不同顆粒物分布對柴油機顆粒過濾器再生性能的影響

鐘玉偉 謝夏琳 魏 超 高 冉

(1. 廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西大學，廣西 南寧 530004)

0 前言

柴油機具有低燃油耗、高熱效率、高穩定性和低CO排放等優點，被廣泛應用于交通運輸、工程機械、農業機械和發電機組等領域。柴油機運行時會排放大量的顆粒物，其排放量是具有相同功率汽油機的30～80倍，顆粒物排放不僅會對環境造成嚴重污染，還會對人類健康造成危害。

柴油機顆粒過濾器(DPF)被認為是顆粒物排放后處理技術中最簡單有效的裝置，對顆粒物的過濾效率高達95%以上。目前，DPF的通道設計僅可容納有限的顆粒物。隨著顆粒物的增加，發動機背壓會逐漸升高，影響柴油機的燃油效率。為了恢復DPF的顆粒物過濾能力，通常用定期燃燒的方式來清除顆粒物，實現DPF再生。

DPF的再生技術主要有2種：① 通過添加催化劑來降低炭煙顆粒氧化溫度的被動再生技術；② 通過外部能量供應來提高排氣溫度的主動再生技術。與被動再生技術相比，主動再生技術在再生效率、再生效果和再生穩定性等方面更具優勢，因此，主動再生技術得到了廣泛應用。在過濾顆粒物的過程中，廢氣在通道中流動時受到排氣管、氧化催化器(DOC)和DPF封裝等結構的影響，DPF內部的廢氣流場和溫度場會產生一定的變化。如果DPF收集的炭煙顆粒在載體中分布不均勻，炭煙顆粒在燃燒時產生的局部高溫會導致DPF載體的熱應力分布不均勻，從而造成DPF損壞。因此，要研究DPF內部的炭煙顆粒分布狀況，探索影響DPF在再生過程中溫度場分布的相關因素，延長DPF的使用壽命。

目前，對DPF再生過程的研究大多集中在假設顆粒物為均勻分布的情況，對于顆粒物非均勻分布情況下的研究較少，相應的研究方法也多采用臺架試驗。由于試驗儀器的局限性和發動機實際工況的復雜性，無法準確判斷DPF中顆粒物分布方式對再生性能的影響。基于此，本文建立了DPF三維模型，研究了不同顆粒物分布對DPF壓降、溫度和再生效率的影響。

1 計算模型

1.1 三維網格模型

DPF主要由進氣管路、濾芯和出氣管路3部分組成。本文選用壁流式碳化硅DPF，采用AVL-FIRE軟件進行模擬計算，仿真模型如圖1所示。進氣道和出氣道的網格設置為5 mm，燃燒區域的網格設置為3 mm。DPF的結構參數見表1。

圖1 DPF仿真模型

①為了符合本行業計量習慣，本文仍沿用部分非法定計量單位——編注。

表1 DPF結構參數

1.2 顆粒物分布類型

柴油機在實際運行中，工況的變化和DPF的封裝結構都會造成炭煙顆粒在孔道內部分布不均勻。如圖2所示，顆粒物分布類型共有7種，分別為均勻分布型(類型一)，線性遞增分布型(類型二)，線性遞減分布型(類型三)，兩端分布型(類型四)，中間分布型(類型五)，前端均勻分布、后端線性遞減分布型(類型六)和前端線性遞增、后端均勻分布型(類型七)。

圖2 DPF的顆粒物分布類型

2 模型驗證

為了確認DPF再生模型的準確性，對數值模型進行了驗證。圖3為DPF再生模型仿真結果與試驗結果的對比。在DPF的再生過程中，DPF內部3個特征點的溫度模擬值與試驗值的變化趨勢一致，其相對誤差值不超過5%。因此，本文所建立的再生模型可以較為準確地模擬DPF的再生過程。

