柴油機微粒捕集器再生中灰分沉積機理及影響研究*

侯獻軍，馬 義，彭輔明，顏伏伍

(武漢理工大學汽車工程學院;現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070)

前言

柴油機微粒捕集器(DPF)的關鍵技術是過濾體的再生，再生結束后殘留在DPF內部不能燃燒的部分稱為灰分，約占微粒質量的0.5% ～1%，取決于發動機運行工況［1］?；曳种饕闪蛩猁}、磷酸鹽和其它鈣、鋅、鎂的氧化物等組成，其來源主要包括兩個方面:一是來源于潤滑油中的添加劑，這些添加劑在氣缸內主要起到清潔、防氧化和防腐蝕等作用［2－4］;二是來源于燃油添加劑，其目的在于再生過程中降低顆粒物著火點［5－6］。沉積在DPF中的灰分一方面會減少DPF的有效過濾面積，降低其過濾效率;另一方面會增加排氣流動阻力，改變過濾體壓降對微粒沉積的敏感性，使再生控制系統不能對再生狀況作出正確的判斷［7］。本文中利用 GT－Power軟件建立柴油機微粒捕集器主動再生一維仿真模型來分析灰分的沉積過程及其對捕集器過濾特性和再生過程的影響。

1 模型簡介

壁流式蜂窩陶瓷過濾體的再生過程非常復雜，本質上是一個具有多孔介質壁面的孔道內氣體流動和微粒燃燒的傳熱傳質問題，其研究涉及流體力學、傳熱學和化學反應動力學等多學科的內容。GTPower軟件提供的DPF一維再生模型將DPF過濾通道簡化為單一方形的進出通道結構，如圖1所示，在過濾體通道內依次設置5個數據采集點來分析再生時的溫度和微粒質量等參數的變化情況(Z/L=0.0表示載體入口，Z/L=1.0表示出口)。圖2為所建立的GT－Power主動再生仿真模型，DPF的基本參數如表1所示。

表1 DPF基本參數

2 模型驗證

再生仿真入口邊界條件:氣流質量流量為180g/s，排氣最高溫度為873K，過濾體初始溫度為573K，氣流氧濃度為10%，碳煙加載密度為12g/L，計算時長為500s。圖3和圖4分別為再生過程中載體壁面溫度與過濾體壓力損失和微粒層厚度隨時間的變化曲線。

從圖3和圖4可見，再生提溫初期，過濾體整體處于預熱狀態，過濾體壓力損失因溫度的上升而逐漸升高，隨著DPF的提溫，載體入口端先達到PM起燃溫度，使PM開始緩慢燃燒(100s)，燃燒放出的熱量沿軸向向后傳遞，將中后端大量PM引燃(150s)，致使載體溫度急劇升高，壓力損失迅速下降，隨著PM的繼續燃燒，壓力損失和載體溫度總體下降并趨向穩定。還可以發現，載體后端的PM燃燒速度最快，最高溫度(1 385K)出現在后端，PM劇烈燃燒時會產生較大溫度梯度，可能導致載體產生裂紋。

以上分析表明建立的再生仿真模型能準確地反映捕集器再生過程，因此可用來對再生灰分沉積的影響進行研究［8］。

3 再生灰分沉積的影響

3.1 灰分沉積對載體過濾特性的影響

圖5和圖6分別為再生過程中微粒與灰分質量和灰分層厚度隨時間的變化曲線，由圖可見，隨著再生微粒的燃燒，微粒質量不斷下降，而生成的灰分質量(包括過濾體堵頭灰分和過濾表面灰分)持續上升。再生完成時，過濾面灰分質量為1.03g;堵頭灰分質量為0.44g，厚度增加至0.13mm，這相當于載體有效過濾長度的下降值。少量的灰分沉積可能對載體的整體過濾特性影響不大，但是當沉積量達到一定程度時將大大減小過濾體有效過濾長度，增大排氣背壓，從而降低載體過濾性能，如圖7所示。

3.2 灰分沉積對再生過程的影響

圖8為不同初始灰分沉積量條件下，載體軸向各部位的壁面溫度和微粒質量變化的對比曲線。由圖8可見，再生過程中由于灰分的沉積，載體壁面溫度升高，且沉積量越多，溫度上升越明顯。Z/L=0.0，0.25，0.50和0.75各處在沉積量為18g/L時的最高溫度比沉積量為0g/L時分別上升29、105、59和38K。原因可能是堵頭灰分的沉積減少了過濾體有效過濾長度，從而使過濾面微粒層的厚度變大，相同的載體軸向距離內微粒質量增多，燃燒反應更加劇烈，導致該部分壁面溫度升高;而載體末端(Z/L=1.0)處，因堵頭灰分的占據且不能被氧化，沉積量為18g/L時的壁面最高溫度，反而比沉積量為0g/L時低。因此，大量的灰分沉積會加劇再生微粒燃燒過程，增大載體溫度梯度，對過濾體的再生不利。

3.3 灰分沉積對再生平衡點溫度的影響

DPF再生平衡點溫度(balance point temperature，BPT)是指微粒的沉積與被氧化的速度達到平衡的溫度，如圖9所示，給定入口排氣微粒質量濃度為5×10－5，當捕集器處于再生平衡點時(BPT=741.1K)，過濾體內微粒質量達到動態平衡，排氣背壓因微粒氧化生成的灰分而緩慢上升。圖10為不同灰分沉積量下再生平衡點溫度的變化情況，由圖可知，再生平衡點溫度隨灰分沉積量的增加而降低，原因可能是:(1)灰分沉積增加了過濾體壓力損失，使排氣流阻增大而減少了再生熱量的散失;(2)灰分沉積增大了微粒層厚度，加劇了微粒燃燒過程，降低了達到再生平衡所需的溫度。

4 結論

(1)再生過程中載體溫度由前端向后依次升高，最高溫度出現在載體后端，微粒由載體前端向后逐漸燃燒，后端微粒燃燒速度快于前端，微粒的劇烈燃燒會產生較大溫度梯度，可能導致載體產生裂紋。

(2)灰分沉積會減小過濾體有效過濾長度，增大排氣背壓，從而降低載體過濾性能;另外還會加劇再生微粒燃燒過程，增大載體溫度梯度，沉積量越多則越明顯。

(3)再生平衡時排氣背壓因微粒氧化生成的灰分而緩慢上升，隨著灰分沉積量的增加，再生平衡點溫度下降。

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［8］樓狄明，張正興，譚丕強，等.柴油機微粒捕集器再生平衡仿真研究［J］.內燃機工程，2010，31(4):39－43.