溫度對DPF過濾參數影響的試驗研究

陳鵬，孟忠偉，李路，閆妍，張川

(西華大學交通與汽車工程學院汽車測控與安全四川省重點實驗室，四川 成都 610039)

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溫度對DPF過濾參數影響的試驗研究

陳鵬，孟忠偉，李路，閆妍，張川

(西華大學交通與汽車工程學院汽車測控與安全四川省重點實驗室，四川 成都 610039)

柴油機顆粒捕集器( DPF )過濾參數研究對其再生時機的判斷具有重要意義。基于外加熱源再生臺架，研究了過濾參數(壓降及其與常溫數據的比值、滲透率及其與常溫數據的比值)隨過濾溫度的變化規律，同時考慮了流量和孔隙結構參數變化時的影響。結果表明：過濾溫度升高，DPF壓降及其比值近似線性增長，滲透率及其比值近似線性減小；線性擬合了壓降及其比值、滲透率及其比值隨溫度的變化曲線，比較發現流量和孔隙結構參數對DPF壓降和滲透率都具有一定影響，但對比值的影響較小。

顆粒捕集器； 壓降； 滲透率； 過濾溫度； 流量； 孔隙結構

柴油機以燃油經濟好、CO2排放低和性能可靠等優點備受關注，但顆粒物(PM)排放是同排量汽油機的30～80倍[1-2]，嚴重制約了其運用范圍。目前，DPF是柴油機炭煙顆粒物減排最有效的裝置之一，其過濾效率可達95%[3-5]。隨著DPF內PM沉積量的增加，發動機排氣背壓增大，影響發動機的動力性和經濟性，需對DPF進行再生[6-8]。因此，再生時機的選擇尤其重要。排氣背壓是判斷再生時機的一種有效手段[9-10]，然而柴油機運行工況多變，實際排氣溫度變化較大，導致排氣背壓產生較大的波動[11]，因此研究溫度對過濾壓降(滲透率)的影響具有重要的意義。現有研究通常將DPF的滲透率(k)取為某一固定值，如樓狄明等[3]選取的滲透率k=1.38×10-13m2，A.G.Konstandopoulos等[12-13]選取k=5.0×10-13m2，龔金科等[14-15]將k分別選取為2.2×10-13，5.3×10-13，21.7×10-13m2，不考慮溫度對k的影響，甚至不考慮溫度對壓降的影響。因此本研究重點關注過濾壓降及滲透率隨溫度的變化關系，為修正參數提供試驗參考。

基于外加熱源再生臺架，測試了3種DPF白載體在不同溫度、流量下的過濾壓降，計算了載體滲透率，探索溫度和載體孔隙結構參數對壓降、滲透率及其比值變化的影響規律。

1 試驗系統和試驗方法

1.1 外加熱源再生試驗臺架

試驗臺架見圖1。氣體由空氣壓縮機提供，流量由質量流量計控制，氣體通過電加熱器進行加熱。在過濾體的進口處測量壓力獲得過濾體的過濾壓降，在過濾體的軸心處沿軸向不同位置插入5根直徑0.5 mm的K型熱電偶測量載體內部溫度。DPF安裝在可拆卸的套管內，可以便捷更換DPF載體。試驗選取16.05，23.0，30.4 g/s 3種流量(用Q1，Q2，Q3表示)，選取25～320 ℃溫度。試驗時，待DPF軸心處5個測點溫度趨于穩定后(見圖2)讀取DPF的過濾壓降。

1.2 DPF參數

試驗所用壁流式DPF的參數見表1，3種載體的幾何結構參數相當，而孔隙結構參數存在一定的差別。

表1 DPF的基本參數

1.3 DPF白載體壓降模型

圖3示出DPF白載體的壓力損失示意。DPF白載體的壓降主要由五部分組成，包括氣體流入和流出時收縮和擴張引起的壓力損失Δp1和Δp2，氣體流經進氣通道和排氣通道的壓力損失Δp3和Δp4，氣體穿透壁面引起的壓力損失Δp5。故DPF白載體的壓降為

