周一聞, 湯 東*, 繆曉峰, 鐘祥麟

(1. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司, 天津 300300)

與汽油機(jī)相比, 柴油機(jī)的動(dòng)力更強(qiáng)、油耗更低, 具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域．然而,柴油機(jī)排放的污染物對(duì)環(huán)境和人類健康會(huì)造成極大危害[1-2]．顆粒物是柴油動(dòng)力車的主要排放物之一,也是其產(chǎn)生黑煙的原因．除提升燃油品質(zhì)外, 減少顆粒物排放的主要方法是改進(jìn)尾氣后處理系統(tǒng), 其中使用柴油機(jī)顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)被證明是最為有效的方法, 其對(duì)顆粒物的過濾效率可達(dá)95%以上[3]．但在DPF使用過程中,顆粒物的累積會(huì)導(dǎo)致壁面滲透率下降,進(jìn)而產(chǎn)生較高的排氣背壓,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能, 因此有必要在O2或NO2氣氛下對(duì)捕集的顆粒物進(jìn)行氧化,提高DPF的工作效率[4-5]．熱再生是最為常見的DPF再生方法,眾多學(xué)者對(duì)該再生過程的影響因素進(jìn)行了研究: Lee等[6]提出一種單通道數(shù)值模型預(yù)測(cè)DPF內(nèi)的熱量傳遞, 研究了過濾體直徑、孔密度、碳煙累積量對(duì)熱響應(yīng)和再生特性的影響; Fu等[7]采用4種兩方程湍流模型分別計(jì)算旋流燃燒器和多孔介質(zhì)中的回流特性以及速度、壓力和湍流動(dòng)能的分布; Yu等[8]使用兩相雙通道模型預(yù)測(cè)DPF入口氣體溫度和顆粒引燃時(shí)間的限制．根據(jù)前人的研究結(jié)果,DPF熱再生過程的三要素可概括為溫度、氧含量和沉積碳煙密度．本文擬采用數(shù)值模擬的方法, 針對(duì)不同氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下DPF熱再生過程中的流場(chǎng)和碳煙密度分布進(jìn)行研究, 并分析氧氣含量和溫度對(duì)DPF熱再生效果的協(xié)同作用, 以期為實(shí)現(xiàn)DPF的有效再生提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)．

1 DPF模型的建立及驗(yàn)證

1.1 再生流動(dòng)系統(tǒng)控制方程

圖1 DPF通道內(nèi)的流動(dòng)模型Fig.1 Flow model of inside channel in DPF

1.2 氧化反應(yīng)機(jī)理

圖2 DPF壓降模擬值及試驗(yàn)值對(duì)比Fig.2 Simulation value and measurement value of pressure drop of DPF

基于碳煙氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立過濾體再生模型．碳煙氧化反應(yīng)為C+(1-fCO/2)O2→fCOCO+(1-fCO)CO2, 其中fCO是CO選擇系數(shù)．再生過程中的反應(yīng)速率k=ATexp(-ET/T), 其中AT是反應(yīng)頻率因子,ET是反應(yīng)活化溫度,T是過濾體溫度．在碳煙氧化反應(yīng)中, O2的體積分?jǐn)?shù)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有定量關(guān)系, 頻率因子和活化溫度之間存在明顯的動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)[9], 根據(jù)文獻(xiàn)可獲得不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下的頻率因子和反應(yīng)活化溫度[10]．

1.3 模型驗(yàn)證和主要計(jì)算參數(shù)

壓降是評(píng)價(jià)DPF性能的重要指標(biāo),對(duì)柴油機(jī)在負(fù)荷為75%, 轉(zhuǎn)速分別為2 700, 3 600 r·min-1下工作時(shí)DPF的壓降特性進(jìn)行測(cè)試, 以驗(yàn)證DPF模型的準(zhǔn)確性．圖2為DPF壓降模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果．由圖2可知, 試驗(yàn)誤差在7%以內(nèi), 說明所建立的DPF模型較準(zhǔn)確, 可通過該模型進(jìn)行DPF熱再生過程分析．熱再生模型計(jì)算過程中所采用的主要參數(shù)如表1所示．

表1 DPF熱再生模型計(jì)算所用的主要參數(shù)

