塞程度較輕，在進(jìn)氣孔道中、后段形成堵塞，且O型堵塞情況好于D型；積碳層密度越大，堵塞位置越靠近進(jìn)氣孔道入口端，導(dǎo)致進(jìn)氣孔道的有效空間減少；積碳層密度越大，進(jìn)氣孔道內(nèi)的最大堵塞密度反而減小，表明氣體通過堵塞段的流通性能有所改善。相比之下，對稱結(jié)構(gòu)DPF的孔道堵塞雖嚴(yán)重，但未經(jīng)碳加載時的靜壓差小于2.4 kPa，而ACT結(jié)構(gòu)的孔道堵塞程度輕，靜壓差卻極大，D型最高可達(dá)6.3 kPa、O型可達(dá)9.1 kPa。研究結(jié)果可為解決DPF孔道堵塞問題提供理論依據(jù)與工程指導(dǎo)。

柴油機(jī)；EDEM；CFD；顆粒捕集器；積碳層；堵塞特性

0 引 言

柴油機(jī)具有較強(qiáng)的動力性，是農(nóng)業(yè)機(jī)械等非道路移動機(jī)械不可替代的動力源，但柴油機(jī)的顆粒物（Particulate Matter，PM）排放量較高，為汽油機(jī)的30～80倍[1]。顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）是目前去除PM最有效的后處理裝置，PM捕集過程中的3個階段分別為深床期、過渡期和積碳層期，每個階段的載體壓降升高程度有所不同[2]。積碳層從過濾壁面脫落后會隨氣流運(yùn)動堵塞進(jìn)氣孔道，使得載體背壓突增[3]，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性下降。載體背壓是評估DPF再生時機(jī)的重要依據(jù)[4]，背壓過高會導(dǎo)致再生間隔縮短，增加載體燒損風(fēng)險。因此探究DPF進(jìn)氣孔道內(nèi)積碳層堵塞特征對提高發(fā)動機(jī)效率、增加載體耐久性具有重要意義。

受DPF工作時內(nèi)部溫度高，氣流速度快以及孔道結(jié)構(gòu)的影響，難以直接觀測孔道中沉積物的氧化及運(yùn)動過程。李志軍等[5-6]建立三維對稱/非對稱DPF孔道模型對捕集過程進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)碳煙厚度增加對壓降的升高有顯著影響，而非對稱結(jié)構(gòu)有利于降低壓降。為深入研究碳煙沉積過程，Du等[7]采用激光位移傳感器、掃描電鏡技術(shù)對DPF再生過程進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)與過濾壁面接觸的積碳層表面氧化較快，堆積碳層內(nèi)部氧化速率慢且氧化時間長，造成了積碳層的裂解收縮。Kameya等[8]通過自主設(shè)計(jì)的DPF局部可視化試驗(yàn)，觀測到積碳層的詳細(xì)演變過程，并發(fā)現(xiàn)積碳層氧化后脫離壁面向下游孔道運(yùn)動。Sanui等[9]從場發(fā)射掃描電子顯微鏡記錄的延時圖像中清晰地看到積碳層與過濾壁面之間的松動接觸，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動翻轉(zhuǎn)是造成積碳層團(tuán)聚堆積的主要誘因。Wang等[10]發(fā)現(xiàn)積碳層向下游運(yùn)輸過程中由于不易破碎而淤塞在進(jìn)氣孔道中間部位，Kamp等[11]利用斷層掃描技術(shù)還發(fā)現(xiàn)了大量長度不等的堵塞段，占據(jù)孔道一半以上的容積。

目前關(guān)于DPF堵塞的研究大多對積碳層的局部運(yùn)動過程進(jìn)行了試驗(yàn)觀察，關(guān)于特征參數(shù)及孔道結(jié)構(gòu)對積碳層運(yùn)動及分布的影響研究則較少。本文通過積碳層運(yùn)動與分布可視化試驗(yàn)，結(jié)合離散單元與計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）計(jì)算方法，探究發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下碳積層造成的孔道堵塞與分布特性，并分析孔道堵塞的影響因素，以期為載體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和選型、DPF孔道內(nèi)部催化劑涂覆方案以及通過控制載體溫度、氣流速度等方式促進(jìn)DPF再生提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 EDEM-CFD耦合方程

本文將離散單元法（E-Discrete Element Method，EDEM）與CFD結(jié)合，求解氣-固兩相流場，探究積碳層在DPF進(jìn)氣孔道內(nèi)不同空間位置的堵塞特性。由于歐拉-歐拉法更適用于求解氣-固兩相流問題，故本文采用該模型進(jìn)行仿真模擬，-控制方程與連續(xù)性方程如下[12]：

在EDEM計(jì)算的過程中，涉及多個積碳層相互碰撞時的接觸力，定義碰撞的積碳層為，被碰撞的為，因此選取DEM中的Hertz-Mindlin（無滑移）模型作為邊界條件，積碳層和的法向、切向彈性系數(shù)K,xy、K,xy如下：

1.2 氣相控制方程

未加載碳煙時DPF中的氣相流動符合質(zhì)量守恒、動量守恒定律，控制方程[13]為

2 積碳層沉積模型構(gòu)建與驗(yàn)證

2.1 孔道結(jié)構(gòu)

