韓慧芳，畢玉華，徐 松，申立中

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

1 引言

柴油機(jī)具有燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性好等特點(diǎn)，且在CO 和HC 排放方面較低[1-2]，但其中的NOx和PM 約是汽油機(jī)的（30～80）倍[3]，尤其是PM 顆粒易進(jìn)入人體肺部損害健康。針對PM 顆粒，目前，柴油機(jī)微粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）被認(rèn)為是最有效的微粒凈化后處理技術(shù)[4-5]，其過濾效率可達(dá)90%以上。

DPF 孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難單純地通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，因此可采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，目前國內(nèi)有：文獻(xiàn)[6]研究了DPF本身結(jié)構(gòu)參數(shù)對其捕集效率和壓降的影響；文獻(xiàn)[7]分析DPF 孔道內(nèi)壓降隨進(jìn)氣流量變化特性、速度變化情況、微粒的運(yùn)動軌跡及沉積特性；文獻(xiàn)[8]著重研究微粒形態(tài)的變化對DPF 內(nèi)的微粒運(yùn)動沉降的影響；文獻(xiàn)[9-10]對DPF 的再生性能進(jìn)行仿真分析，研究其再生參數(shù)對再生的影響。文獻(xiàn)[11]研究催化劑對DPF 再生影響；文獻(xiàn)[12]通過采用CFD 模型，模擬DPF 中的氣體和顆粒物沉積過程；文獻(xiàn)[13]研究尾氣進(jìn)入DPF 內(nèi)的流場分布，及碳煙顆粒進(jìn)入DPF 的沉積和分布，文獻(xiàn)[14]研究了DPF 最高溫度和再生期間快速熄滅性對其再生性能的影響；上述研究為深入研究DPF 自身結(jié)構(gòu)參數(shù)和再生參數(shù)對其高效捕集率的影響提供了理論基礎(chǔ)。

采用測試與仿真分析相結(jié)合的方法，針對DPF 再生過程進(jìn)行研究。通過再生實(shí)驗(yàn)，研究DPF 壓降損失和尾氣污染物轉(zhuǎn)化效率；利用GT—Power 軟件，建立DPF 再生仿真模型，其堇青石作為DPF 材料。研究了再生過程中，研究了氧含量、初始碳煙加載量、升溫速率對再生特性的影響。

2 數(shù)學(xué)模型

通過對DPF 壓降損失的研究可以為再生時刻的控制及優(yōu)化再生控制策略提供依據(jù)。DPF 入口、出口通道壓降損失變化圖，如圖1 所示。

圖1 連續(xù)再生系統(tǒng)布置圖Fig.1 Continuous Regeneration Trap Layout

對壓降損失貢獻(xiàn)最大主要有：碳煙顆粒分別被捕集在多孔介質(zhì)區(qū)域而形成的深層捕集層和通道壁面堆積而形成的濾餅層而引起的壓降損失（ΔPsd、ΔPsc），通過載體壁面而引起的壓降（ΔPw）。

