柴油機DPF再生技術的研究進展

李奕聞,范憲濤,楊培興,白書戰*

1.山東大學能源與動力工程學院,山東濟南 250061;2.山東宇洋汽車尾氣凈化裝置公司,山東聊城 252100

0 引言

柴油機燃油經濟性好、可靠性及熱效率高,但其尾氣中含有NOx、HC、顆粒物(particulate matter,PM)等大量有害污染物,危害人體健康和自然環境。為嚴格控制柴油機污染物排放,歐VI、國六排放標準不僅要求PM排放降低50%,還新增了對粒子數量(particle number,PN)的限制。柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)技術是目前降低顆粒物排放的主要機外技術手段。DPF一般采用壁流式蜂窩陶瓷結構,通過在載體上涂覆貴金屬涂層,以過濾方式有效降低顆粒物排放。DPF中累積的積碳有助于提高DPF捕集效率,但孔道內捕集的顆粒物不斷增加,使柴油機混合氣分布不均勻、排氣背壓增大,造成發動機動力性與經濟性降低。因此,為提高DPF的工作性能、延長其使用壽命,當DPF內積碳達到一定限值時,必須將顆粒物進行周期性清除,這一過程為DPF再生[1]。積碳可利用氧化反應去除,發生氧化反應的起燃溫度為775～875 K,而柴油機排氣溫度一般為520～770 K。根據積碳氧化所需能量的來源,DPF再生方式分為利用外界能量進行的主動再生和利用柴油機自身能量進行的被動再生[2-3]。

合理的DPF再生能夠提高柴油機運行效率和燃油經濟性,再生時機取決于對穩態及瞬態工況下DPF內部積碳量的準確預測。傳統的積碳量預測方法為通過試驗標定和基于壓降構建積碳量估算模型。目前,運用機器學習算法預測DPF內部積碳量的研究較多。本文中,主要分析不同參數對DPF孔道內顆粒沉積分布特性的影響,研究影響DPF再生性能的因素和積碳量預測方法,為優化DPF結構設計及完善再生技術提供參考。

1 DPF內顆粒沉積分布

1.1 沉積機理

DPF通過孔道內的多孔介質過濾體使排氣顆粒沉積在多孔介質中,沉積機理主要包括布朗擴散、攔截捕集、慣性碰撞、重力沉降、熱泳作用和靜電感應。若尾氣中的極性碳氫分子處于過熱狀態[4],或等離子體和電場不存在時[5],靜電力可以忽略;若孔道內部視為溫度近似不變的區域,僅考慮顆粒捕集時,熱泳力可忽略不計[6]。因此,在研究排氣顆粒沉積特性時主要考慮4種機理:1)布朗擴散。在氣體分子熱運動的影響下,排氣顆粒物做布朗運動,偏離排氣氣流的運動軌跡流線,被多孔介質過濾體捕集。2)攔截捕集。排氣顆粒的直徑大于或等于孔道內部過濾體的孔隙直徑時,無法通過過濾體而被捕集。3)慣性碰撞。排氣通過過濾體孔隙時,氣體在收縮壓力的影響下改變運動軌跡,但顆粒的質量遠大于氣體,仍保持原流線方向以致碰撞到過濾體上而被捕集。4)重力沉降。受到重力作用的顆粒與過濾體壁面接觸后被捕集。通常排氣顆粒粒徑小于20 μm時,可以忽略重力作用對顆粒沉積的影響。

顆粒沉積過程可以分為4個階段:1)第1階段,顆粒在微孔內部沉積,沉積高度為0,可稱為深床期;2)第2階段,堆積在微孔處的顆粒逐漸變成“長樹”形態,沉積高度呈線性迅速增長,可稱為長樹期;3)第3階段,各“顆粒樹”互相連接,沉積高度增長漸緩,可稱為搭橋期;4)第4階段,在整個多孔陶瓷表面形成顆粒層,沉積高度以小于第2階段的增長率進行線性增長,可稱為顆粒層期[7]。目前有關壁流式載體顆粒沉積的試驗或數值模擬研究中,將沉積過程主要分為深床捕集與煙餅層捕集。

1.2 不同參數對顆粒沉積特性的影響

分析入口流速、粒徑、灰分沉積量、過濾體結構等對DPF孔道內顆粒沉積分布規律的影響,對提高DPF內壁面處顆粒物的碰撞概率與再生效率、縮短DPF再生周期、優化再生控制策略并改進DPF結構有重要意義。