由于壁流式SiC材質(zhì)DPF具有耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好、捕集效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前得到廣泛應(yīng)用。本文采用的DPF孔道結(jié)構(gòu)分別為對稱結(jié)構(gòu)、非對稱（ACT）結(jié)構(gòu)D型和O型，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 DPF技術(shù)參數(shù)

上述3種DPF結(jié)構(gòu)中，對稱結(jié)構(gòu)DPF孔道前后端交替通堵設(shè)計(jì)，載體的進(jìn)、排氣孔道相鄰，兩者孔徑邊長相等，前后端面如圖1a所示。ACT結(jié)構(gòu)的DPF同樣為前后端交替通堵設(shè)計(jì)，但進(jìn)/排氣道孔徑邊長比大于1，這種結(jié)構(gòu)可使進(jìn)氣孔道具有更大的碳煙、灰分存儲空間[15]。其中，D型結(jié)構(gòu)的進(jìn)、排氣孔道相鄰，孔徑邊長長的為進(jìn)氣孔道，邊長短的為排氣孔道，前后端面如圖1b所示；O型結(jié)構(gòu)由一個孔徑邊長的排氣孔道與相鄰的3個進(jìn)氣孔道組成，進(jìn)氣孔道總數(shù)為排氣孔道的3倍，前后端面如圖1b所示。

圖1 不同結(jié)構(gòu)DPF的前、后端面

2.2 DPF孔道模型構(gòu)建及驗(yàn)證

根據(jù)圖1中虛線框的區(qū)域構(gòu)建1/4孔道模型，如圖2所示。EDEM計(jì)算中要求網(wǎng)格直徑為固體顆粒直徑的3～5倍[16]，因此劃分的網(wǎng)格數(shù)量分別為對稱結(jié)構(gòu)1 057 471、ACT結(jié)構(gòu)D型881 559及O型881 559。利用EDEM與Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，研究孔道內(nèi)的流場壓降、積碳層的運(yùn)動分布。

采用D30高壓共軌柴油機(jī)作為DPF的適配機(jī)型，發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)如表2所示。研究工況為較常用的1 200 r/min、100%負(fù)荷，此時排氣質(zhì)量流量為0.053 kg/s，排氣溫度為445 ℃。驗(yàn)證測試采用對稱結(jié)構(gòu)DPF，入口端流速為26.5 m/s，出口邊界條件為壓力出口。圖3為進(jìn)、排氣孔道中心線的無量綱速度對比。模擬值與文獻(xiàn)[17]值的誤差小于3%，變化趨勢一致，表明所建孔道模型能滿足仿真計(jì)算要求。

2.3 積碳層沉積模型

柴油機(jī)廢氣中的PM被捕集后，在DPF孔道內(nèi)堆積成0.03～0.2 mm[18]厚的積碳層，再生后裂解成形態(tài)各異的餅狀積碳層[19-20]，如圖4所示。為了便于分析，將積碳層簡化為密度均勻的圓形、正方形、三角形3種基礎(chǔ)形狀[19]，均勻附著在孔道內(nèi)壁面，其中DPF和積碳層的密度、泊松比等物性參數(shù)基于文獻(xiàn)[21-25]設(shè)置，具體如表3所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)DPF的1/4孔道網(wǎng)格模型

表2 D30發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

為提高計(jì)算精度，將EDEM中時間步長設(shè)置為瑞利時長的27.53%，符合5%～40%[26]的穩(wěn)定計(jì)算范圍，即時間步長設(shè)置為1×10-8s。Fluent中的時間步長為EDEM的整數(shù)倍，設(shè)置為1×10-5s，仿真模擬以積碳層運(yùn)動后堆積到末端，或擁塞至孔道中段不再移動時結(jié)束。

圖3 孔道中心線速度模擬值與文獻(xiàn)[17]結(jié)果對比

2.4 積碳層沉積模型試驗(yàn)驗(yàn)證

由于真實(shí)DPF孔道細(xì)長狹窄，難以直接觀測積碳層的運(yùn)動，因此將載體孔道及積碳層按1∶40等比放大，搭建積碳層運(yùn)動與分布特性試驗(yàn)臺，用于驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性?？椎滥Ｐ团c積碳層的參數(shù)如表4所示，測試臺架如圖5所示。開始試驗(yàn)時，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)控制器使軸流風(fēng)機(jī)保持在恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，軸流風(fēng)機(jī)的氣流經(jīng)過空氣過濾器清潔后進(jìn)入整流裝置，得到的均勻流體流入DPF孔道模型，氣流流經(jīng)預(yù)先設(shè)置在過濾壁表面上的積碳層時，積碳層會跟隨氣流在孔道中運(yùn)動。DPF孔道模型上端面設(shè)計(jì)為可抽拉式的活動端面，可通過相機(jī)拍攝積碳層的分布圖像。電腦用于接收質(zhì)量流量計(jì)、壓差測試儀的信號并對其監(jiān)測，若流量、壓差值偏離預(yù)定值的3%，電腦將發(fā)出警報(bào)信號，手動解除故障后重新進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 積碳層的真實(shí)形態(tài)與簡化模型