式中：ρ—?dú)怏w密度；

U—進(jìn)入DPF 時的氣體速度；

μ—進(jìn)入DPF 時氣體壓力；

Q—入口處的體積流量；

w—厚度；

L—通道的長度；

β—灰分濾餅層常數(shù)。

對于再生期間通道及過濾壁上的流場看作非均勻分布。再生流動系統(tǒng)控制方程，如式4 所示。

3 DPF 再生過程試驗(yàn)研究

DPF 再生實(shí)驗(yàn)臺架排氣源為卡特彼勒C7-ACERTTM 柴油發(fā)動機(jī)，后處理裝置是由康寧公司提供的DPF 標(biāo)準(zhǔn)件。結(jié)合所搭建的排氣實(shí)驗(yàn)臺架，選擇連續(xù)被動再生方式即DOC 輔助DPF 進(jìn)行再生[16]。DPF 再生實(shí)驗(yàn)中，在DOC 前端10cm 處噴入燃油，通過前期找點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min、扭矩350N·m 作為再生工況點(diǎn)，其DPF 入口溫度變化，如表1 所示。工況一為DPF 預(yù)熱階段，發(fā)動機(jī)在1500r/min、扭矩350N·m 穩(wěn)定運(yùn)行，在工況二中開始噴油，運(yùn)行時間只有1s，燃油未開始燃燒，到了工況三階段，燃油開始燃燒，DPF 入口溫度上升，顆粒未開始燃燒，而到工況四階段中，碳煙開始燃燒，DPF 入口溫度維持在650℃左右，經(jīng)過短暫時間進(jìn)入工況六，碳煙顆粒被燃燒完全，噴油停止，DPF 入口溫度開始下降，然后進(jìn)入工況7，穩(wěn)定運(yùn)行60s，測試循環(huán)結(jié)束。

對于DOC 前端Soot 的采集采用HORIBA MEXA-1230 測試裝備進(jìn)行檢測，對于CO、THC、CO2、O2等排氣污染物采用HORIBA-7500 測試裝備進(jìn)行檢測。將檢測Soot 的探頭布置于DOC 前端，將檢測排氣污染物的探頭分別布置在DOC 前端和DPF 下游，溫度傳感器分別布置在DOC 前端、DPF 前端和DPF下游，其布置，如圖1 所示。

表1 再生試驗(yàn)工況表Tab.1 Regeneration Test Condition

3.1 再生試驗(yàn)結(jié)果分析

在前三個工況內(nèi)，由于DPF 處于捕集碳煙顆粒階段，尾氣流經(jīng)進(jìn)氣孔道受到摩擦阻力損失和穿過濾餅層、深層捕集層，DPF壓降損失緩慢增加；到了第四工況：隨著噴油助燃，排氣溫度升高，從325℃上升到625℃，壓降損失急劇增加，同時DOC 壓降損失也在增加；當(dāng)碳煙顆粒開始燃燒時，DPF 入口溫度穩(wěn)定在650℃左右，DPF 壓降損失急劇下降，由7.8kPa 下降至3kPa，如圖2 所示。從圖2 和表1 對比來看，發(fā)動機(jī)在這一階段運(yùn)行了900s，但從圖1 得知，實(shí)際燃燒時間不到200s，碳煙顆粒已燃燒完；在接下來的（600～1400）s 內(nèi)，因碳煙顆粒已燃燒完全，DPF 壓降損失變化很?。辉冢?400～1600）s 內(nèi)，因噴油停止，DPF 入口溫度降低，DPF 壓降損失下降，整個再生過程結(jié)束。再生過程中，DPF 與DOC 入口出口溫度變化規(guī)律，如圖3 所示。在碳煙未開始燃燒時，由于氣體流經(jīng)載體時發(fā)生對流熱交換，使得DPF 出口溫度略有下降，隨著噴油助燃，燃料在DOC 內(nèi)燃燒，DOC 出口溫度升高，因DOC 在DPF 上游，距離很近，所以DOC 出口溫度與DPF入口溫度很接近，同時DOC 內(nèi)的THC 與CO 發(fā)生反應(yīng)，在工況四階段中，碳煙顆粒開始燃燒，溫度升高，在360s 左右，DOC 出口溫度與DPF 入口溫度存在波動，DPF 出口處的溫度高于入口溫度，DOC 的出口溫度也高于DOC 入口溫度。

圖2 DPF、DOC 壓降損失變化Fig.2 The Pressure Drop of DPF and DOC

圖3 DPF 與DPF 入口與出口溫度溫度變化Fig.3 The Temperature of DPF Inlet and Outlet，the Temperature of DOC Inlet and Outlet

再生過程中尾氣排放物中氣體組分變化情況，如圖4 所示。

圖4 尾氣氣體組分變化圖Fig.4 Exhaust Gas Component Change

當(dāng)燃油未噴射時，DOC 內(nèi)含有的CO 與O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2，所以圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）中的DPF 出口處體積濃度幾乎為零，CO2濃度上升，O2濃度下降；隨著噴油的進(jìn)行，DPF 出口處O2含量急劇減少，大量的CO2生成，CO 含量略有升高，這是由于燃油的燃燒消耗大量的氧氣，生成大量的CO2和少部分的CO，且少量的CO 來不及氧化并隨尾氣排出，同時THC 含量急劇升高，由于傳感器將噴入的燃油識別為未燃的碳?xì)浠衔?，所以在?00～1400）s 內(nèi)THC 的檢測值為恒定值；當(dāng)停止噴油后，DPF出口處的CO 濃度為零，DOC 與DPF 前后CO2、O2體積濃度又趨于一致。通過稱重法，處于再生階段DPF 質(zhì)量共減少69.8g。

