灰分和碳煙分布對DPF 再生性能的影響研究

陳貴升，馬龍杰，彭益源，袁征，向亦華，沈穎剛

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 交通工程學院；2.650501 云南省 昆明市 云內動力股份有限公司）

0 引言

因柴油機具有較好的動力性和經濟性，被廣泛應用于交通運輸領域[1-2]。這些年來隨著排放法規的日益嚴格，柴油機排放顆粒物（PM）越來越受到人們的關注。柴油機顆粒捕集器（Diesel particulate filter，DPF）是目前降低顆粒物最有效、技術成熟的后處理裝置之一[3-5]。柴油機微粒捕集器將捕集到的碳煙通過周期性或連續的高溫再生過程燃燒掉，從而達到降低排放的目的。再生結束后會有少量的灰分沉積在DPF 中，不僅會減少有效過濾面積，降低過濾效率，還會增加排氣流動阻力，增加發動機排氣背壓，嚴重影響發動機的動力性和經濟性[6-9]。因此，研究灰分沉積對DPF 再生特性的影響是目前國內外學者研究的重點[10]。

國內外研究學者從多方面研究了灰分對DPF壓降的影響。李志軍[11]等分析了孔道壁面厚度、孔道直徑、灰分量、碳煙量以及孔道壁面、灰分濾餅層、碳煙濾餅層滲透率下灰分分布對DPF 壓降的影響；侯獻軍[12]等分析了初始灰分層在DPF進口通道的沉積位置和沉積形狀對再生性能的影響；Jia Fang[13]等通過臺架試驗研究了碳煙沉積和再灰分量、灰分粒徑和灰分組成成分對DPF 性能的影響；朱亞永[14]等分析了非對稱孔結構(ACT)和灰分沉積量及分布形式對DPF 壓降和微粒沉積特性的影響。目前，關于灰分沉積對DPF 再生特性的影響大多集中在對灰分分布、灰分滲透率等對DPF 再生壓降的影響，對于灰分沉積下碳煙分布不均勻性對DPF 再生特性的影響研究較少。本文結合3 種灰分分布和5 種碳煙分布，對DPF再生特性進行了研究。為正確認識灰分和碳煙對DPF 的影響提供了理論依據，同時，也為汽車廠家對于DPF 再生特性的研究提供了一定的參考。

1 試驗測試系統的建立

試驗總體布置如圖1 所示。其中，試驗所用發動機為柴油機加裝有催化型氧化轉換器DOC+催化型微粒捕集器DPF 裝置，滿足國Ⅳ排放水平的高壓共軌電控增壓柴油機。DOC 與DPF 具體相關參數如表1 所示。試驗使用的燃油為國Ⅴ標準柴油，采用水渦測功機測量發動機的轉速和扭矩，采用空氣流量計讀取進氣質量流量，采用壓力和溫度傳感器分別測量DPF 前、后端壓力和溫度。試驗在轉速1 400 r/min、扭矩110 N·m的工況下進行被動再生試驗，DPF 入口溫度控制在450 ℃。

圖1 試驗臺架布置圖Fig.1 Test setting

表1 DOC、DPF 載體主要參數Tab.1 Main parameters of DOC and DPF vectors

2 DOC+DPF 再生模型的構建與驗證

本文中使用的DOC+DPF 再生模型依據試驗所用載體的結構參數構建而成。如圖2 所示，包括入口管、DOC、空腔區域、DPF、出口管4 部分，共計六面體網格數為385 624 個。模型設置排氣質量流量為0.08 kg/s，排氣溫度為390 ℃，碳煙量為5e-4kg particles/kg gas，初始碳煙量為4 g/L。圖3 為DPF 的捕集和再生過程的模擬值與仿真值的壓降對比?？梢钥闯觯都驮偕鷷r的模擬值整體溫度略低于試驗值，但整體誤差值都在5%以內，整體趨勢一致。

圖2 DOC+DPF 網格模型及結構尺寸Fig.2 DOC+DPF mesh model and structure size

圖3 再生過程試驗值與模擬值壓降對比Fig.3 Comparison of pressure drop between test value and simulation value in regeneration process