表3 積碳層與DPF物理參數(shù)

再生不完全時，破碎積碳層在DPF孔道內(nèi)主要進(jìn)行滑移、翻滾、碰撞等運(yùn)動。為保證積碳層運(yùn)動過程中可視化試驗(yàn)、數(shù)值模擬與真實(shí)孔道內(nèi)運(yùn)動動態(tài)一致，根據(jù)雷諾數(shù)相似原則[27]，DPF孔道模型的流速方程如下所示：

積碳層運(yùn)動與分布的模擬與試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。正方形、圓形、三角形基礎(chǔ)輪廓的積碳層按照圖6a的初始分布排列，對其進(jìn)行模擬及試驗(yàn)計(jì)算，積碳層運(yùn)動后的分布結(jié)果如圖6b所示。從圖中可以看出，積碳層從初始分布到運(yùn)動過程結(jié)束經(jīng)歷了翻滾、碰撞、滑移等運(yùn)動，最終形成團(tuán)聚體阻塞在孔道前段。由于試驗(yàn)所用軸流風(fēng)機(jī)為機(jī)械裝置，導(dǎo)致進(jìn)氣質(zhì)量流量在小范圍內(nèi)（±5 L/min）波動，積碳層的各項(xiàng)指標(biāo)差異（誤差棒）均小于6.6%，可見該波動不足以改變積碳層的運(yùn)動結(jié)束后的堆積狀態(tài)。

通過試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：積碳層運(yùn)動后的堵塞位置占比及堵塞長度占比的相對誤差在5%以內(nèi)，遷移率、碰撞率的相對誤差分別為6.6%與5.2%，表明該模型滿足積碳層的運(yùn)動仿真要求。

表4 DPF孔道模型及積碳層參數(shù)

圖6 積碳層運(yùn)動與分布的模擬與試驗(yàn)情況對比

注：S為遷移率，表示在孔道內(nèi)發(fā)生位移的積碳層數(shù)量占總數(shù)的百分比；Z為碰撞率，表示發(fā)生碰撞的積碳層數(shù)量占總數(shù)的百分比；K為堵塞位置占比，表示積碳層堵塞中心位置與孔道總長的比值，L為堵塞長度占比，表示堵塞長度與孔道總長的比值。

3 結(jié)果與分析

3.1 對稱/非對稱DPF孔道內(nèi)氣相流動特性分析

3種結(jié)構(gòu)DPF的進(jìn)、排氣孔道中心線流速分布如圖8a所示?？梢钥闯?，各結(jié)構(gòu)DPF的進(jìn)氣孔道中心線流速均呈先增后減趨勢，至孔道末端面時降為0；這是因?yàn)闅饬髟谶M(jìn)氣孔道中加速運(yùn)動后，由于壁面摩擦與氣體黏度等阻力增大，進(jìn)氣孔道的流速迅速下降。而排氣孔道的流速則迅速增加，充分發(fā)展后均在孔道出口處達(dá)到最大值。然而，對于不同結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣孔道，中心流速存在一定差異（小于10%），這種差異主要受孔徑邊長與排氣孔道數(shù)量影響。其中，對稱DPF的進(jìn)氣孔道中心流速稍大于ACT結(jié)構(gòu)。這種差異主要是由進(jìn)氣孔道的孔徑邊長造成的，對稱結(jié)構(gòu)DPF的孔徑邊長短，流通通道窄，中心線流速就越大。而ACT結(jié)構(gòu)O型進(jìn)氣孔道的中心流速低于同等孔徑邊長的D型，這是因?yàn)榇藭r的氣流速度差異主要是由排氣孔道數(shù)量決定，O型DPF排氣孔道數(shù)比D型少，氣流受到阻礙，因此O型進(jìn)氣孔道的流速低。同時，在排氣孔道中，中心線流速差異較大（最大差異為103%），具體表現(xiàn)為：ACT結(jié)構(gòu)O型孔道的整體流速最快（出口處達(dá)到92.7 m/s），ACT結(jié)構(gòu)D型次之（出口處達(dá)到78.7 m/s），對稱結(jié)構(gòu)最慢（出口處僅為45.7 m/s），且孔道后端面的中心線流速差高達(dá)47 m/s。這是由于3種結(jié)構(gòu)DPF的排氣孔道與進(jìn)氣孔道的橫截面積之比（截面積比）存在差異，對稱結(jié)構(gòu)的截面積比（1.0）大于ACT結(jié)構(gòu)D型（0.56）和ACT結(jié)構(gòu)O型（0.47），截面積比越小，氣體在排氣孔道內(nèi)壓縮越嚴(yán)重，動壓升高越快，流速就越大。