4 仿真模型的建立與驗(yàn)證

4.1 DPF 仿真模型的建立

通過再生試驗(yàn)獲得了DPF 壓降損失、溫度、尾氣污染物變化規(guī)律，采用GT—Power 軟件建立DPF 一維再生仿真模型，如圖5所示。將實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合，仿真研究DPF 再生參數(shù)對再生特性的影響。在建立的仿真模型中，專門在DPF 前端管道內(nèi)設(shè)置顆粒物噴射器，最大程度還原DPF 真實(shí)工作情況。

圖5 仿真模型圖Fig.5 Simulation Model

表2 DPF 主要參數(shù)Tab.2 DPF Parameters

其仿真實(shí)驗(yàn)中涉及到的DPF 參數(shù)，如表2 所示。

4.2 仿真模型驗(yàn)證

通過仿真軟件GT-POWER 模擬DPF 再生，入口質(zhì)量流量為0.08kg/s，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，再生時間設(shè)置為800s，初始碳煙加載量為72g，環(huán)境溫度為（40～50）℃左右，DPF 與周圍環(huán)境對流換熱系數(shù)為20W/（m2·K）。將得到的壓降曲線與臺架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析，壓降損失驗(yàn)證圖，如圖6 所示。模擬計算值與試驗(yàn)數(shù)值相差較小，相對誤差在5%以內(nèi)。因此，可通過該模型來研究DPF 再生參數(shù)對其再生特性的影響。

5 再生參數(shù)對DPF 再生過程的影響研究

5.1 氧含量對DPF 再生特性的影響

由于氧含量的增加，碳煙燃燒速率加快，使得DPF 內(nèi)含有的碳煙量急劇下降，縮短再生時間，且再生時間點(diǎn)提前，同時碳煙量的急劇下降導(dǎo)致壓降損失周期縮短；在氧含量為3%時，還存在未燃燒完全的碳煙顆粒，即發(fā)生不完全再生，如圖7、圖8 所示。隨氧含量的增加，因再生時間點(diǎn)的提前，載體壁面的最高溫度和平均溫度峰值點(diǎn)提前，且峰值點(diǎn)隨氧含量的提高而提高，載體壁面最高溫度與載體平均溫度差值變大，溫度越高越容易發(fā)生熱應(yīng)力損壞，但氧含量高于11%后，載體平均溫度峰值不在增加，所以對于的氧含量的選擇可以從再生時間點(diǎn)的提前和載體壁面最高溫度兩方面進(jìn)行考量，如圖9、圖10 所示。

圖7 不同氧含量下壓降損失Fig.7 Pressure Drop Variation with Different Oxygen Contents

圖8 不同氧含量下碳煙質(zhì)量變化Fig.8 The Quality of Particulate Variation with Different Oxygen Contents

圖9 不同氧含量下壁面平均溫度Fig.9 Average Wall Temperature Variation with Different Oxygen Contents

圖10 不同氧含量下壁面最高溫度Fig.10 Maximum Temperature Variation with Different Oxygen Contents

5.2 初始碳煙沉積量對DPF 再生特性的影響

隨初始碳煙沉積量的增多，DPF 壓降損失增大，由于DPF 初始碳煙沉積量增多，沉積在多孔介質(zhì)區(qū)域的深層捕集層厚度和堆積在通道壁面而形成的濾餅層厚度增大，導(dǎo)致碳煙滲透率、壁面滲透率下降，氣體穿過濾餅層和深層捕集層的能力下降，壓降損失增加，隨著再生結(jié)束，碳煙顆粒燃燒殆盡，不同碳煙沉積量下的壓降損失趨于一致，這說明對DPF 壓降損失占主導(dǎo)地位的主要有由于深層捕集層壓降、濾餅層壓降，如圖11～圖14 所示。