2 熱再生過程的場(chǎng)分布

2.1 通道內(nèi)流速

圖3給出了2種氧氣體積分?jǐn)?shù)下DPF入口和出口通道流速隨時(shí)間變化的情況．由圖3(a)(b)可見, 入口通道徑向橫截面上中心偏下方的流動(dòng)速度較大,越靠近通道邊緣處的流動(dòng)速度越小;入口通道軸向橫截面上的流速從前向后逐漸減小,在入口通道末端迅速降為0．這是因?yàn)槭苌嫌喂艿佬螤钕拗萍爸亓?、摩擦阻力等因素的影?排氣進(jìn)入DPF時(shí)為非均勻流體, 隨著氣體的充分流動(dòng), 流速差異逐漸減小; 由于過濾體兩端為交替堵孔結(jié)構(gòu),氣體流動(dòng)至入口通道末端時(shí)受到阻礙,軸向氣流速度趨向于0[11]．由圖3(c)(d)可見, 出口通道徑向橫截面上的流速分布與入口通道類似; 出口通道軸向橫截面上的氣流速度逐漸增大,在出口處達(dá)到最大值,這是因?yàn)樵诔隹谔庫o壓力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)壓力, 使該處的氣流速度增大．對(duì)比圖3(a)～(d)可知,富氧再生環(huán)境主要影響入口通道內(nèi)的流速分布情況:相同再生時(shí)刻下,φ(O2)=0.21的入口通道流速比φ(O2)=0.11的流速小,軸向速度分布更均勻．這是因?yàn)槭茌^高的氧氣體積分?jǐn)?shù)影響,被氧化的累積碳煙更多,濾餅層厚度減小,進(jìn)而導(dǎo)致通道截面積增大,相同流量對(duì)應(yīng)的通道流速較?。鲜鼋Y(jié)果表明,富氧再生環(huán)境有助于實(shí)現(xiàn)DPF內(nèi)入口通道氣體的均勻流動(dòng)．

圖3 不同O2體積分?jǐn)?shù)下的DPF入口和出口通道流速分布Fig.3 Inlet and outlet velocity distribution of DPF at different O2 fractions

2.2 過濾體壁面滲流速度

圖4 不同O2體積分?jǐn)?shù)下的DPF過濾體壁面滲流速度變化Fig.4 Wall velocity distribution of DPF at different O2 fractions

圖4給出了不同O2體積分?jǐn)?shù)條件下過濾體壁面滲流速度隨時(shí)間變化的分布情況．由圖4可見, DPF過濾體徑向橫截面中心偏下方的壁面滲流速度較大, 越靠近邊緣,滲流速度越小,這與入口氣流速度分布不均和入口壁摩擦阻力等因素有關(guān); DPF過濾體軸向橫截面首尾兩端的壁面滲流速度較大,而中心處的滲流速度較小, 這是由于入口通道截面突然變窄,氣體無法及時(shí)流出,部分氣流通過過濾體壁面流入出口通道, 導(dǎo)致過濾體前端的壁面滲流速度增大, 隨著氣流的充分流動(dòng),壁面滲流速度逐漸減小,而氣流到達(dá)孔道末端時(shí),只能通過滲透壁面進(jìn)入出口通道,故壁面滲流速度明顯上升[12]．對(duì)比2種O2體積分?jǐn)?shù)條件下的壁面滲流速度可見: 當(dāng)t=100 s時(shí), 2種條件下的壁面滲流速度分布情況類似, 這是因?yàn)轶w系剛剛達(dá)到再生溫度,再生速率沒有明顯差異;隨著再生過程進(jìn)行,φ(O2)=0.21時(shí)的壁面滲流速度比φ(O2)=0.11時(shí)的小, 這是因?yàn)楦谎鯒l件下的再生效率更高,過濾壁的滲透率更高,軸向上的滲流速度分布更均勻．另外,再生過程中過濾體底部的滲流速度有所增大,這主要是因?yàn)殡S著再生過程的進(jìn)行,過濾體徑向中心偏下方的壁面滲透率顯著增加,部分氣體流經(jīng)壁面向四周擴(kuò)散,而擴(kuò)散中心離過濾體底部更近,氣體擴(kuò)散至過濾體底部后聚集在該處,形成更大的滲流速度．