Δp=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4+Δp5。

(1)

其中，由于氣流孔道改變引起的變截面壓力損失Δp1和Δp2較其他項小得多，可以將其忽略[17]。在本試驗條件下，流速低，氣體流經進氣通道和排氣通道的壓力損失也較小，因此將Δp3和Δp4忽略[18]，故而

(2)

本試驗中氣體穿過壁面的流速小，僅為0.004 4～0.007 8 m/s，Δp5中的二次項可以忽略[19]，因此DPF白載體的壓降可以寫成：

(3)

從而獲得滲透率的計算公式為

(4)

式中：S為過濾面積；Qv為常溫體積流量。

通過線性擬合在不同溫度時的過濾參數值(壓降及其比值、滲透率及其比值)，獲得擬合線斜率值C(y=Cx+b)，該值可作為評價溫度對過濾參數影響的特征值，為修正過濾參數隨溫度的變化關系提供試驗參考。

2 試驗結果與分析

2.1 溫度對過濾壓降的影響

不同溫度時的過濾壓降見圖4，為了繪圖方便，以下圖中的Δp均用p表示。

由圖4可看出，隨著溫度的增加，壓降呈線性增加；且隨流量的增加，壓降逐漸增加，主要是由于過濾速度增加導致壓降的增加，同時壓降增長率也逐漸增加(從0.9 Pa/℃增加為1.9 Pa/℃)。通過比較高溫與常溫時的過濾壓降，獲得壓降比值隨溫度的變化關系。在300 ℃時壓降可增加至常溫時的兩倍左右，而發動機排氣溫度的分布范圍較大(通常在180～350 ℃之間)[10]，可見溫度對過濾壓降的影響不容忽視，需進行溫度修正或補償。此外，各流量下的壓降比值曲線斜率較為一致，變化范圍為0.003 4～0.003 8 ℃-1(最大偏差為22%)，較壓降變化范圍小(最大偏差為36%)，說明了在不同流量時溫度對壓降的影響具有相似性。

2.2 溫度對滲透率的影響

根據以上測得的過濾壓降值，結合式(4)可得各溫度條件下的滲透率k(見圖5)。從圖5可看出，滲透率隨溫度的增加而減小，且隨流量的增大而減小。原因是隨溫度增加，黏性系數μ和壓降Δp均增加，但Δp比μ增加迅速，導致滲透率k降低(見式(4))。從圖5 可知：在300 ℃時滲透率可減小為常溫時的75%左右，所以需修正或補償溫度對滲透率的影響。流量的變化也將導致滲透率的變化，流量增大，滲透率降低。原因是本研究僅采用達西公式來描述過濾壓降，真實DPF載體的壓降除通道壁面壓降外，還包括進出載體通道的壓縮和膨脹損失，以及通道內的摩擦損失，因此本研究計算所得的滲透系數為綜合滲透系數，滲透率隨流量的增大而降低。此外，不同流量時的滲透率比值隨溫度的變化范圍較小(0.000 6～0.000 7 ℃-1)，說明了在不同流量時溫度對滲透率的影響也具有相似性。

2.3 壓降比值和滲透率比值隨溫度的變化

將壓降比值和滲透率比值與黏性系數隨溫度的變化率進行比較，結果見圖6。考慮到當地過濾速度隨溫度的變化，圖中也給出了(黏性系數×當地流速)的變化率，其中，當地流速為Qv′/S，Qv′為高溫體積流量。由圖6可知，壓降比值變化率在0.003 4～0.003 8 ℃-1范圍內，介于黏性系數變化率和(黏性系數×當地流速)變化率之間。因此，壓降不僅受氣體黏性變化的影響，還受滲透率變化的影響，即滲透率及其比值將隨溫度的增加而降低。