1.2.1 入口流速

文獻[8]通過仿真研究了顆粒數為5 000 、不同DPF入口流速時顆粒在單元體上的沉積形貌,結果如圖1所示。 由圖1可知:入口流速越大,單元體表面沉積的顆粒數量越少;入口流速為2.83、5.09 m/s時,在單元體表面上可以觀測到顆粒鏈;入口流速較大使顆粒與單元體表面發生碰撞時出現反彈,迎風面上沉積的顆粒數量減少,側面與背面較多。入口流速的變化改變DPF孔道內流場分布,影響顆粒的運動軌跡和顆粒在多孔介質過濾體結構內部的沉積。文獻[9-11]表明:當顆粒粒徑相同時,入口流速對顆粒沉積分布的影響較大;當入口流速不變時,顆粒粒徑對顆粒沉積分布的影響較小;粒徑越大,顆粒的沉積位置越靠近孔道末端。

1.2.2 顆粒粒徑

文獻[8]研究當通過的粒子數為5 000、入口流速為2.83 m/s時,不同粒徑的顆粒在單元體上的沉積如圖2所示。由圖2可知:單元體表面的顆粒層厚度隨粒徑的增大而增大,在顆粒層外表面形成了豐富的樹狀顆粒鏈。

a)粒徑為1.0 μm時主視圖 b)粒徑為1.5 μm時主視圖 c)粒徑為2.0 μm時主視圖

文獻[12]將孔道平分為4段(S1、S2、S3、S4),分別統計各段在不同入口流速u0、粒徑下的顆粒沉積數量,結果如表1所示。由表1可知:u0=1 m/s時,孔道壁面處沉積的不同粒徑顆粒分布較為均勻;u0=3、6 m/s時,顆粒逐漸在靠近孔道中、后段處沉積。文獻[12]定量分析了有效顆粒群(非沉積顆粒)的均方位移(能實時計算孔道中顆粒群位置分布),結果表明:有效顆粒群的均方位移隨入口流速的增大而增大,這與文獻[9-11]的研究結果一致:相較于粒徑,入口流速對孔道內顆粒沉積分布的影響更大。

表1 不同區段的顆粒沉積數目統計

1.2.3 灰分沉積量

文獻[13]研究沉積溫度為20 ℃、沉積速度為0.05 m/s時,灰分沉積量分別為0、1、2、4、8 g/L對DPF壓降、煙餅層厚度的影響,結果如圖3所示。

a)DPF壓降 b)煙餅層厚度圖3 沉積溫度為20 ℃、沉積速度為0.05 m/s時5種不同灰分沉積量對DPF壓降、煙餅層厚度的影響

由圖3可知:隨著灰分沉積量的增大,初始壓降增大,煙餅層階段的開始時間(曲線上圓圈位置)逐漸提前;灰分沉積量為2 g/L可視為過濾體的新過濾層,類似于形成了雙層過濾機制,能有效降低過濾壓降。文獻[14]發現灰分粒徑較大時有利于顆粒沉積,相當于“覆膜”作用。

1.2.4 過濾體結構

文獻[15]計算分析過濾體孔隙率對DPF通道進口顆粒物質量分數、出口顆粒物質量分數、捕集效率、通道尾部背壓、通道整體背壓的影響,結果如表2所示。由表2可知:隨多孔介質過濾體層孔隙率的增加,過濾體捕集效率降低、背壓減小,這是由于多孔介質過濾體層的微孔直徑增大,對顆粒物過濾效果減弱,顆粒物沉積數量減少,導致氣流受到的流動阻力減小。

表2 不同過濾體孔隙率對進出口顆粒物質量分數、捕集效率、通道尾部背壓、通道整體背壓的影響

此外,增大壁面滲透率可以增大深床過濾階段孔道內顆粒沉積分布的不均勻性,煙餅層厚度的增加可以降低顆粒分布的不均勻性[16-17]。

綜上,DPF內顆粒沉積分布特性受入口流速、顆粒粒徑等參數的影響,顆粒沉積也同樣影響多孔介質過濾體結構的孔隙率、滲透率等參數。顆粒沉積分布特性影響DPF再生溫度場、壓降特性以及捕集效率。由于排氣中存在多種組分,顆粒間的相互理化作用復雜,目前對DPF內顆粒沉積的數值模擬研究中采用簡化模型,忽略了溫度對顆粒沉積效率的影響、孔道內發生的化學反應、實際道路應用中多種激振信號形成的隨機振動對微觀下DPF通道內顆粒團聚與破碎的影響,因此,應進一步研究振動狀態下多參數對微通道內顆粒沉積或溫度場分布的影響。