進(jìn)、排氣孔道中心線的靜壓分布如圖8b所示?？梢钥闯?，3種結(jié)構(gòu)的DPF中，進(jìn)氣孔道的中心線靜壓變化不明顯，因?yàn)檫M(jìn)氣量基本保持在平衡狀態(tài)，氣流僅受到較小的沿程阻力損失；而排氣孔道中的靜壓沿軸向呈現(xiàn)大幅降低至0的趨勢，主要是因?yàn)榕艢饪椎赖某隹诙伺c大氣相通，氣流涌出所致。但不同結(jié)構(gòu)DPF的進(jìn)、排氣孔道靜壓差較大，通過對比發(fā)現(xiàn)，ACT結(jié)構(gòu)O型的靜壓差在孔道末端達(dá)到最大（高達(dá)9.1 kPa），是ACT結(jié)構(gòu)D型靜壓差（6.3 kPa）的1.4倍，是對稱結(jié)構(gòu)（2.4 kPa）的3.3倍。這是由于孔道的截面積比由大到小為對稱結(jié)構(gòu)（1.0）、ACT結(jié)構(gòu)D型（0.56）、ACT結(jié)構(gòu)O型（0.47），截面積比越小，單位時間內(nèi)氣流排出阻力越大，靜壓差也就越大，在工程應(yīng)用中具體表現(xiàn)為載體背壓越高。

DPF進(jìn)、排氣孔道內(nèi)部流速、靜壓差對積碳層的運(yùn)動軌跡影響較大，具體表現(xiàn)為流速越大對積碳層的擾動越大，這會加劇積碳層之間的碰撞，從而導(dǎo)致積碳層的團(tuán)聚現(xiàn)象越明顯，而靜壓差越大對積碳層的推力越大，越不容易形成堵塞。因此，本文結(jié)合圖8中孔道流速、靜壓差對不同密度積碳層的堵塞特性進(jìn)行分析研究。

3.2 對稱DPF孔道內(nèi)積碳層的堵塞特性分析

再生不完全時，大量聚集的碳煙層會氧化、裂解，形成形態(tài)各異的積碳層。本文僅考慮再生后，從DPF過濾壁面脫落的積碳層在孔道內(nèi)的運(yùn)動及分布。積碳層密度受發(fā)動機(jī)排氣管的氣體流速、溫度氛圍和排放顆粒粒徑等參數(shù)影響而改變。當(dāng)積碳層密度變化時，積碳層與壁面之間的碰撞力、靜摩擦力、滾動摩擦力均發(fā)生改變，這使得積碳層在孔道中的團(tuán)聚位置發(fā)生變化，為探究積碳層密度變化產(chǎn)生的影響，本文選擇150、350和550 kg/m3三種低、中、高積碳層密度進(jìn)行仿真計(jì)算。為便于定性分析，將孔道沿軸向分為0～80、80～140和140～200 mm 3段，分別對應(yīng)進(jìn)氣孔道的前、中、后段。

圖8 不同結(jié)構(gòu)DPF的孔道中心線流速及靜壓差對比

不同密度的積碳層在對稱孔道內(nèi)的分布如圖9所示。由圖9可知，低、中、高密度的積碳層在對稱結(jié)構(gòu)DPF進(jìn)氣孔道內(nèi)部形成了多個堵塞段，且積碳層密度越大，堵塞段距離孔道入口端越近，堵塞段與入口端最近的距離為41.4 mm。這是由于積碳層密度越大其動能越大，進(jìn)一步擴(kuò)大了積碳層的碰撞、滑移、翻轉(zhuǎn)等活動范圍，同時因積碳層團(tuán)聚體與壁面之間的摩擦力增大，更容易堵塞在進(jìn)氣孔道前段。根據(jù)堵塞位置，堵塞型式可分為孔道末端的端塞沉積和孔道前、中段堵塞沉積，實(shí)際上端塞沉積僅僅增加了進(jìn)氣孔道末端的堵頭長度，而前、中段堵塞沉積則將孔道沿軸向分割為多個空間，這不但阻礙了氣流的流通，還造成載體積碳和積灰容量大幅下降。

不同位置的局部放大堵塞狀態(tài)效果如圖10所示，可以觀察到積碳層呈無序堆積的混亂狀態(tài)。圖10a中進(jìn)氣孔道前段的積碳層堆積密實(shí)，但未將孔道全部塞滿，使得氣流只能從堵塞位置上方通過，氣流的流通通道變窄將進(jìn)一步增大載體壓降。圖10b中進(jìn)氣孔道中段堆積的積碳層較為緊密，使得氣流穿過堵塞段的流通性能極差，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[28]的進(jìn)氣孔道中段掃描結(jié)果一致，如圖10c。進(jìn)氣孔道后段的積碳層堆積如圖10d所示，堵塞段既有堆積較密實(shí)的積碳層，也存在一些堆積比較松散的結(jié)構(gòu)，積碳層之間存在大量空隙。這是因?yàn)檫M(jìn)氣孔道中段較密實(shí)的堵塞段嚴(yán)重阻礙了氣流的流通，降低了后段的軸向氣流速度，導(dǎo)致堆積相對松散，甚至在積碳層之間形成中空結(jié)構(gòu)，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[29]的掃描結(jié)果相同，如圖10e所示。

