湯 東，劉 陽(yáng)，劉 勝，周一聞，劉 寧，王 力

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

前言

柴油機(jī)有著較高的燃油經(jīng)濟(jì)性和較好的動(dòng)力性與耐久性，廣泛應(yīng)用于重型貨車，但其微粒排放較高，是大氣中的微粒物主要來(lái)源之一［1－2］。柴油機(jī)顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）是目前公認(rèn)的降低柴油機(jī) PM、PN排放最有效的手段之一［3－4］。但隨著 DPF捕集顆粒逐漸增多，柴油機(jī)背壓會(huì)相應(yīng)上升，進(jìn)而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此需要通過(guò)氧化沉積的碳煙來(lái)進(jìn)行再生［5－7］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)實(shí)現(xiàn)DPF安全、穩(wěn)定的熱再生進(jìn)行了很多研究。Zheng等研究了熱沖擊對(duì)捕集器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布和微粒層燃燒特性的影響規(guī)律［8］，李志軍等建立了催化型微粒捕集器（CDPF）的數(shù)值模型，分析了過(guò)濾體孔道形狀、壁面滲透率、碳煙滲透率等對(duì)DPF壓降特性以及主動(dòng)再生頻率的影響［9］。Yu等為兩種受限再生模式預(yù)測(cè)峰值溫度制定了簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)，為DPF設(shè)計(jì)和具有較低峰值再生溫度的運(yùn)行條件提供了理論指導(dǎo)［10］。關(guān)于氣體環(huán)境對(duì)碳煙氧化反應(yīng)的影響，李傳東等用熱重分析儀對(duì)O2／NO2下柴油機(jī)碳煙氧化過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同氣體組分在不同階段對(duì)碳煙氧化反應(yīng)起主導(dǎo)作用［11］。徐小波等研究了DPF再生時(shí)最高壁面溫度等熱再生性能［12］。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的DPF再生時(shí)會(huì)造成碳煙分布、氣體流動(dòng)規(guī)律和傳熱效率的差異，進(jìn)而影響再生效率和再生穩(wěn)定性［13］。影響DPF主動(dòng)再生的主要運(yùn)行參數(shù)包括再生加熱溫度、沉積的碳煙量、氣體流量和氧濃度等。本文中采用控制變量法研究了DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)和再生運(yùn)行參數(shù)對(duì)再生過(guò)程的影響，從壁面峰值溫度、最大溫度梯度、再生時(shí)間等角度分析不同現(xiàn)象背后的規(guī)律。

1 DPF再生仿真建模與模型驗(yàn)證

1.1 DPF再生仿真建模

DPF再生過(guò)程中，涉及到的控制方程如下。

質(zhì)量守恒：

式中：i＝1為入口通道，i＝2為出口通道；ρi為通道內(nèi)氣流密度；vi為通道內(nèi)的氣流流速；ρw為穿過(guò)過(guò)濾壁面的氣流密度；vw為氣流的過(guò)濾速度；Di為通道的寬度；z為軸向方向。

動(dòng)量守恒：

式中：pi為通道內(nèi)的氣體壓力；μi為動(dòng)力學(xué)黏度；α為無(wú)量綱的摩擦阻力系數(shù)。

能量守恒：

式中：Ti為通道內(nèi)的氣體溫度；hi為過(guò)濾壁的熱傳導(dǎo)系數(shù)；cg為氣體比熱容；Tw為過(guò)濾壁的氣體溫度。

達(dá)西壓降定律：

式中：kp為顆粒物的滲透率；ks為過(guò)濾壁面的滲透率。

考慮到熱反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，在以下全局機(jī)理的基礎(chǔ)上構(gòu)建碳煙氧化和過(guò)濾器再生模型。

碳煙氧化反應(yīng)：

式中fCO為CO選擇系數(shù)。

上述反應(yīng)的碳煙氧化率為

式中：Kthm為反應(yīng)的速率常數(shù)；Sp為材料的表面積；ρw為氣相密度；Yo為O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；MC為碳煙的摩爾質(zhì)量；Mo為氧氣的摩爾質(zhì)量。

熱反應(yīng)速率如下：

式中：A為反應(yīng)頻率因子；E為反應(yīng)活化能；T為過(guò)濾體溫度。

運(yùn)用GT-Power建立DPF的再生燃燒模型，如圖1所示，主要包括進(jìn)出氣口、DPF、再生反應(yīng)模塊、峰值溫度計(jì)算、碳煙轉(zhuǎn)化率計(jì)算等。再生反應(yīng)模塊包括濾餅層反應(yīng)和壁內(nèi)碳煙反應(yīng)。模型還設(shè)置了溫度梯度的計(jì)算，為再生結(jié)果分析提供不同的角度。