圖3 DPF模型仿真結果與試驗結果對比

DPF再生模型求解過程中的相關參數和初始條件見表2。除了氧氣外，柴油機尾氣中能與顆粒物發生氧化反應的氣體含量極少，可忽略不計，因此在進行模擬計算時，可以將除氧氣外的其他氣體組分用氮氣來代替。顆粒物中發生氧化反應的物質主要是炭煙顆粒，可將單一的炭煙顆粒作為燃燒物質來代替顆粒物。本文簡化了該模型的再生系統，對再生氣源和顆粒物進行了簡化。

表2 DPF再生模型參數

3 結果與分析

3.1 不同顆粒物分布對壓降的影響

DPF再生過程中不同顆粒物分布對壓降的影響如圖4所示。雖然初始炭煙顆粒的沉積量相同，但由于顆粒物在DPF通道中的分布類型不同，其初始壓降也不同。其中，類型一的顆粒物分布初始壓降最高；類型七的顆粒物分布初始壓降最低。這是由于在DPF入口處的顆粒物較少，對氣體流動阻力的影響較小。隨著DPF的再生，溫度升高會使氣體進一步膨脹，炭煙顆粒的無規則運動加劇，顆粒間碰撞概率增大，氣體黏度增加，氣體流動阻力增大，導致DPF壓降升高。不同顆粒物的分布對DPF再生過程中的壓降有較大影響。在顆粒沉積量相同的情況下，顆粒物在均勻分布情況下能夠容納的顆粒數最多，再生過程中產生的溫度也更高，因此均勻分布的炭煙顆粒燃燒產生的壓降最高。

圖4 不同顆粒物分布對壓降的影響

3.2 不同顆粒物分布對溫度的影響

導致DPF被損壞的最主要因素是DPF再生過程中過高溫度。溫度過高容易使DPF多孔載體融化，使其喪失多孔吸附性，無法達到過濾顆粒物的目的，因此，在DPF再生過程中，研究不同顆粒物分布引起的溫度變化至關重要。圖5示出了DPF再生過程中不同顆粒物分布情況下DPF內部平均溫度和峰值溫度變化情況。DPF入口處顆粒物越多，導致DPF內部平均溫度越高，達到峰值溫度的時間也越短。隨著炭煙顆粒聚集量增多，產生的溫度急劇升高。越靠近DPF入口處，DPF再生時間也越短。對比類型二和類型三，當顆粒物呈線性分布時，類型三的峰值溫度比類型二出現得更早，峰值溫度更高。這是因為靠近DPF入口處的顆粒物越多，DPF再生的時間越短，產生的溫度也越高。隨著氣體的流動，熱量傳遞到DPF后半段，導致DPF的峰值溫度升高。對比類型四和類型五，由于類型四在DPF入口處的顆粒物分布比類型五的多，其峰值溫度出現時間更早；類型五在DPF中間位置所容納的顆粒物數量比類型四多，其峰值溫度會更高。相同的顆粒物分布類型，DPF內部峰值溫度基本相同，僅是達到溫度峰值的時間不同。這是由于DPF前后端顆粒物分布不均造成的，顆粒物堆積越多，且離DPF入口處越近，達到峰值溫度的時間就越短，反之亦然。

