柴油機(jī)微粒過濾器壓降的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

李碩，安偉

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

0 引言

隨著汽車保有量的增加，其對(duì)大氣污染的分擔(dān)率也隨之增加[1]。柴油機(jī)排氣中的主要污染物是氮氧化物(NOX)和微粒(PM)，尤其是微粒排放，對(duì)人體的危害已廣為人知[2]。研究表明，采用機(jī)內(nèi)控制技術(shù)改進(jìn)后的柴油機(jī)能很大程度地減少顆粒物的排放量，但其產(chǎn)生的超細(xì)顆粒物數(shù)量反而增加了，而顆粒物越細(xì)，對(duì)人體危害越大。柴油機(jī)微粒過濾器(diesel particulate filter ,DPF)可以彌補(bǔ)機(jī)內(nèi)控制技術(shù)的不足，是最適合商用化的顆粒物排放控制技術(shù)[3]。材料與再生是DPF應(yīng)用的難點(diǎn)，而柴油機(jī)微粒過濾器再生時(shí)機(jī)的判斷是DPF后處理系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。本文對(duì)壁流式柴油機(jī)微粒過濾器的壓降進(jìn)行了分析、建模與試驗(yàn)研究，研究結(jié)論對(duì)實(shí)現(xiàn)基于模型的再生時(shí)機(jī)判斷有重大意義。

1 壁流式柴油機(jī)微粒過濾器壓降分析與建模

1.1 空載壁流式柴油機(jī)微粒過濾器壓降模型

過濾壓降是評(píng)價(jià)過濾體性能的重要指標(biāo)之一[4]。排氣流經(jīng)過濾體時(shí)的壓力損失主要包括：氣體流入和流出過濾體時(shí)由于截面變化引起的壓降，進(jìn)出口通道的摩擦阻力引起的沿程壓降，以及多孔介質(zhì)過濾壁面的流動(dòng)阻力引起的壓降，如圖1所示。所以空載壁流式微粒過濾器的總壓降ΔPclean可以表示為：

ΔPclean=ΔPin&out+ΔPin&outchannel+ΔPwall

(1)

圖1 空載壓降組成示意圖

當(dāng)廢氣流過壁流式過濾體時(shí)，會(huì)發(fā)生不同的流動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)湍流氣流接近過濾體前端面相間堵孔的小孔時(shí)，由于氣流流道的收縮，氣流中的小尺度漩渦會(huì)在進(jìn)氣孔附近剝落，形成流動(dòng)阻力；同樣，當(dāng)出氣孔道內(nèi)的氣流離開過濾體時(shí)，減速膨脹至整個(gè)過濾體橫截面，此時(shí)也有可能產(chǎn)生流動(dòng)分離，形成小尺度漩渦[5]。由此引起的過濾體進(jìn)、出口處的壓力損失為[6]：

(2)

式中：ρ為流體密度；ξ在 0.2～0.85之間，是進(jìn)出口處的局部損失系數(shù)之和，與DPF孔密度和雷諾數(shù)有關(guān)；μ為過濾體孔道進(jìn)口處的氣流速率，與氣體體積流量有關(guān)。

假設(shè)進(jìn)入過濾體的氣體體積流量為Q，則過濾體進(jìn)口孔道處的氣流速率u可由式(3)求出：

(3)

(4)

式中：D是過濾體外部直徑；σ是過濾體孔密度；a為過濾體小孔的寬度；w是過濾體孔道壁面厚度，如圖2所示。

另外，當(dāng)廢氣分別沿著進(jìn)氣孔道和出氣孔道流動(dòng)時(shí)，由于孔道壁面的摩擦阻力，產(chǎn)生的壓降為[7]：

(5)

式中：μ為氣流的動(dòng)力黏度，由溫度T決定；F=28.454，為摩擦系數(shù)；L為DPF孔道的有效長(zhǎng)度，由于封堵段長(zhǎng)度較小，可以忽略，這里取過濾體總長(zhǎng)度，如圖2所示。

氣流的動(dòng)力黏度μ可由下式計(jì)算[6-7]：

μ=8.32×10-15×T3-2.96×10-11×T2+6.24×10-8×T+2.31×10-6

(6)