為了獲取DPF進(jìn)氣孔道內(nèi)不同區(qū)域的積碳層分布情況，從孔道入口端至末端，沿軸向每隔10 mm統(tǒng)計(jì)積碳層數(shù)量，如圖11所示，并計(jì)算該段的堵塞密度，計(jì)算公式如式（13）所示。

a. 150 kg·m-3b. 350 kg·m-3c. 550 kg·m-3

由圖11可知，對稱結(jié)構(gòu)DPF進(jìn)氣孔道中，超過90%的積碳層都進(jìn)行了運(yùn)動，且低、中、高密度的積碳層在孔道內(nèi)的堵塞段數(shù)量均達(dá)到3段以上。進(jìn)氣孔道后段堵塞段內(nèi)的積碳層數(shù)量均為孔道前段、中段的2倍以上，堵塞段長度為孔道前段、中段的3倍以上，且距離最長的堵塞段接近20 mm。這是因?yàn)檫M(jìn)氣孔道中氣流流速越快，積碳層受升力影響越大，越容易被拉起向進(jìn)氣孔道后段運(yùn)動。同時，由于積碳層密度變化對本身質(zhì)量產(chǎn)生了影響，其運(yùn)動后的堵塞密度也發(fā)生了很大變化。低密度的積碳層除了在孔道后段堆積較為松散，堵塞密度僅48.5 /mm2，孔道內(nèi)其他部分堵塞密度高達(dá)86.9 /mm2，且堵塞長度最短；中密度的積碳層在孔道中的堵塞密度在72～77 /mm2范圍之間，高密度的積碳層的堵塞密度在66～71 /mm2范圍之間。表明積碳層密度越大，氣流對積碳層的推動力減弱，單位面積內(nèi)積碳層數(shù)量減少，因此進(jìn)氣孔道最大堵塞密度減小。積碳層的密度是影響堵塞密度的原因之一。

圖10 孔道不同位置的堵塞狀態(tài)放大圖與CT掃描結(jié)果

從圖中還可看出，圓形、正方形、三角形輪廓的積碳層在孔道內(nèi)分布相對均勻，未出現(xiàn)同一種輪廓大量聚集現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谶\(yùn)動過程中，2個及2個以上的積碳層之間相互裹挾推動，同種形狀的積碳層未能聚攏所致。

3.3 非對稱DPF孔道內(nèi)積碳層的堵塞特性分析

ACT結(jié)構(gòu)DPF孔道的結(jié)構(gòu)差異對其流場壓降影響較大，進(jìn)而影響積碳層在進(jìn)氣孔道中的碰撞及團(tuán)聚過程。由3.2部分研究可知，積碳層密度為350 kg/m3時，進(jìn)氣孔道形成的堵塞段之間的位置差異較明顯，為比較對稱、ACT結(jié)構(gòu)D和O型DPF進(jìn)氣孔道的堵塞特性差異，選取該密度的積碳層進(jìn)行仿真模擬。在分析ACT結(jié)構(gòu)D及O型DPF進(jìn)氣孔道中的堵塞特性時，積碳層密度設(shè)置為350 kg/m3。ACT結(jié)構(gòu)DPF進(jìn)氣孔道內(nèi)積碳層的分布如圖12所示。D型與O型DPF進(jìn)氣孔道中均形成穩(wěn)固的堵塞段，但O型進(jìn)氣孔道中形成的首個堵塞段（164.4 mm）比D型（114.8 mm）靠近后段。這是因?yàn)樵谙嗤目讖竭呴L下，O型DPF的進(jìn)氣孔道流速小于D型，使得積碳層脫離過濾壁表面運(yùn)動過程中的劇烈碰撞程度減輕，同時由于O型孔道的靜壓差Δ2遠(yuǎn)大于D型Δ3，靜壓差越大，對積碳層軸向后移的驅(qū)動力越大，因此堵塞段更容易在進(jìn)氣孔道后段形成。

注：圖中虛線為積碳層的初始分布，高于虛線的位置視為堆積密實(shí)的堵塞段。

Note: The dotted line in the figure is the initial distribution of the soot cake layer, and the position higher than the dotted line is regarded as the densely packed blockage segment.

圖11 不同密度積碳層在對稱孔道內(nèi)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)

Fig.11 Quantitative statistics of soot cake layers with different density in the symmetrical channel

圖12 ACT結(jié)構(gòu)DPF孔道內(nèi)積碳層的分布

ACT結(jié)構(gòu)D型和O型DPF孔道內(nèi)積碳層的數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖13所示。由于ACT孔道中的靜壓差較高，對積碳層的推動力增加，減少了積碳層的團(tuán)聚，降低了堵塞的形成，因此D型及O型進(jìn)氣孔道內(nèi)僅形成了2段堵塞段。同時，較高的靜壓推動積碳層向進(jìn)氣孔道后段運(yùn)動，使得后段的堵塞長度相對較長，其中D型孔道后段的堵塞段長度約為中段的2倍，O型孔道的堵塞則全部出現(xiàn)在進(jìn)氣孔道后段。從圖中還可看出，ACT結(jié)構(gòu)的堵塞密度均小于68.1/mm2，比對稱結(jié)構(gòu)的最小堵塞密度（72.2/mm2）低，堵塞密度越低，氣流通過堵塞段的流通性能越好，說明孔道結(jié)構(gòu)是影響堵塞的原因之一。此外，ACT結(jié)構(gòu)與對稱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)相似情況，圓形、正方形、三角形輪廓的積碳層在進(jìn)氣孔道內(nèi)分布相對均勻，未出現(xiàn)同種形狀的積碳層大量聚集情況，進(jìn)一步說明混合形狀中單一形狀輪廓的積碳層對分布的影響較小。