圖1 DPF再生模型

1.2 模型驗(yàn)證

在柴油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，工作狀態(tài)不斷變化，為減少其他因素的干擾，采用離線再生的方法進(jìn)行DPF的熱再生試驗(yàn)［14］。該方法使用捕集過(guò)的DPF過(guò)濾體裝入再生系統(tǒng)進(jìn)行再生，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境條件的準(zhǔn)確控制。

試驗(yàn)前DPF先在一臺(tái)非道路186FA單缸柴油機(jī)上進(jìn)行碳煙加載，以獲得一定碳載量的DPF進(jìn)行離線再生試驗(yàn)，試驗(yàn)用DPF技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。DPF加載過(guò)程以柴油機(jī)2 700 r／min、75%負(fù)荷工況下，進(jìn)行多次碳煙加載以得到相同碳累積量下的過(guò)濾體。離線再生試驗(yàn)布置圖如圖2所示，圖中進(jìn)氣為O2／N2混合氣，試驗(yàn)前先通入N2氣體，將管道內(nèi)原有的空氣排出。通過(guò)調(diào)節(jié)氣瓶閥門和流量計(jì)改變進(jìn)氣配比，入口處的氧濃度由氧傳感器采集。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)溫度控制的氣體加熱器將進(jìn)氣加熱到858 K，以達(dá)到再生所需的溫度，試驗(yàn)總進(jìn)氣流量為1 400 L／min，通過(guò)壓差計(jì)得到再生過(guò)程中壓降數(shù)據(jù)。

表1 DPF的主要參數(shù)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，再生反應(yīng)活化能E的范圍在120～170 kJ／mol，反應(yīng)頻率因子 A的變化范圍為3.23×104～6.73×107s－1［15－16］，在 GT-Power軟件中運(yùn)用優(yōu)化工具“Optimization”，進(jìn)行對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的修正。碳煙反應(yīng)的頻率因子A變化范圍較大，故選擇頻率因子的對(duì)數(shù)log A進(jìn)行參數(shù)修正。

以不同氧濃度下再生過(guò)程中的壓降數(shù)據(jù)作為參考量，將模擬值和試驗(yàn)值的誤差平方和作為目標(biāo)函數(shù)。進(jìn)行若干次迭代計(jì)算，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值時(shí)得到優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化后最終得到碳煙氧化反應(yīng)的活化能 E為147.27 kJ／mol，頻率因子 A為1.56×106 s－1。圖3為修正后的模型仿真壓降與試驗(yàn)壓降對(duì)比，說(shuō)明優(yōu)化后的模型能較好地反映該情況下的壓降變化情況［17］。

2 DPF熱再生影響因素分析

2.1 影響參數(shù)顯著性分析

為研究DPF再生影響參數(shù)的顯著性，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析法（DOE）對(duì)再生過(guò)程進(jìn)行多組模擬，選取的試驗(yàn)設(shè)計(jì)抽樣類型為拉丁超立方抽樣（Latin Hypercube）。該方法采取分層抽樣的方法，能夠以較小的采樣數(shù)量得到較高的采樣精度［18－19］。圖4為利用DOE模塊分析得出的主要參數(shù)對(duì)再生過(guò)程的影響，圖中以量化的數(shù)字代表每個(gè)試驗(yàn)因子的影響程度，數(shù)字的正負(fù)代表對(duì)再生特性起到正面或者負(fù)面作用，數(shù)字的大小代表該參數(shù)對(duì)目標(biāo)影響力的大小。不同參數(shù)的影響值是整個(gè)變化范圍內(nèi)再生指標(biāo)的最大預(yù)測(cè)值減去最小預(yù)測(cè)值的結(jié)果（其他所有參數(shù)固定在它們的平均值［20］。

由圖4可知：運(yùn)行參數(shù)對(duì)DPF再生性能影響程度整體大于結(jié)構(gòu)參數(shù)；研究參數(shù)對(duì)壁面峰值溫度的影響程度由大到小依次為初始碳煙量、加熱溫度、氧濃度、DPF直徑、DPF長(zhǎng)度、壁厚、孔道密度（CPSI）、入口流量；對(duì)最大溫度梯度的影響程度由大到小依次為初始碳煙量、氧濃度、加熱溫度、DPF直徑、壁厚、入口流量、CPSI、DPF長(zhǎng)度；對(duì)再生持續(xù)時(shí)間的影響程度由大到小依次為加熱溫度、氧濃度、初始碳煙量、DPF直徑、DPF長(zhǎng)度、壁厚、CPSI、入口流量。運(yùn)行參數(shù)中，加熱溫度、氧濃度和初始碳煙量的影響值相對(duì)較高，與壁面峰值溫度和最大溫度梯度呈正相關(guān)，與再生持續(xù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。結(jié)構(gòu)參數(shù)中，DPF直徑和長(zhǎng)度對(duì)壁面峰值溫度和再生持續(xù)時(shí)間的影響較高。

