車用柴油機微粒捕集器碳載量分布及影響 因素研究＊

郭瑞瑞

（許昌學院電氣（機電）工程學院，河南 許昌 461000）

引言

在工程機械領域中，柴油機一方面憑借著動力性強、經濟性好和可靠性高的優勢被廣泛接受，另一方面其排放的尾氣微粒中存在較高的碳煙（Dry Soot）、可溶性有機物（Soluble Organic Fraction， SOF）、無機物和金屬物質等，這些物質對人體健康和大氣環境質量的危害也在一定程度上限制了柴油機的發展。面對排放法規對微粒數量和濃度的雙重限制，進氣中冷、推遲噴油提前角等機內凈化技術在降低排放上遭遇到瓶頸，排放后處理技術成為了研究焦點[1]。微粒捕集器(DPF，Diesel Particulate Filter)是目前公認的最有效和具有良好商用前景的柴油機排放后處理技術。

1 DPF 凈化機理

在柴油機尾氣中的顆粒物的各組成部分中，可溶性有機物不僅生成量少且在排氣溫度下會發生氧化，硫酸鹽的生成量也很少，所以DPF 捕集的顆粒物成分實際上主要是碳煙。DPF 中起過濾作用的關鍵部件是過濾體，目前商用較多的類型是多孔介質壁流式蜂窩陶瓷過濾體，如圖1 所示。在柴油機工作時，含有多孔介質的DPF 將對微粒產生攔截、碰撞及擴散等效果，最終使得微粒沉積在介質內部實現過濾凈化的效果[2]。然而，DPF 技術的核心問題為壓降、碳煙捕集及再生過程。這主要是因為隨著車輛運行時間和里程的增加，DPF內捕集、積累的碳煙量相應增加，DPF 前后的壓差將會增加，致使發動機出現排氣不暢、新鮮進氣量不足，車輛出現燃油經濟性和動力性下降、污染物排放加劇等一系列不利狀況。因此當內部碳煙積累到一定程度時應被清除干凈即實現DPF過濾體的再生。再生的原理是當積累的碳載量達到設定上限值時微粒被氧化并以CO2和N2排入大氣中。

圖1 壁流式DPF 的工作原理

再生時中，如果DPF 一定時間內再生次數過少，微粒累積過量，載體內部碳載量過大，將引起再生溫度及內部溫度場發生變化，陡峭的溫度梯度易造成過濾體產生裂縫；如果DPF 一定時間內再生次數過多，過濾體內部積累碳載量偏少，則會使車輛產生額外的燃油消耗。因此，確定過濾體內的碳載量的多少目前大多數DPF 再生研究的控制的關鍵。基于無法對實際運行的車輛直接稱重DPF 過濾前后的碳載量，目前均是采用間接法獲取，主要有根據壓降、根據行駛時間、根據行駛里程、根據總的耗油量這四個思路。其中，基于壓降判斷碳載量的方法應用最為普遍。因此本文同樣選擇DPF 前后的壓差值為依據，建立壓降與碳載量的數學模型，并結合碳煙捕集機理對DPF 碳煙捕集過程與影響因素進行分析，為研究DPF 的性能與管理提供有效的理論依據。

2 DPF 壓降和碳載量計算的數學模型

利用碳載量的計算思路是由壓力傳感器測得DPF 前后的壓力差值，并根據實測壓力差值與灰分體積產生的壓力差系數相乘得修正后的壓力差，最后廢氣體積流量與總壓差的函數關系計算碳載量[3]。本研究所采用的DPF 的壓降模型是基于Darcy 定律中對多孔介質壓降的定義[4]。排氣流經DPF時，其壓降組成主要包括進口氣流收縮產生的壓降、出口膨脹產生的壓降、經過進出口孔道產生的壓降、經過濾餅層和多孔介質壁面層產生的壓降等。其中，進口收縮、出口膨脹和灰分層產生的壓降占總壓降的比例很小予以忽略不計。壓降的數學模型為：