圖5 不同顆粒物分布對平均溫度和峰值溫度的影響

圖6 7種分布類型顆粒物的燃燒溫度場

圖6為不同顆粒物分布類型在DPF各個部位及不同時段的內部溫度場示意圖。類型一均勻分布的顆粒物燃燒并未在一開始就產生高溫，而是由流動的氣體將不斷積累的熱量向后端傳遞。當燃燒至150 s時，DPF中后部產生了高溫。類型二的顆粒物在燃燒至150 s時，大部分顆粒物開始燃燒；燃燒至200 s時，顆粒物在DPF濾芯末端產生了局部高溫。類型三的顆粒物在燃燒至150 s時，大部分顆粒物開始發生劇烈燃燒，最高溫度達1 072.2 K。類型四的顆粒物在燃燒至100 s時，DPF入口處的氧化反應已經相對劇烈，但由于DPF中間位置的顆粒物較少，其溫度并未顯著提升，維持原溫度不變，當熱量傳遞到DPF后半部，隨著顆粒物增多，氧化反應加劇，最高溫度出現在DPF末端。類型五的顆粒物在過濾器中部位置較多，氧化反應反而要吸收更多的熱量，因此，最高溫度出現的時間會更晚，約在燃燒至250 s時才出現。在DPF前端，類型六的顆粒物比類型七的多，類型六的顆粒物在燃燒至150 s時的燃燒速度最高，而類型七的顆粒物則在燃燒至200 s時的燃燒速度最高。

3.3 不同顆粒物分布對炭煙密度的影響

圖7為DPF再生過程中不同顆粒物分布對炭煙密度的影響。假設初始炭煙質量相同，但由于DPF內顆粒物分布不均勻，不同顆粒物分布類型的初始炭煙密度也不同。

圖7 不同顆粒物分布對炭煙密度的影響

圖8 7種顆粒物分布類型在燃燒過程中的炭煙密度

圖8示出了不同顆粒物分布類型情況下DPF內部炭煙密度隨再生時間變化的情況。類型一，由于氧化反應產生的熱量被氣體不斷地傳遞到DPF后端，DPF末端炭煙顆粒燃燒得更迅速、更充分，此時DPF前端的炭煙顆粒還未燃燒完成。類型二，呈線性遞增分布的顆粒物類型中，在DPF末端的炭煙密度最高，為19.302 g/L。雖然DPF末端的炭煙密度更高，但DPF末端的炭煙顆粒在250 s時就已經完全燃燒，而DPF中段的炭煙顆粒在300 s時還未完全燃燒。類型三，呈線性遞減分布的顆粒物類型中，DPF入口處的炭煙密度最高，但由于入口處的熱量不斷被排氣流帶走，因此炭煙顆粒在DPF入口處的燃燒最慢。類型四，呈中間分布的顆粒物類型在DPF端面位置的密度最高。當最低值處于DPF中段位置時，其在DPF入口處和出口處的炭煙密度為25.955 g/L，此時炭煙顆粒在DPF中段位置極少甚至沒有。在燃燒的前200 s，DPF入口處的炭煙顆粒燃燒更迅速，但在DPF末端的炭煙顆粒燃燒速率更快，超過了入口處炭煙顆粒的燃燒速度。因為DPF入口處聚集的大量炭煙顆粒在達到再生溫度時會劇烈燃燒，產生的熱量被迅速傳遞到DPF末端，而入口處的顆粒物燃燒卻未完成，導致DPF末端的顆粒物燃燒速度大幅提升，超過了入口處的炭煙燃燒速度。類型五，當顆粒物都堆積在DPF中段時，炭煙密度達到14.988 g/L，此時DPF入口處的炭煙顆粒燃燒最慢。類型六顆粒物在DPF入口處的燃燒速率最慢，而類型七顆粒物則在DPF中段的燃燒速率最慢。

4 結論

通過DPF再生過程中不同顆粒物分布對壓降、溫度和炭煙密度等因素的影響分析，可以得出以下結論。

(1)采用不同的顆粒物分布方式能夠降低DPF再生過程中的壓降，其中均勻分布顆粒物燃燒產生的壓降最高。

(2)DPF內部堆積的炭煙顆粒越靠近入口處，DPF內部平均溫度越高，達到峰值溫度的時間也越短。

(3)相同顆粒物分布類型僅導致DPF峰值溫度出現的時間有差異，不會對峰值溫度產生影響。

(4)由于燃燒產生的熱量會傳遞至DPF末端，無論采用何種顆粒物分布類型，都會導致DPF末端的顆粒物燃燒速度大于DPF前端。