圖3 DPF仿真壓降與試驗(yàn)壓降對(duì)比

2.2 DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)再生的影響

在研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF再生特性的影響時(shí)，首先統(tǒng)一設(shè)置入口流量為45 kg／h，初始碳載量為10.8 g／L，加熱溫度為863 K，氧濃度為15%。根據(jù)2.1節(jié)參數(shù)顯著性分析的結(jié)果，DPF直徑和長(zhǎng)度對(duì)壁面峰值溫度和再生持續(xù)時(shí)間的影響較高，故將DPF長(zhǎng)度和直徑分為一組討論。

圖5所示為結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF壁面峰值溫度的影響。由圖5（a）可知DPF產(chǎn)生的壁面峰值溫度隨過(guò)濾壁厚和CPSI的減小而增大。DPF壁厚和CPSI的減小，都會(huì)造成DPF孔道尺寸增加，單個(gè)孔道的碳載量增加，同時(shí)與再生氣體接觸面積增大，燃燒速度增快，因此造成了壁面峰值溫度的增加。由圖5（b）可知，隨著DPF長(zhǎng)度和直徑的增加，產(chǎn)生的壁面峰值溫度降低。這是因?yàn)橄嗤某跏继紵熧|(zhì)量下，通道內(nèi)的初始碳煙層厚度也會(huì)變小。再生過(guò)程中，長(zhǎng)過(guò)濾體結(jié)構(gòu)降低了對(duì)加熱能量的利用率，使再生時(shí)的壁面峰值溫度降低，當(dāng)過(guò)濾體長(zhǎng)度較小時(shí)，較為緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不利于流動(dòng)氣體帶走熱量，產(chǎn)生了更高的壁面溫度。

圖4 主要影響參數(shù)

圖5 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF壁面峰值溫度的影響

圖6所示為結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF最大溫度梯度的影響，壁面溫度梯度是指沿DPF軸向兩等溫面的溫差與距離比值的極限。由圖6（a）可知最大溫度梯度隨DPF壁厚的增加而減小，改變CPSI對(duì)溫度梯度的影響不明顯。隨著DPF壁厚的增加，過(guò)濾體通道變窄，通道內(nèi)氣體流速增加，能更迅速地將熱量傳遞給低溫壁面。并且隨著載體壁厚的增大，壁面峰值溫度降低，造成了載體最大溫度梯度的降低。由圖6（b）可知，增大過(guò)濾體長(zhǎng)度和直徑，產(chǎn)生的最大溫度梯度降低。過(guò)濾體長(zhǎng)度和直徑的增加造成DPF總體積增大，過(guò)濾體的碳煙密度減小，通道內(nèi)的碳煙層變薄，完全燃盡碳煙所需的能耗增加，最大溫度梯度降低。

圖7所示為結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF再生持續(xù)時(shí)間的影響，再生持續(xù)時(shí)間設(shè)置為DPF內(nèi)沉積碳煙消耗95%的用時(shí)。由圖7（a）可知，隨著CPSI和過(guò)濾壁厚增大，DPF的碳煙再生持續(xù)時(shí)間增加。CPSI和過(guò)濾壁厚增大，DPF孔道寬度變小，相同的碳載量情況下，沉積的碳煙厚度增大。同時(shí)，在再生初期階段，高溫再生氣體使過(guò)濾體壁面溫度逐漸增加至碳煙起燃溫度，過(guò)濾體壁厚增加使壁面溫度升至碳煙起燃溫度的時(shí)間增加。結(jié)合圖7（b）進(jìn)行分析，DPF的長(zhǎng)度和直徑關(guān)于再生持續(xù)時(shí)間的交互作用要高于壁厚與孔密度之間的交互作用；DPF再生持續(xù)時(shí)間隨載體直徑和長(zhǎng)度增大而增長(zhǎng)。

圖6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF最大溫度梯度的影響

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF再生持續(xù)時(shí)間的影響

2.3 運(yùn)行參數(shù)對(duì)再生的影響

研究運(yùn)行參數(shù)對(duì)再生性能的影響時(shí)，統(tǒng)一設(shè)置過(guò)濾體CPSI為200，壁厚為0.35 mm，過(guò)濾體長(zhǎng)度為152 mm，直徑為118 mm。得到再生性能關(guān)于運(yùn)行參數(shù)的響應(yīng)面如圖8和圖9所示。