2.4 不同孔隙結構下DPF過濾參數的比較

為考察孔隙結構參數對壓降和滲透率的影響，選取3種不同孔隙結構參數的DPF載體(1號～3號)開展壓降測試，結果見圖7。由圖7可知：3種DPF載體的壓降均隨溫度的增加而增加，增長率在1.9～2.8 Pa/℃之間(最大偏差為19%)，增長率主要受載體材料孔隙結構參數的影響。3種DPF載體的壓降比值變化率差別減小，在0.003 4～0.005 1 ℃-1之間(平均為0.004 ℃-1，最大偏差為12.5%)，即溫度增加100 ℃，壓降值將增長約30%。因此，排氣溫度波動時，應考慮壓降的波動，并對其進行相應的修正。

不同孔隙結構參數的DPF載體滲透率及其比值隨溫度的變化見圖8。各載體的滲透率及其變化率差別較大(在-0.001 0×10-13～-0.001 6×10-13m2/℃之間，最大偏差為41%)，與載體孔隙結構參數有關；但滲透率比值的變化率卻相差較小，在-0.000 6～-0.001 0 ℃-1之間(平均值為0.000 8 ℃-1，最大偏差為25%)，說明在不同孔隙結構參數時溫度對滲透率的影響也具有相似性。

3 結論

a) 溫度對過濾壓降及其比值、滲透率及其比值均存在明顯的影響，應考慮溫度變化時對這些過濾參數值進行修正或補償；

b) 溫度增加，過濾壓降及其比值線性增加，滲透率及其比值線性降低；壓降比值隨溫度的變化關系不僅受黏性系數變化的影響，還受滲透率變化的影響；

c) 流量變化時，溫度對過濾壓降和滲透率的影響均具有相似性，即流量不同，過濾壓降和滲透率不同，變化率也差別較大，但壓降比值和滲透率比值的差異較小；

d) 對不同孔隙結構參數的載體，其壓降比值變化率平均值為0.004 ℃-1，即溫度增加100 ℃，壓降值將增長約30%；其滲透率比值變化平均值為0.000 8 ℃-1，即溫度增加100 ℃，滲透率將降低約6%；與流量變化類似，孔隙結構參數變化時，溫度對過濾壓降和滲透率的影響也均具有相似性。

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[編輯：袁曉燕]

Influence of Temperature on DPF Filtration Parameter

CHEN Peng, MENG Zhong-wei, LI Lu, YAN Yan, ZHANG Chuan

(Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province,School of Transportation and Automotive Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

It is important to judge the regeneration timing of DPF by the filtration parameter research.The changing laws of filtration parameters consisting of the ratio between pressure drop and room temperature data and the permeation and the ratio with filtration temperature were researched on the generation test bench with exterior heater by taking into consideration the influence of flow rate and pore structure meanwhile.The results showed that the pressure drop and the corresponding ratio increased linearly and the permeation and the ratio decreased linearly with the increase of filtration temperature.The linear fittings of pressure drop, permeation and their respective ratios with temperature were conducted and the flow rate and the pore structure were found to have certain influence on the pressure drop and permeation and less influence on their ratios.

diesel particulate filter(DPF); pressure drop; permeation; filtration temperature; flow rate; pore structure

2014-05-20；

2015-01-23

國家自然科學基金資助項目(51106130)；教育部“春暉計劃”合作科研項目(Z2014058)；四川省教育廳青年基金項目(12ZB138)；發動機燃料電控系統及尾氣后處理系統產業集群項目(成財教[2013]265)；四川省重點科技項目(2011JYZ014)；西華大學重點科研基金項目(Z1120319)

陳鵬(1986—)，男，碩士，主要從事柴油機顆粒物減排方面的研發工作；chenpeng0527@126.com。

孟忠偉(1980—)，男，副教授，博士，主要從事柴油機顆粒物捕集器方面的研究；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.012

TK424.5

B

1001-2222(2015)02-0057-04