從圖14中可以看出3種結(jié)構(gòu)載體的堵塞分布情況。對稱結(jié)構(gòu)DPF內(nèi)，各密度的積碳層隨氣流運(yùn)動后，更容易在進(jìn)氣孔道前、中段堵塞，而ACT結(jié)構(gòu)的進(jìn)口孔徑邊長比對稱結(jié)構(gòu)長，進(jìn)氣孔道容積就越大，積碳層的自由運(yùn)動空間越大，較大的靜壓差也使得ACT結(jié)構(gòu)的堵塞靠近進(jìn)氣孔道后段。綜上可知，同一密度的積碳層在不同類型的DPF進(jìn)氣孔道中運(yùn)動后，對稱結(jié)構(gòu)的堵塞情況最為嚴(yán)重，ACT結(jié)構(gòu)D型堵塞程度較輕，O型堵塞最輕。堵塞程度越輕載體背壓增幅越小，因而越不容易出現(xiàn)堵塞失效故障。另一方面，堵塞程度越輕的載體有效利用空間越大，具有更高的碳煙承載性和壓降包容性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性需求，制定相匹配的DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時采取對應(yīng)的主、被動再生策略，盡可能減輕或消除孔道前、中端堵塞帶來的高背壓增長問題，對保障DPF的可靠性及延長其壽命有重要意義。

圖13 ACT結(jié)構(gòu)D型和O型孔道內(nèi)積碳層的數(shù)量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

本文建立了對稱結(jié)構(gòu)、非對稱（Asymmetric Cell Technology，ACT）結(jié)構(gòu)D型以及O型3種顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）孔道模型，分別對其內(nèi)部氣相流動、積碳層運(yùn)動結(jié)束后的堵塞特性進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

1）未經(jīng)碳加載情況下，3種結(jié)構(gòu)的DPF進(jìn)氣孔道中心流速相差較小，但排氣孔道中心流速相差較大，ACT結(jié)構(gòu)O型的孔道出口流速最快，比對稱結(jié)構(gòu)快47 m/s；3種結(jié)構(gòu)DPF的靜壓差也相差較大，ACT結(jié)構(gòu)O型的靜壓差最大，是ACT結(jié)構(gòu)D型靜壓差的1.4倍，是對稱結(jié)構(gòu)的3.3倍。

2）在3種結(jié)構(gòu)的DPF孔道中，90%以上的積碳層均進(jìn)行了運(yùn)動，但由于孔道內(nèi)部流場壓降存在差異，不同型號的DPF堵塞程度不同。對于同一密度（350 kg/m3）的積碳層，對稱孔道中的堵塞最為嚴(yán)重，在孔道前、中、后段均形成了堵塞，首個堵塞段距入口端僅41.4 mm；ACT結(jié)構(gòu)的堵塞程度相對輕，在進(jìn)氣孔道中、后段形成堵塞，O型的首個堵塞段距入口端164.4 mm，D型114.8 mm，O型堵塞情況好于D型，O型背壓增幅會更小。

3）同一結(jié)構(gòu)的DPF中，高密度積碳層具有較大的運(yùn)動阻力，其堵塞位置靠近孔道入口端，導(dǎo)致孔道有效空間減少。中密度積碳層的堵塞位置離入口端稍遠(yuǎn)，低密度積碳層離入口端最遠(yuǎn)。密度大的積碳層自身質(zhì)量大，使得氣流推動力減弱，孔道內(nèi)的最大堵塞密度減小，氣體通過堵塞段的流通性能得以改善，反之亦然。

[1] Tonetti M, Rustici G, Buscema M, et al. Diesel engine technologies evolution for future challenges[C]//Capri Nappli, Italy, SAE 13th International Conference on Engines & Vehicles, 2017.

[2] 李小華，程靜峰，岳廣照. 柴油機(jī)顆粒捕集器不規(guī)則六邊形孔道結(jié)構(gòu)壓降特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(3)：63-70.

Li Xiaohua, Cheng Jingfeng, Yue Guangzhao. Pressure drop characteristics of irregular hexagonal channel diesel particulate filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(3): 63-70. (in Chinese with English abstract)

[3] Fukui R, Okamoto Y, Nakao M. Experimental analysis of sudden pressure increase phenomenon by real-time internal observation of diesel particulate filter[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2016, 138(10): 102803-102807.

[4] 譚丕強(qiáng)，王德源，樓狄明，等. 農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(7)：1-14.

Tan Piqiang, Wang Deyuan, Lou Diming, et al. Progress of control technologies on exhaust emissions for agricultural machinery[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 1-14. (in Chinese with English abstract)

[5] 李志軍，侯普輝，焦鵬昊，等. DPF孔道內(nèi)流場及微粒沉積特性的數(shù)值模擬[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2015，48(10)：914-920.

