車用柴油機(jī)微粒捕集器碳載量分布及影響 因素研究＊

郭瑞瑞

（許昌學(xué)院電氣（機(jī)電）工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

引言

在工程機(jī)械領(lǐng)域中，柴油機(jī)一方面憑借著動(dòng)力性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好和可靠性高的優(yōu)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(jī)物（Soluble Organic Fraction， SOF）、無機(jī)物和金屬物質(zhì)等，這些物質(zhì)對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的危害也在一定程度上限制了柴油機(jī)的發(fā)展。面對(duì)排放法規(guī)對(duì)微粒數(shù)量和濃度的雙重限制，進(jìn)氣中冷、推遲噴油提前角等機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)在降低排放上遭遇到瓶頸，排放后處理技術(shù)成為了研究焦點(diǎn)[1]。微粒捕集器(DPF，Diesel Particulate Filter)是目前公認(rèn)的最有效和具有良好商用前景的柴油機(jī)排放后處理技術(shù)。

1 DPF 凈化機(jī)理

在柴油機(jī)尾氣中的顆粒物的各組成部分中，可溶性有機(jī)物不僅生成量少且在排氣溫度下會(huì)發(fā)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(shí)際上主要是碳煙。DPF 中起過濾作用的關(guān)鍵部件是過濾體，目前商用較多的類型是多孔介質(zhì)壁流式蜂窩陶瓷過濾體，如圖1 所示。在柴油機(jī)工作時(shí)，含有多孔介質(zhì)的DPF 將對(duì)微粒產(chǎn)生攔截、碰撞及擴(kuò)散等效果，最終使得微粒沉積在介質(zhì)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)過濾凈化的效果[2]。然而，DPF 技術(shù)的核心問題為壓降、碳煙捕集及再生過程。這主要是因?yàn)殡S著車輛運(yùn)行時(shí)間和里程的增加，DPF內(nèi)捕集、積累的碳煙量相應(yīng)增加，DPF 前后的壓差將會(huì)增加，致使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)排氣不暢、新鮮進(jìn)氣量不足，車輛出現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性下降、污染物排放加劇等一系列不利狀況。因此當(dāng)內(nèi)部碳煙積累到一定程度時(shí)應(yīng)被清除干凈即實(shí)現(xiàn)DPF過濾體的再生。再生的原理是當(dāng)積累的碳載量達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)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(shí)中，如果DPF 一定時(shí)間內(nèi)再生次數(shù)過少，微粒累積過量，載體內(nèi)部碳載量過大，將引起再生溫度及內(nèi)部溫度場發(fā)生變化，陡峭的溫度梯度易造成過濾體產(chǎn)生裂縫；如果DPF 一定時(shí)間內(nèi)再生次數(shù)過多，過濾體內(nèi)部積累碳載量偏少，則會(huì)使車輛產(chǎn)生額外的燃油消耗。因此，確定過濾體內(nèi)的碳載量的多少目前大多數(shù)DPF 再生研究的控制的關(guān)鍵。基于無法對(duì)實(shí)際運(yùn)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(jù)壓降、根據(jù)行駛時(shí)間、根據(jù)行駛里程、根據(jù)總的耗油量這四個(gè)思路。其中，基于壓降判斷碳載量的方法應(yīng)用最為普遍。因此本文同樣選擇DPF 前后的壓差值為依據(jù)，建立壓降與碳載量的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合碳煙捕集機(jī)理對(duì)DPF 碳煙捕集過程與影響因素進(jìn)行分析，為研究DPF 的性能與管理提供有效的理論依據(jù)。

2 DPF 壓降和碳載量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

利用碳載量的計(jì)算思路是由壓力傳感器測得DPF 前后的壓力差值，并根據(jù)實(shí)測壓力差值與灰分體積產(chǎn)生的壓力差系數(shù)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(shù)關(guān)系計(jì)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(duì)多孔介質(zhì)壓降的定義[4]。排氣流經(jīng)DPF時(shí)，其壓降組成主要包括進(jìn)口氣流收縮產(chǎn)生的壓降、出口膨脹產(chǎn)生的壓降、經(jīng)過進(jìn)出口孔道產(chǎn)生的壓降、經(jīng)過濾餅層和多孔介質(zhì)壁面層產(chǎn)生的壓降等。其中，進(jìn)口收縮、出口膨脹和灰分層產(chǎn)生的壓降占總壓降的比例很小予以忽略不計(jì)。壓降的數(shù)學(xué)模型為：