2 DPF內積碳量的預測方法

DPF內積碳量估算的準確性對于提高再生完全性、保障工作安全、減少再生頻率及建立高效的再生控制策略具有重要意義。

目前,在DPF積碳量的研究中,普遍利用MATLAB/Simulink平臺搭建碳煙加載模型,但對積碳量估算模型標定的方法各不相同:文獻[18]基于臺架試驗取得的穩態工況與穩態加載過程的DPF壓降對模型進行標定;文獻[19]提出了一個新型的由改進的堇青石組分組成的催化型柴油機顆粒捕集器(catalyst diesel particulate filter,CDPF)概念,該CDPF沒有涂層,積碳量和壓降近似線性關系,積碳量可以直接由壓降確定;文獻[20]采用了離線方式進行積碳量仿真模型的標定及優化,該方法可以提高標定效率、減少整車試驗時間及標定工作,但標定難度未降低;文獻[21]采用機器學習算法預測積碳量,通過迭代優化模型,實現自動標定,試驗驗證結果表明,該方法提高了標定精度、縮減了標定時間,且預測的積碳量平均偏差為0.11 g/L,滿足實際工程要求。

在某些工況或實際車輛運行中,基于壓差估算積碳量或利用多工況試驗標定積碳量的方法,很難準確預測瞬態下DPF內的積碳量。近年來,運用機器學習算法估算積碳量的研究越來越多,該方法預測精度較高,但用以驗證的試驗數據較少,而且能預測的柴油機污染物單一[22]。

3 DPF再生性能

3.1 DPF再生方法

DPF主動再生技術主要有噴油助燃、電加熱和微波加熱等,被動再生技術主要有催化劑輔助再生、燃油添加劑催化再生和連續再生等[23]。目前國內外主要采用的再生技術有助燃再生、加熱再生和催化再生[23]。

噴油助燃再生技術需要將DPF與氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)配套使用。文獻[23]通過在DOC前噴射柴油,借助氧化反應放出的熱量提高排氣溫度,研究發現該助燃方法不僅能快速實現再生,還能減小二次污染排放量;文獻[24]運用缸內次后噴(late post injection,LPI)的主動再生方法,提高排氣中HC含量,使其在DOC內氧化放熱,滿足DPF再生溫度需求;文獻[25]對比研究缸內遠后噴(與LPI類似,但在噴射時間上略有不同)與排氣管噴油的再生性能,發現缸內遠后噴的再生時間較長且HC泄露較多;文獻[26]采用電加熱技術進行DPF再生,發現再生后各工況下的DPF過濾效率均超過88%,這與潔凈狀態下DPF的過濾效率基本一致,且再生后排氣背壓變化不大,但實現再生過程所需的時間比DOC助燃方法長。

文獻[27]使用環烷酸鈰溶劑促進沉積顆粒物燃燒,實現燃油催化再生,通過對DPF的再生平衡溫度、壓降特性和燃燒灰燼等進行分析,發現環烷酸鈰溶劑不僅明顯降低了顆粒的著火點,實現有效再生,還增強了DPF的顆粒儲備能力,提高了過濾體捕集效率。文獻[28-29]研究了某鐵基型燃油添加劑FBC對再生性能的影響,發現FBC可降低再生溫度,能夠有效提高DPF的被動再生效率。

3.2 降怠速對DPF再生溫度場的影響

在再生過程的初始階段,柴油機轉速迅速降至怠速(drop-to-idle,DTI),此時排氣流量大幅減小,已開始的氧化反應產生的熱量無法及時被氣流帶走,DPF內存在較大的溫度梯度和較高的峰值溫度,極易導致過濾體損壞和催化劑失效[30]。因此,研究DPF在DTI再生工況時的性能,判定載體安全再生的極限積碳量和極限再生溫度,對再生標定及載體匹配選型有一定的參考價值[31-32]。

文獻[30]開展臺架對比試驗,通過調控排氣中氧氣體積分數(簡稱氧控)控制DTI再生過程,研究不同再生方式對載體溫度的影響,不同DTI再生方式試驗結果如表3所示。

表3 不同DTI再生方式試驗結果對比

由表3可知:相比DTI再生,積碳量相同時,氧控DTI再生可有效降低載體內峰值溫度,積碳量為9 g/L時氧控DTI再生載體峰值溫度僅升高80 ℃。在保障載體再生溫度安全的條件下氧控DTI再生可以拓寬積碳量閾值并延長再生周期,但導致柴油機缸內燃燒惡化,排放大量二次污染物,還需要對其進一步研究和優化。