Li Zhijun, Hou Puhui, Jiao Penghao, et al. Numerical simulation for flow and soot accumulation in the channels of diesel particulate filter[J]. Journal of Tianjin University (Science and Technology), 2015, 48(10): 914-920. (in Chinese with English abstract)

[6] 陳貴升，賀如，李青，等. 載體配比及灰分對DPF壓降及內(nèi)部流場的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2022，40(1)：71-79.

Chen Guisheng, He Ru, Li Qing, et al. Effects of carrier ratio and ash distribution on DPF pressure drop and internal flow field characteristics[J]. Transactions of Chinese Society for Internal Combustion Engines, 2022, 40(1): 71-79. (in Chinese with English abstract)

[7] Du Y H, Meng Z W, Fang J, et al. Characterization of soot deposition and oxidation process on catalytic diesel particulate filter with ash loading through an optimized visualized method[J]. Fuel, 2019, 243: 251-261.

[8] Kameya Y, Lee K O. Soot cake oxidation on a diesel particulate filter environmental scanning electron microscopy observation and thermogravimetric analysis[J]. Energy Technology, 2013, 1(11): 695-701.

[9] Sanui R, Hanamura K. Scanning electron microscopic visualization of bridge formation inside the porous channels of diesel particulate filters[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2016, 9(3): 725-733.

[10] Wang Y, Obuchi Y, Zhang J, et al. Experiments and analyses on stability/mid-channel collapse of ash-deposit wall layers and pre-mature clogging of diesel particulate filters[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2019.

[11] Kamp C J, Bagi S, Wang Y. Phenomenological investigations of mid-channel ash deposit formation and characteristics in diesel particulate filters[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2019.

[12] 王帥. 流化床內(nèi)稠密氣固兩相反應(yīng)流的歐拉-拉格朗日數(shù)值模擬研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2019.

Wang Shuai. Eulerian-Lagrangian Simulation of Dense Reactive Gas-Solid Flows in Fluidized Beds[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[13] 張新卓. 異型粗顆粒管道輸送流態(tài)及動力學(xué)特性研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2019.

Zhang Xinzhuo. Study on the Flow Regimes and Dynamics Performance of Heteromorphic Coarse-Grain in Pipeline Transportation[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)

[14] Shaheed R, Abdolmajid M, Hossein K G. A comparison of standard k-ε and realizable k-ε turbulence models in curved and confluent channels[J]. Environmental Fluid Mechanics, 2019, 19(2): 543-568.

[15] Sappok A, Wong V. Ash effects on diesel particulate filter pressure drop sensitivity to soot and implications for regeneration frequency and DPF control[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2010, 3(1): 380-396.

[16] Wang S, Luo K, Hu C, et al. CFD-DEM study of the effect of cyclone arrangements on the gas-solid flow dynamics in the full-loop circulating fluidized bed[J]. Chemical Engineering Science, 2017, 172(1): 199-215.

[17] Zhang X, Tennison P, Ruona W. 3D numerical study of pressure loss characteristics and filtration efficiency through a frontal unplugged DPF[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2010, 3(1): 177-193.

[18] Shi Y, Cai Y, Fan R, et al. Characterization of soot inside a diesel particulate filter during a nonthermal plasma promoted regeneration step[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 150(1): 612-619.

[19] Srilomsak M, Hanamura K. Time-lapse visualization of shrinking soot in diesel particulate filter during active regeneration using field emission scanning electron microscopy[J]. Journal of Microscopy, 2020, 279(2): 85-97.

[20] Choi S, Oh K C, Lee C B. The effects of filter porosity and flow conditions on soot deposition/oxidation and pressure drop in particulate filters[J]. Energy, 2014, 77: 327-337.

[21] Stobbe P, Petersen H G, H?j J W, et al. SiC as a substrate for diesel particulate filters[J]. SAE Transactions, 1993, 102: 2151-2165.

[22] Wurzenberger J C, Kutschi S, Nikodem A. Ash transport and deposition, cake formation and segregation a modeling study on the impact of ash on particulate filter performance[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2019.

[23] Bensaid S, Marchisio D L, Fino D. Numerical simulation of soot filtration and combustion within diesel particulate filters[J]. Chemical Engineering Science, 2010, 65(1): 357-363.

[24] Versaevel P, Colas H, Rigaudeau C, et al. Some empirical observations on diesel particulate filter modeling and comparison between simulations and experiments[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2000.

[25] 王忠，李游，張美娟，等. 柴油機(jī)排氣階段顆粒碰撞過程動力學(xué)特征分析[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2021，51(1)：39-48.

Wang Zhong, Li You, Zhang Meijuan, et al. Analysis on particle collision dynamics parameters in diesel exhaust stage[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2021, 51(1): 39-48. (in Chinese with English abstract)

[26] 王國志，譚元文. 基于FLUENT-EDEM耦合的吸塵罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，40(10)：996-1001.