將式（1）根據體積、密度與質量的關系進行轉換后求得濾餅層上PM 質量數學模型為：

式（2）中的三個系數公式如下：

式中：ΔPwall為壁面壓降；ΔPcake為濾餅層壓降；ΔPinlet為進口孔道壓降；ΔPoutlet為出口孔道壓降；α 為孔道寬度；ω為壁面厚度；ωc為濾餅層厚度；μ 為氣體動力學粘度；F 為摩擦因數，一般取28.45；Q 為排氣流量；Vtrap為DPF 載體體積；k 為壁面滲透率；kcake為濾餅層的滲透率；L 為孔道長度。

對于新鮮的DPF 載體，初始進行碳煙加載的時，入口通道壁面上碳煙層還未形成，此時ωc為0，且壓降ΔP 僅與壁面滲透率k 有關，后期累積加載時壓降與濾餅層厚度ωc和濾餅層滲透率kcake均有關。

3 DPF 碳煙捕集過程與影響因素分析

本文所研究的DPF 相關結構參數如表1 所示，采用堇青石過濾體，并通過與文獻資料實驗數據進行對比對模型相關參數修正[5]，結果對比如圖2 所示，進而對DPF 的捕集過程、壓降與碳載量的關系以及灰分和溫度等參數對捕集的影響進行分析。

表1 DPF 有關參數

圖2 DPF 壓降隨碳載量變化的仿真和試驗結果對比

3.1 DPF 碳煙捕集過程研究

DPF 碳煙捕集過程主要有兩個，包括起始階段的深床過濾和累積加載后的濾餅過濾階段。在深床過濾階段，此時過濾體內碳載量較少，且被多孔介質壁面捕集的碳煙造成壁面微孔孔徑減小，滲透率也降低。研究表明[4，5，6]，雖然此階段過濾的碳煙質量只占很少一部分，但對過濾體進出口總壓降的貢獻最大。隨著微粒沉積的增多，DPF 逐漸進入到濾餅過濾階段，該階段主要為碳煙在碳煙層堆積，總壓降緩慢增加且與加載時間基本上呈線性關系，累積量占據了碳煙質量80-90%以上。也有學者進行了進一步研究[7，8]，深床過濾期，由于壁面滲透率沿著排氣流方向減小，最終碳煙分布在過濾體分布不均勻，呈現出前端少后端多的的特點。但進入濾餅過濾階段后，此分布不均勻性逐漸降低。捕集過程也與排氣流量有關，當排氣流量大時，DPF 捕集過程中沒有明顯的深床捕集階段，迅速進入濾餅捕集階段。

3.2 DPF 碳煙捕集影響因素分析

DPF 碳煙的捕集和分布受到灰分、溫度、孔道結構與孔道密度等因素的影響。

（1）經過多次的加載和再生后，需要考慮灰分沉積對DPF 捕集的影響[9]。過濾體壁面出現灰分沉積，一方面使DPF過濾體較易進入濾餅捕集階段，另一方面會減小過濾體有效過濾長度、增大壓降；另外還會使再生微粒燃層厚度增加，過濾體溫度梯度加大，且沉積量越多則溫度上升越明顯。

（2）進口溫度對碳煙的分布和捕集也產生影響[8]。在一定溫度范圍內，隨著溫度的上升，深床過濾階段壓降上升速率加快，積累的碳煙量也減少。但溫度升高，濾餅層碳煙分布形狀基本不變，但碳煙層厚度呈先減小后趨于平穩。

（3）碳煙捕集與孔道結構和孔道密度有關[7]。改變DPF孔道的幾何形狀，可以提高碳煙承載量、降低再生頻率。研究表明，相比于對稱孔道，非對稱孔道具有更大的入口截面積，因而在碳煙層厚度相同時，非對稱孔道的絕對碳載量更大。六邊形孔道比四邊形孔道具有更好的碳煙捕集能力和碳 煙承載量。孔道密度通過影響進氣流速進而影響碳煙沉積。在進氣量相同的情況下，孔密度的減小相當于增加了孔道寬度，導致氣流與孔道的摩擦阻力減小，從而氣流的流動均勻性更好。

4 展望

在實際運行過程中，柴油機DPF 的碳煙積累和再生過程是不斷反復進行的，碳煙累積過程中DPF 碳載量初始值為上次再生過程中剩余的碳載量，使得DPF 再生后出現偏差累積，且長時間運行后偏差越來越大。因此，后期研究和應用中應防止該現象的發生，以滿足DPF 實際應用要求。