最后，整個(gè)過濾體壓降最重要的組成部分是當(dāng)氣流流過小孔的多孔介質(zhì)壁面時(shí)造成的， 這一部分壓降可由達(dá)西定律給出[7]，為：

(7)

(8)

(9)

式中：k0為干凈過濾體孔道壁面的滲透率；uw為氣體通過過濾體孔道壁面時(shí)的平均滲流速度；N為過濾體入口孔道數(shù)目。

ΔPin&out與ΔPin-&outchannel和ΔPwall相比屬于較小量，但是隨進(jìn)氣流量增加，其所占比例也隨之增加，計(jì)算時(shí)仍然不可忽略。所以，空載壁流式微粒過濾器的總壓降可由式(10)計(jì)算：

(10)

其中VDPF為過濾體總體積。

(11)

1.2 負(fù)載壁流式柴油機(jī)微粒過濾器壓降模型

如圖3所示，當(dāng)壁流式微粒過濾器中捕集的微粒形成濾餅層以后，其總壓降ΔPload由以下幾項(xiàng)構(gòu)成：

ΔPload=ΔPwall+ΔPsoot+ΔPinchannel+ΔPoutchannel+ΔPin&out

(12)

其中由濾餅層的流動(dòng)阻力引起的壓降：

(13)

圖3 負(fù)載壓降組成示意圖

其中：ks為濾餅層的滲透率；ws為濾餅層厚度，如圖4所示。

圖4 負(fù)載結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

微粒濾餅層的形成將減小過濾體進(jìn)氣孔道的有效寬度，需要對(duì)進(jìn)氣孔道由摩擦阻力產(chǎn)生的壓降進(jìn)行修正[8]：

a·=a-2ws

(14)

(15)

式中：a·為過濾體進(jìn)氣孔道有效寬度；u·為過濾體進(jìn)氣孔道的有效氣體流速。修正后，因?yàn)檫M(jìn)氣孔道摩擦阻力而引起的壓降為：

(16)

(17)

假設(shè)DPF內(nèi)過濾捕集到的顆粒物質(zhì)量都均勻分布在濾餅層，而且碳煙顆粒物在過濾體進(jìn)氣孔道內(nèi)是均勻分布的，也就是說(shuō)微粒形成的濾餅層在整個(gè)進(jìn)口孔道壁面上是均勻分布的，那么DPF內(nèi)過濾捕集到的顆粒物質(zhì)量ms可以表示為：

ms=4NL(a-ws)wsρps

(18)

其中ρps為顆粒物濾餅層的堆積密度。由于濾餅層厚度極小，無(wú)法通過無(wú)損檢測(cè)得到，這里采用數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配的方法獲得。

計(jì)算模型的相關(guān)輸入值可由試驗(yàn)給出。利用MATLAB建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算空載狀況與不同氣體流量條件下的壓降值，計(jì)算穩(wěn)定氣體流量狀況與不同碳載量條件下的壓降值。

2 積碳試驗(yàn)和壓降試驗(yàn)

通過積碳試驗(yàn)快速進(jìn)行DPF積碳，使DPF積碳至目標(biāo)碳載量以完成后續(xù)相應(yīng)的DPF負(fù)載壓降試驗(yàn)。試驗(yàn)以WP7.270E61型柴油機(jī)及選定的DPF后處理系統(tǒng)為研究對(duì)象。柴油機(jī)主要參數(shù)見表1，DPF主要參數(shù)見表2。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)用DPF主要參數(shù)

2.1 積碳試驗(yàn)方案

在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架(圖5)上將DPF快速加載至一定碳載量，為縮短DPF積碳時(shí)間，需編制相應(yīng)的積碳循環(huán)進(jìn)行積碳。積碳循環(huán)需滿足以下幾點(diǎn)要求：1) 積碳循環(huán)應(yīng)有一個(gè)較高的積碳梯度；2) 積碳循環(huán)中DPF內(nèi)部溫度要求在250 ℃以下；3) 低氮氧化物排放，高碳排放。為滿足以上3點(diǎn)，取WHTC(world harmonized transient cycle，歐洲第6階段排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)排放特性的試驗(yàn)循環(huán)[9])前1 200 s作為積碳循環(huán)，如圖6所示。