將式（1）根據(jù)體積、密度與質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換后求得濾餅層上PM 質(zhì)量數(shù)學(xué)模型為：

式（2）中的三個(gè)系數(shù)公式如下：

式中：ΔPwall為壁面壓降；ΔPcake為濾餅層壓降；ΔPinlet為進(jìn)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(dòng)力學(xué)粘度；F 為摩擦因數(shù)，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(duì)于新鮮的DPF 載體，初始進(jìn)行碳煙加載的時(shí)，入口通道壁面上碳煙層還未形成，此時(shí)ωc為0，且壓降ΔP 僅與壁面滲透率k 有關(guān)，后期累積加載時(shí)壓降與濾餅層厚度ωc和濾餅層滲透率kcake均有關(guān)。

3 DPF 碳煙捕集過程與影響因素分析

本文所研究的DPF 相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，采用堇青石過濾體，并通過與文獻(xiàn)資料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比對(duì)模型相關(guān)參數(shù)修正[5]，結(jié)果對(duì)比如圖2 所示，進(jìn)而對(duì)DPF 的捕集過程、壓降與碳載量的關(guān)系以及灰分和溫度等參數(shù)對(duì)捕集的影響進(jìn)行分析。

表1 DPF 有關(guān)參數(shù)

圖2 DPF 壓降隨碳載量變化的仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 DPF 碳煙捕集過程研究

DPF 碳煙捕集過程主要有兩個(gè)，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(shí)過濾體內(nèi)碳載量較少，且被多孔介質(zhì)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(zhì)量只占很少一部分，但對(duì)過濾體進(jìn)出口總壓降的貢獻(xiàn)最大。隨著微粒沉積的增多，DPF 逐漸進(jìn)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(shí)間基本上呈線性關(guān)系，累積量占據(jù)了碳煙質(zhì)量80-90%以上。也有學(xué)者進(jìn)行了進(jìn)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(xiàn)出前端少后端多的的特點(diǎn)。但進(jìn)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(guān)，當(dāng)排氣流量大時(shí)，DPF 捕集過程中沒有明顯的深床捕集階段，迅速進(jìn)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(jié)構(gòu)與孔道密度等因素的影響。

（1）經(jīng)過多次的加載和再生后，需要考慮灰分沉積對(duì)DPF 捕集的影響[9]。過濾體壁面出現(xiàn)灰分沉積，一方面使DPF過濾體較易進(jìn)入濾餅捕集階段，另一方面會(huì)減小過濾體有效過濾長度、增大壓降；另外還會(huì)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(jìn)口溫度對(duì)碳煙的分布和捕集也產(chǎn)生影響[8]。在一定溫度范圍內(nèi)，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(wěn)。

（3）碳煙捕集與孔道結(jié)構(gòu)和孔道密度有關(guān)[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(duì)稱孔道，非對(duì)稱孔道具有更大的入口截面積，因而在碳煙層厚度相同時(shí)，非對(duì)稱孔道的絕對(duì)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(jìn)氣流速進(jìn)而影響碳煙沉積。在進(jìn)氣量相同的情況下，孔密度的減小相當(dāng)于增加了孔道寬度，導(dǎo)致氣流與孔道的摩擦阻力減小，從而氣流的流動(dòng)均勻性更好。

4 展望

在實(shí)際運(yùn)行過程中，柴油機(jī)DPF 的碳煙積累和再生過程是不斷反復(fù)進(jìn)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(xiàn)偏差累積，且長時(shí)間運(yùn)行后偏差越來越大。因此，后期研究和應(yīng)用中應(yīng)防止該現(xiàn)象的發(fā)生，以滿足DPF 實(shí)際應(yīng)用要求。