3 計算結果及分析

3.1 碳煙不均勻性對捕集特性的影響

本節選擇如圖4 所示的5 種碳煙分布類型來分析其對DPF 捕集和再生特性的影響，即均勻分布、線性增加、線性減少、碳煙由中間向兩端遞增、碳煙由中間向兩端遞減。

3.2 碳煙不均勻性對再生特性的影響

圖5 是不同類型的碳煙分布下再生最高溫度隨時間變化的曲線。由圖可知，在最高溫度達到560 ℃左右再生開始，兩種結構載體溫度在200 s左右達到峰值，非對稱結構載體的溫度峰值高于對稱結構載體。這是因為非對稱載體孔道出口孔徑小于對稱載體，廢氣流通其孔道時停留時間較長，溫度散失慢，加快了碳煙的燃燒速率。從碳煙分布類型的曲線可以看出，分布3 情況下的再生溫度首先達到峰值，分布4 情況下的溫度再生前期上升速率較慢且最后達到峰值，分布2 情況下峰值溫度最高。這是因為DPF 再生時，當進入DPF 入口的廢氣溫度達到孔道前端著火點開始燃燒，釋放的熱量達到后端的碳煙著火點后，后端碳煙開始燃燒。

圖4 碳煙分布類型Fig.4 Distribution type of soot

圖5 碳煙分布對再生最高溫度的影響Fig.5 Influence of soot distribution on maximum regeneration temperature

由于分布3 情況下的碳煙在孔道前端沉積的較多，且廢氣溫度較高，當碳煙起燃后釋放出較大的熱量，加速了后端碳煙的燃燒，因此，分布3 情況下升溫速率最快；分布2 情況下的碳煙在孔道前端分布較少，再生初期再生的碳煙量小于捕集的量，導致碳煙量不斷增加，隨著再生的進行，當孔道后端的碳煙達到起燃溫度后釋放出大量的熱量，升溫速率加快并很快達到峰值；分布4 情況下的碳煙由于在孔道中部分布較少，碳煙燃燒時釋放的熱量少，再生溫度出現了略微的下降，之后隨著碳煙量的增加，溫升速率也隨之加快。

圖6 是在不同類型的碳煙分布下，再生壓降隨時間變化的曲線。由圖可知，壓降值在120 s 左右開始下降，且下降速率區域平緩；120～150 s 時對稱結構載體壓降大于非對稱結構載體；150～400 s時，非對稱結構載體壓降大于對稱結構載體。這是因為，再生初期兩個載體孔道內沉積的碳煙較多，對稱孔道碳煙層厚度大于非對稱孔道，氣流流通阻力較大，導致對稱孔道壓降較大，隨著再生的進行，孔道內部碳碳煙層變薄，廢氣流通孔道時，非對稱孔道出口孔徑較小，流通阻力較大，因此壓降較大。從碳煙分布類型不同可以看出，分布2 情況下的壓降最高，分布3 情況下的壓降最低。這是因為分布2 情況下，載體孔道前端碳煙再生時釋放的熱量較少，導致傳遞給后端的熱量較少，而由于后端碳煙分布較多，其再生反而需要更多的熱量，因此，在這種分布情況下，碳煙再生壓降會受到嚴重的影響。而對于分布3，由于前端碳煙再生釋放的熱量較多，大量熱量向后端傳遞，而后端分布的碳煙較少，進一步加速了碳煙的再生。

圖6 碳煙分布對再生壓降的影響Fig.6 Influence of soot distribution on regeneration pressure drop

圖7 為不同類型的碳煙分布下再生剩余碳煙量和再生效率對比。由圖可知，非對稱結構再生剩余碳煙量和再生效率優于對稱結構載體。從不同碳煙分布類型的曲線可以看出，對稱和非對稱結構載體均在分布3 情況下碳煙再生率最高，分布1 和分布5 的碳煙再生效率最低。這說明碳煙在孔道內的分布情況對其再生速率有很大影響，碳煙在孔道前端分布較多的情況下再生速率較快。結合以上對5 種碳煙分布下的再生溫度、再生壓降的分析可知，分布3 最有利于提高碳煙的再生效率。