Wang Guozhi, Tan Yuanwen. Design optimization of suction hood for subway tunnel cleaning vehicle: A simulation and theoretical study[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2020, 40(10): 996-1001. (in Chinese with English abstract)

[27] 許艷芝，朱惠人，鄭杰. 克努森數(shù)在微尺度相似流動特性研究中的作用[J]. 航空動力學(xué)報(bào)，2013，28(8)：1752-1758.

Xu Yanzhi, Zhu Huirren, Zheng Jie. Effect of knudsen number on microscale similar flow characteristics[J]. Journal of Aerospace Power, 2013, 28(8): 1752-1758. (in Chinese with English abstract)

[28] Kamp C J, Bagi S, Wang Y. Phenomenological investigations of mid-channel ash deposit formation and characteristics in diesel particulate filters[C]// Detroit, Michigan, USA, SAE Paper, 2019.

[29] Sappok A, Wang Y, Wang R Q, et al. Theoretical and experimental analysis of ash accumulation and mobility in ceramic exhaust particulate filters and potential for improved ash management[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 2014, 7(2): 511-524.

Blockage characteristics of soot cake layers in the DPF channel of diesel engine based on EDEM-CFD

Zhang Wei, Meng Liping, Li Zehong, Chen Zhaohui※, Bai Yuqi, Zhang Xiangyu

(,,,650500,)

Blockage failure can be caused by the motion of the soot cake layer in the Diesel Particulate Filter (DPF). In this study, the motion and distribution of the soot cake layer were visualized to combine the E-Discrete Element Method (EDEM) with Computational Fluid Dynamics (CFD). An analysis was made on the flow field pressure drop, soot cake layer motion, and blockage characteristics inside the symmetric, asymmetric cell technology (ACT) D type and O type DPF channels. The results show that there was a small velocity difference between the inlet channel centers of the above three types of DPF. By contrast, a large difference was found in the flow velocity between the centers of the exhaust channel. Among them, the fastest flow velocity was at the outlet of the channel of the ACT structure O type, whereas, the slowest of the symmetrical structure was a difference of 47 m/s. The differential static pressure of different models of DPF also varied widely at the same time. The largest difference was observed in the static pressure of ACT structure O type, which were 1.4 and 3.3 times those of D type and the symmetric structure. More than 90% of the soot cake layer was migrated in the three types of DPF inlet channels. The most serious blockage was in the symmetric channel, with the blockage segments formed in the front, middle and back sections. The nearest distance was 41.4 mm between the blockage segment and the inlet end. The ACT structure D/O type DPF presented a relatively light blockage, where the blockages were formed in the middle and back sections of the inlet channel. Among them, the blockage was closer to the back end in the O type channel. The blockage segment was separated from the entrance 164.4 mm away from the inlet, which caused the smaller back pressure to increase. In the same type of DPF, the 550 kg/m3high-density soot cake layer presented a greater resistance to exercise, and the blockage segment was located close to the inlet end of the inlet channel, resulting in the less effective space in the inlet channel. The blockage segment of the 350 kg/m3medium-density soot cake layer was slightly farther from the inlet end, and the 150 kg/m3low-density soot cake layer was farthest from the inlet end. The closer the blockage segment was to the inlet end, the less effective space there was in the inlet channel. There was a significant increase in the back pressure of the DPF, eventually affecting the engine power and economy. Meanwhile, the change of the soot cake layer density posed different effects on the different types of the DPF inlet channel, among which, the change of density was the greatest change on the axial position of the blockage segment formed in the symmetric channel, followed by ACT structure D type, and ACT structure O type was the least. Thus, among the three types of the DPF, the O type structure was the most effective to deal with blockage failure. In addition, the higher the density of the soot cake layer, the higher the mass of the cake, the weaker the airflow propulsion, the lower the maximum blockage density in the inlet channel, and the improved flow performance of the airflow through the blockage segment, and vice versa. In overview, there was a severe symmetric structure of DPF channel blockage, but the static pressure difference was low when unloaded with the soot. While the ACT structure of channel blockage was light, usually the soot cake layer was accumulated at the end position of the inlet channel, which was regarded as an end plug, but the static pressure difference was very high, the static pressure difference without soot loading was less than 2.4 kPa, the static pressure difference was 6.3 kPa for D type and 9.1 kPa for O type. The trade-offs between the two types were chosen, according to the actual engineering application requirements. The findings can provide a theoretical basis and engineering guidance for the DPF channel blockage failure.

diesel engine; EDEM; CFD; particulate filter; soot cake layer; blockage characteristics

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.006

TK442.5

A

1002-6819(2022)-16-0051-10

張韋，孟麗蘋，李澤宏，等. 基于EDEM-CFD的柴油機(jī)DPF孔道內(nèi)積碳層堵塞特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(16)：51-60.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.006 http://www.tcsae.org

Zhang Wei, Meng Liping, Li Zehong, et al. Blockage characteristics of soot cake layers in the DPF channel of diesel engine based on EDEM-CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 51-60. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.006 http://www.tcsae.org

2022-06-06

2022-07-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52166007）；云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2021106740025，20211067400114）

張韋，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制。Email：koko_575@aliyun.com

陳朝輝，博士，副教授，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制。Email：chenzhaohuiok@sina.com