為確定DPF載體再生安全的極限積碳量、極限溫度,文獻[31-32]進行了DTI再生試驗,研究不同積碳量下DTI再生的溫度分布,通過對比DTI再生后載體的過濾效率與載體狀態判定積碳量的上限。文獻[31]研究發現:在積碳量為8、10 g/L時進行DTI再生不會燒損DPF載體,DPF過濾效率高達97%;在積碳量為12 g/L、溫度為600 ℃時進行DTI再生,載體內部峰值溫度超過1 500 ℃,載體損壞, DPF過濾效率降低至87.3%。文獻[32]分析積碳量為9、10、11 g/L時的DTI試驗結果,發現積碳量為11 g/L時DTI再生后的PM、PN排放均不滿足排放標準要求,且載體內部開裂。眾多研究表明,積碳量為11 g/L是DPF載體安全再生的上限。

基于DTI再生試驗,文獻[33]采用內模控制方法,設計一種前饋控制律和反饋控制律相結合的新型DPF再生溫度控制策略,并在實際駕駛循環的瞬態條件進行驗證。結果表明:在熱再生的初始階段,溫度超調小于5%,跟蹤誤差保持在目標再生溫度的±15 ℃以內,有利于DPF安全、高效熱再生。

3.3 影響DPF再生性能的因素

現階段,對DPF再生的研究集中在再生控制策略與再生機理2方面,通過試驗和數值模擬仿真分析DPF載體結構參數、來流參數、物理化學反應等對再生性能及顆粒物排放的影響,為優化DPF再生性能提供理論參考和試驗依據[34]。

對DPF再生性能影響因素的相關研究中,文獻[35-36]建立了DPF再生模型,分析孔隙率、排氣流量等參數對再生過程中壓降、溫度的影響,發現排氣流量增大能加快再生反應,較小的孔隙率提高再生性能;文獻[37]發現載體材料對DPF再生性能影響較大,載體材料為SiC的DPF在再生初始階段熱損失較高,載體材料為鈦酸鋁的DPF再生時CO排放較低,載體材料為堇青石的DPF再生時壓降增大;文獻[38]研究發現,帶有緩沖區域的載體結構承受的熱應力相對較小,更有利于DPF的再生;文獻[39]建立了非熱等離子體技術的DPF再生系統模型,研究殘余灰分對DPF再生的影響,通過觀測再生除碳質量和峰值溫度判定再生效果,結果表明,灰分的增加使除碳質量上升,但其達到完全再生和峰值溫度的時間延長。

關于顆粒特性對DPF再生性能影響的相關研究中,文獻[34]發現粒徑相同的碳黑的比表面積越大,DPF再生效率越高,相較于碳黑,柴油機顆粒的起燃點較低、再生效率較高;文獻[40]發現再生過程中產生的氣體和顆粒物主要集中在快速再生周期,優化再生溫度、保持低流動再生有利于提升再生性能,減少顆粒物排放;文獻[41]進行發動機臺架試驗,研究CDPF在發動機怠速時的主動再生性能,發現怠速再生階段存在快速氧化期,顆粒物在此階段快速燃燒,控制入口溫度鋸齒形上升,可避免過濾體內部產生較大的溫度梯度,再生效率達到90.55%。

綜上所述,調節DPF再生入口溫度或采用催化再生的再生效率都較高;DTI再生時積碳量的上限為11 g/L;較大的排氣流量、較小的孔隙率和適宜的殘余灰分量等都有利于再生。但目前還沒有更為成熟的、能綜合考慮顆粒化學反應及熱應力、氣-固耦合傳熱、傳質等因素的DPF再生模型,已有模型的局限性不能詳細描述DPF的再生反應過程,應結合DOC開展研究,或建立單通道模型分析應力和應變。

4 結束語

對DPF再生技術進行總結,分析不同參數對DPF內顆粒沉積分布特性的影響,對準確預測積碳量方法以及影響DPF再生性能的因素進行探究,提出了可行的微觀通道內顆粒沉積與再生技術研究方向,得到如下結論。

1)相較于粒徑,入口流速更能決定孔道內顆粒沉積分布;合適的灰分沉積量能有效降低過濾壓降,且較大的灰分粒徑有利于沉積過程;壁面滲透率越大,顆粒分布越不均勻,但煙餅層厚度的增加可以降低顆粒分布的不均勻性。

2)雖然自動標定法能準確預測積碳量,縮短標定周期,但是其還不能對柴油機全污染物進行預測,需要大量的實際工況下的試驗數據進行不斷優化標定。

3)載體結構參數、來流參數、物理化學反應、降怠速再生等都對DPF再生性能產生影響。

4)研究DPF內顆粒沉積特性或再生技術的新思路為:考慮多種激振信號耦合的隨機振動對DPF內微觀層面上顆粒團聚、破碎的影響,分析其對DPF內流場及顆粒沉積分布的影響;建立詳細的微通道計算模型,盡量結合DOC開展研究并考慮全面的顆粒化學反應,準確模擬再生反應過程;綜合考慮多參數對再生性能的影響,開發更簡單可靠、成本更低的再生技術。