圖7 碳煙分布對再生剩余碳煙量和再生效率的影響Fig.7 Influence of soot distribution on residual soot and regeneration efficiency

3.3 殘余灰分沉積對再生特性的影響

為了探究殘余灰分沉積對DPF 再生特性的影響，本節在DOC+DPF 再生模型的基礎上，研究分析碳載量為6 g/L、灰分量40 g/L 時不同灰分分布形式對DPF 再生特性的影響，其中碳煙分布選擇第3 種分布類型。假設灰分分布形式有如圖8 所示3 種：第1 種是均勻分布在進口孔道壁面形成灰分濾餅層（s=1）；第2 種一半均勻分布在進口孔道壁面形成灰分濾餅層（s=0.5）；第3 種是分布在進口孔道末端，形成灰分堵塞段（s=0）。

圖8 灰分不同分布類型Fig.8 Different distribution types of ash

圖9 為不同灰分分布系數下，再生溫度隨時間變化的曲線。由圖可知，對稱結構載體再生溫度峰值大于非對稱結構載體，這是因為非對稱結構載體出口孔徑小，溫度散失較慢，使碳煙再生速率增加?；曳址植疾煌瑫r，灰分分布系數越低，再生溫度峰值越高。一方面因為灰分分布系數的變化直接影響到過濾體的有效長度的變化，灰分分布系數越小，則沉積在進口末端的灰分越多，導致過濾體長度減小，再生溫度升高；另一方面碳煙再生過程中燃燒放出的熱量由于灰分層的阻礙作用不能及時隨排氣流排出，主要通過熱傳導作用傳遞給載體，導致載體最高溫度隨灰分量的增加而升高。

圖9 灰分分布對再生最高溫度的影響Fig.9 Influence of ash distribution on maximum regeneration temperature

圖10 為灰分量40 g/L，不同灰分分布類型下再生壓降隨再生時間變化的曲線。由圖10 可知，對稱結構載體再生壓降大于非對稱結構載體，這是因為碳載量一定、灰分量較高時，非對稱孔道較對稱孔道的碳餅層和灰分層更薄，流通阻力小，從而壓降較小。

圖10 灰分分布對再生壓降的影響Fig.10 Influence of ash distribution on regeneration pressure drop

不同灰分分布系數下對比，灰分分布系數越大，壓降越低。當灰分為0，即灰分全部分布于進氣孔道堵塞處時，再生壓降最大；當灰分分布系數為1，即灰分全部分布于孔道壁面上時，載體壓降最低。這是因為灰分堵塞在進氣孔道堵塞處，孔道的有效過濾長度顯著減小，造成碳煙的厚度更大，氣體流通面積減小，流通阻力增大，從而壓降增大。當灰分全部分布于孔道壁面上時，造成碳煙量形成的碳餅層變厚，相比全部堵塞在進氣孔道末端對碳煙層碳煙層厚度的影響小，因此壓降較小。

圖11 為灰分量40 g/L，不同灰分分布下碳煙量和再生效率的變化情況。由圖可知，隨灰分分布系數的增加，DPF 再生剩余碳載量減小，灰分分布系數為1 即灰分均勻分布在孔道壁面上形成灰分濾餅層時，DPF 剩余碳載量最低。兩種結構型式的載體對比，非對稱孔道DPF 再生效率較高。綜合分析，非對稱結構載體除再生溫度峰值較高外，其綜合再生性能最優。

圖11 灰分分布對再生剩余碳煙量和再生率的影響Fig.11 Influence of ash distribution on the amount and regeneration rate of recycled residual soot

4 結論

（1）排溫較高時，“線性增加”型的碳煙分布再生溫度溫升速率快，再生效率高，“線性減少”型的碳煙分布溫升速率較慢，峰值溫度高，再生效率差；

（2）孔道進口末端灰分對DPF 再生的影響大于壁面灰分層的影響，末端灰分多，再生峰值和壓降高，再生效率較差。

（3）相同質量的碳煙和灰分沉積時，不管何種碳煙和灰分分布，非對稱孔道的DPF 再生溫度峰值高，壓降低，再生效率好。