圖8所示為DPF入口流量和加熱溫度對(duì)再生特性的影響。由圖8（a）可知，DPF壁面峰值溫度在入口流量為55 kg／h、加熱溫度為825 K處，為最小值850 K；在入口流量為25 kg／h、加熱溫度為883 K處取得最大值1 369 K。壁面峰值溫度隨氣體加熱溫度的增加而明顯提升，隨入口流量的增加而略有降低。由圖8（b）可知，最大溫度梯度呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生的最小值和最大值分別為3 229和8 990 K／m。由圖8（c）可知，氣體加熱溫度對(duì)再生持續(xù)時(shí)間有很大影響，加熱溫度由820上升至880 K時(shí)，再生持續(xù)時(shí)間從966縮短到了70 s左右，且變化速率由快到慢。保持氣體加熱溫度為820 K，再生持續(xù)時(shí)間隨入口流量的增加上升至966 s；在最高加熱溫度880 K下，再生持續(xù)時(shí)間隨入口流量增加從135縮短至75 s。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于：當(dāng)氣體溫度較低時(shí)，DPF過(guò)濾體升溫較慢，碳煙氧化速率較低；在較高的加熱溫度下，DPF過(guò)濾體內(nèi)的碳煙快速達(dá)到起燃溫度，燃燒的同時(shí)大量放熱，使壁面溫度在短時(shí)間內(nèi)升高。當(dāng)入口流量由小到大變化時(shí)，若氣流溫度較低，流速增加的同時(shí)會(huì)使過(guò)濾體內(nèi)的對(duì)流換熱加強(qiáng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不斷流失，進(jìn)而減緩碳煙燃燒過(guò)程；若整體氣流溫度較高，入口流量增加有助于再生初期過(guò)濾體溫升時(shí)間的縮短，沉積的大量碳煙燃燒產(chǎn)生較高的壁面溫度，而熱量損失帶來(lái)的影響較弱。

圖9所示為DPF內(nèi)碳煙質(zhì)量和氧濃度對(duì)再生特性的影響。根據(jù)再生性能指標(biāo)的分布發(fā)現(xiàn)，DPF再生過(guò)程中的壁面峰值溫度和最大溫度梯度隨碳煙沉積量和再生氣體氧濃度的增加而增加；初始碳煙質(zhì)量取最大值時(shí)壁面峰值溫度超過(guò)1 600 K，最大溫度梯度超過(guò)15 000 K／m，高于DPF的正常工作要求范圍。隨著碳煙沉積量和氧濃度的增加，再生持續(xù)時(shí)間遵循“先急后緩”的下降趨勢(shì)。作為DPF再生的主要反應(yīng)物，碳煙質(zhì)量和氧濃度的增加使燃燒過(guò)程更為劇烈，產(chǎn)生更多熱量。沉積碳煙量增加到一定程度，受制于氧含量，對(duì)再生效率的促進(jìn)作用有所減緩。

圖8 入口流量和加熱溫度對(duì)DPF再生特性的影響

圖9 碳煙質(zhì)量和氧濃度對(duì)DPF再生特性的影響

3 結(jié)論

（1）對(duì)DPF再生參數(shù)的影響程度進(jìn)行研究，運(yùn)行參數(shù)對(duì)再生性能影響程度整體大于結(jié)構(gòu)參數(shù)；運(yùn)行參數(shù)中加熱溫度、初始碳煙量和氧濃度與壁面峰值溫度和最大溫度梯度呈正相關(guān)，與再生持續(xù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。

（2）再生時(shí)的壁面峰值溫度和再生速率隨壁厚、CPSI的增加而降低；減小壁厚和孔密度CPSI在提高再生效率的同時(shí)，產(chǎn)生了較高的壁面峰值溫度和最大溫度梯度；在結(jié)構(gòu)參數(shù)中，DPF長(zhǎng)度和直徑之間的交互作用最大；增加DPF的長(zhǎng)度和直徑能有效降低再生時(shí)的壁面溫度，但會(huì)增加再生所需的能耗。

（3）再生過(guò)程中的壁面峰值溫度和最大溫度梯度隨著再生加熱溫度和碳煙累積量的增加而增加，隨著入口流量的增加而略有減小。在一定范圍內(nèi)提高再生氣中的氧濃度有助于提高總體的再生速率和再生效率，但會(huì)產(chǎn)生較高的壁面溫度。