圖5 柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

圖6 積碳循環(huán)選定圖

積碳循環(huán)結(jié)束后對(duì)DPF進(jìn)行稱重，稱重要求如下：

DPF需要在特定發(fā)動(dòng)機(jī)工況下運(yùn)行5 min，保證稱重前DPF內(nèi)部溫度在150 ℃左右； 使用量程30 kg，精度1 g的電子秤； 將DPF水平放置于電子秤上；保證拆卸過程中DPF內(nèi)部的顆粒物不能掉落；稱重時(shí)等電子秤顯示穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)，記錄3次，取平均值；積碳后的稱重質(zhì)量均值與空載DPF稱重質(zhì)量均值的差值即為積碳質(zhì)量。稱重完成后，將DPF封裝段用行車或人工輕輕抬起，安裝于后處理封裝上，為負(fù)載壁流式微粒過濾器壓降試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

2.2 壓降試驗(yàn)方案

壓降試驗(yàn)平臺(tái)由濾清器，節(jié)流閥，電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，電加熱器，空氣流量計(jì)，壓差傳感器，溫度傳感器，空載(或負(fù)載)DPF，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)中保持鼓風(fēng)機(jī)功率不變，通過節(jié)流閥來(lái)控制空氣流量，通過溫度傳感器反饋調(diào)節(jié)電加熱器來(lái)調(diào)節(jié)空氣溫度，空氣經(jīng)由濾清器，節(jié)流閥，電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，電加熱器，進(jìn)入DPF。空載壓降試驗(yàn)中，根據(jù)設(shè)定算例，調(diào)節(jié)流量和溫度到設(shè)定值，讀取壓降，記錄流量和溫度和壓降值，進(jìn)行3次，取平均值為試驗(yàn)值。負(fù)載壓降試驗(yàn)中，保持空氣流量穩(wěn)定。該試驗(yàn)平臺(tái)可用于研究不同流量或不同碳加載量下的DPF壓降特性。

3 壓降數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析

表3 壓降模型驗(yàn)證條件

圖7是選定過濾體壓降在空載狀況下隨進(jìn)氣流量的變化曲線，由圖7可以看出計(jì)算值和試驗(yàn)值的總體變化趨勢(shì)一致，數(shù)值差異較小，而且兩者的最大誤差不超過5%，因此，建立的計(jì)算模型是正確的。

圖7 空載壓降隨進(jìn)氣流量的變化曲線

圖8是選定過濾體壓降在負(fù)載狀況下隨碳載量的變化曲線，由圖8可以看出計(jì)算值和試驗(yàn)值的總體變化趨勢(shì)一致，數(shù)值差異較小，而且兩者的最大誤差不超過8%，因此，建立的計(jì)算模型是正確的。

兩種壓降的計(jì)算值和試驗(yàn)值的總體變化趨勢(shì)一致，數(shù)值差異較小，而且兩者的最大誤差不超過8%，因此，建立的計(jì)算模型是正確的。

圖8 負(fù)載壓降隨碳載量的變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1) 建立了壁流式柴油機(jī)微粒過濾器的空載壓降數(shù)學(xué)模型，通過試驗(yàn)對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，計(jì)算值和試驗(yàn)值的數(shù)值差異較小，變化趨勢(shì)一致，建立的壓降數(shù)學(xué)模型是正確的。

2) 可以利用空載壓降數(shù)學(xué)模型研究DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓降性能的影響，壓降與進(jìn)氣流量呈線性關(guān)系。

3) 建立了負(fù)載壓降數(shù)學(xué)模型，并基于負(fù)載壓降數(shù)學(xué)模型建立了碳載量計(jì)算模型。通過試驗(yàn)對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，計(jì)算值和試驗(yàn)值的數(shù)值差異較小，變化趨勢(shì)一致，建立的壓降數(shù)學(xué)模型是正確的。

4) 可以利用負(fù)載壓降模型進(jìn)行碳載量的計(jì)算，壓降與碳載量近似呈線性關(guān)系，該模型可以實(shí)現(xiàn)基于模型的再生時(shí)機(jī)判斷。

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