2.3 碳煙密度

圖5給出了2種氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下過濾體內(nèi)的碳煙密度分布情況．如圖5所示, 再生過程的前100 s內(nèi), 過濾體內(nèi)的碳煙密度較高,因?yàn)榇藭r(shí)溫度還未達(dá)到碳煙氧化溫度;隨著再生過程的進(jìn)行,軸向中心處的碳煙密度明顯降低,同一徑向橫截面上的碳煙密度分布不均,這是由于軸向中心處的氣流速度最大,熱量傳遞最快,導(dǎo)致中心處的碳煙最先被氧化;另一方面,再生氣流最先達(dá)到出口端面中心,邊緣處的再生氣流流速較慢, 也造成了過濾體出口端面碳煙密度的不均勻分布．對(duì)比2種氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下的碳煙密度分布可見,富氧環(huán)境下的再生效率明顯更高:再生過程進(jìn)行400 s后,富氧條件下出口端中心處的碳煙已充分氧化,僅邊緣處還有少量碳煙;而在相同時(shí)間內(nèi)φ(O2)=0.11條件下的再生過程還未充分完成,孔道內(nèi)仍有一定量的碳煙．

圖5 不同O2體積分?jǐn)?shù)下的DPF碳煙密度分布Fig.5 Soot density distribution of DPF at different O2 fractions

3 再生效果分析

為了解O2體積分?jǐn)?shù)與溫度對(duì)DPF熱再生效果的協(xié)同作用, 筆者對(duì)不同再生條件下DPF壁面峰值溫度及再生效率進(jìn)行研究．

3.1 過濾體壁面溫度

實(shí)際工作中, DPF過濾體末端往往沉積有大量碳煙,熱再生時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫和較大的熱應(yīng)力,若溫度超過過濾體材料的熔點(diǎn)則會(huì)造成DPF的熱失效．圖6給出了不同氧氣體積分?jǐn)?shù)和再生溫度條件下的DPF過濾體壁面峰值溫度．由圖6可見,當(dāng)再生溫度低于860 K時(shí),氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)DPF壁面峰值溫度的影響較小,這是因?yàn)榇藭r(shí)溫度還未達(dá)到碳煙顆粒的燃點(diǎn);隨著溫度的上升,氧氣體積分?jǐn)?shù)開始影響過濾體壁面溫度,當(dāng)溫度為880～900 K時(shí),壁面峰值溫度隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的增大迅速升高．總之, 提升氧氣體積分?jǐn)?shù)可以顯著提高碳煙的高溫氧化特性．這主要是因?yàn)殡S著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加,碳煙顆粒表面與氧氣的接觸面積增加,進(jìn)而提升了反應(yīng)速率,壁面峰值溫度也有所上升．

3.2 再生效率

若DPF的再生時(shí)間過長,會(huì)影響過濾體的使用壽命．圖7是不同氧氣體積分?jǐn)?shù)和再生溫度條件下DPF的再生時(shí)間(省略超出DPF材料耐受溫度范圍和時(shí)間過長的點(diǎn))．如圖7所示, 隨著再生溫度升高, DPF的再生時(shí)間明顯縮短,效率明顯提高．另一方面, 當(dāng)φ(O2)<0.21時(shí), 增加氧氣體積分?jǐn)?shù)可以明顯縮短再生時(shí)間, 提高再生效率; 當(dāng)φ(O2)>0.21時(shí), 氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)再生效率的影響會(huì)減小,這是由于氧氣足夠時(shí),碳煙表面吸附的氧氣量達(dá)到飽和,氧氣量對(duì)氧化反應(yīng)速率的影響減弱[13]．綜上所述, 溫度對(duì)DPF的熱再生效率起主導(dǎo)作用,氧氣體積分?jǐn)?shù)起輔助作用;適當(dāng)提高再生溫度和氧氣濃度有助于提高再生效率和延長過濾體的使用壽命．

圖6 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)和再生溫度條件下的DPF過濾體壁面峰值溫度Fig.6 Wall peak temperature of DPF at different O2 fractions and regeneration temperature

圖7 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)和再生溫度條件下DPF所需的再生時(shí)間Fig.7 Regeneration time of DPF at different O2 fractions and regeneration temperature