圖11 不同碳煙沉積量下壓降損失Fig.11 Pressure Drop Variation with Soot Loading

圖12 不同碳煙沉積量下碳煙質(zhì)量變化Fig.12 The Quality of Particulate Variation with Soot Loading

圖13 不同碳煙沉積量下壁面平均溫度Fig.13 Average Wall Temperature Variation with Soot Loading

圖14 不同碳煙沉積量下最高溫度Fig.14 Maximum Temperature Variation with Soot Loading

同時碳煙沉積量的增多，使得載體壁面平均溫度峰值點(diǎn)和最高溫度峰值點(diǎn)增大，它們的最高溫度峰值點(diǎn)分別是：610℃、740℃、815℃、850℃、910℃，溫度峰值點(diǎn)越高，DPF 載體越容易發(fā)生熱應(yīng)力損壞，所以對于再生時機(jī)的確定非常重要，避免碳煙顆粒過多地沉積在DPF 內(nèi)造成熱腐蝕和熱裂。

5.3 不同升溫模式對DPF 再生特性的影響

為研究升溫速率對DPF 再生特性的影響，設(shè)置兩種不同的升溫模式，如圖15 所示。在快速升溫模式下和慢速升溫模式下，碳煙顆粒的燃燒時間點(diǎn)是不同的，在快速升溫模式下，碳煙顆粒的起燃溫度點(diǎn)提前，在200s 碳煙顆粒量急劇下降，再生時間縮短，與此同時，載體壁面平均溫度峰值點(diǎn)和最高溫度峰值點(diǎn)提前，但對于峰值的大小影響不大，如圖16、圖17 所示。溫升速率加快雖然能縮短再生周期，但同時載體承受的熱載荷也隨之增大，短時間內(nèi)容易造成載體部分區(qū)域熱應(yīng)力損壞，反之，溫升速率過小，則再生周期變長，經(jīng)濟(jì)性下降，如圖18 所示。

圖15 不同升溫模式Fig.15 Different Heating Modes

圖16 不同升溫模式下碳煙質(zhì)量Fig.16 The Quality of the Particles Variation with Different Heating Modes

圖17 不同升溫模式下壁面平均溫度Fig.17 Average Wall Temperature Variationwith Different Heating Modes

圖18 不同升溫模式下最高溫度Fig.18 Maximum Temperature Variation with Different Heating Modes

6 結(jié)論

依據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果，對DPF 再生特性進(jìn)行模擬仿真，考察了氧含量、初始碳煙沉積量、升溫速率對再生特性影響，現(xiàn)研究結(jié)果如下：

（1）當(dāng)碳煙顆粒開始燃燒時，O2與CO 參與反應(yīng)，CO2濃度急劇增多，DPF 壓降損失急劇下降，短時間內(nèi)從7.8kPa 下降至3kPa左右，再生階段有明顯的溫度分層現(xiàn)象，軸向溫度從入口到出口逐漸增加。

（2）氧含量的增加，加快碳煙氧化速率，再生時間點(diǎn)提前，載體壁面平均溫度峰值點(diǎn)和最高溫度峰值點(diǎn)提前，縮短再生周期；但氧含量高于11%時，DPF 的壓降損失、顆粒物變化趨勢和壁面平均溫度變化趨勢保持不變；

（3）隨初始碳煙沉積量量增多，DPF 再生過程中的壓降損失增大，再生時DPF 的平均溫度峰值點(diǎn)和最高溫度峰值點(diǎn)增大，容易造成熱應(yīng)力損壞。

（4）不同的排氣升溫速率，DPF 開始再生的時間點(diǎn)也不相同，排氣升溫速率越快，DPF 再生時間就越短，縮短再生周期，但其短時間內(nèi)所承受的熱沖擊力就越短，越容易發(fā)生熱應(yīng)力損壞；反之升溫速率過小，則再生時間延長，經(jīng)濟(jì)性下降。