載體配比及灰分對DPF壓降及內部流場的影響

陳貴升，賀 如，李 青，彭益源，張思澤，李耀平

(1. 昆明理工大學 云南省內燃機重點實驗室，云南 昆明 650500；2. 昆明云內動力股份有限公司， 云南 昆明 650501；3. 云南云內動力機械制造有限公司，云南 昆明 651700)

柴油機因其熱效率高、經濟性好和功率輸出范圍大等優點而被廣泛應用，但也帶來了較為嚴重的環境污染問題[1]．其尾氣中的NOx和顆粒物(PM)嚴重危害人類生存環境和健康，國Ⅵ階段排放法規的頒布對柴油機排放提出了更高的要求，降低柴油機的顆粒排放是柴油機研究的重要課題之一[2]．柴油機顆粒捕集器(DPF)被公認是目前最有效的顆粒凈化后處理技術[3]，捕集效率可達90%以上[4]．隨著DPF工作過程中捕集的碳煙不斷積累，會提高發動機排氣背壓，影響發動機及DPF性能，需要通過連續性被動或主動再生方式清除碳煙，以保證發動機及DPF正常工作．目前催化型顆粒捕集器(CDPF)能降低碳煙反應活化能，在工程應用中最為普遍．但碳煙在DPF內部沉積具有不均勻性，探究DPF內部流場及碳煙沉積遷移規律，針對其規律以優化設計催化劑涂覆方案，以期提高其被動再生效率是當下的研究熱點．DPF壓降特性實質為顆粒沉積過程，而DPF流場壓降及顆粒沉積特性則直接決定了DPF的捕集效率[5]．定義載體配比為DPF體積與發動機排量之比，增加載體配比是提高捕集效率的途徑之一，綜合考慮載體性能與制造成本，優化載體配比具有研究的必要性．

目前，國內外學者對于DPF的研究大多集中在載體材料、孔密度、壁面孔隙率及孔道形狀等對DPF壓降和捕集效率的影響[6-8]．Wang等[9]研究了灰分分布對DPF碳煙捕集過程壓降特性、捕集效率和再生頻率的影響．孟忠偉等[10]分析了載體材料對DPF壓降的影響，表明壓降大小與載體材料、孔隙率和中值孔徑有關．朱亞永等[11]研究了排氣流量、進口溫度等對顆粒沉積特性的影響，結果表明沿軸向方向顆粒沉積量呈先減小后增大的趨勢．李志軍等[12]研究結果表明，沿DPF軸向進氣孔道內氣流速度逐漸降低，排氣孔道內速度逐漸增大．

綜合國內外學者的研究發現，針對DPF配比及灰分分布特性對DPF內部流場及顆粒遷移特性影響的研究較少．筆者通過數值模擬的方法研究了載體配比及灰分分布系數對DPF壓降特性的影響，并對該數學模型進行了試驗驗證；此外，對載體配比也進行了優化，研究了載體配比及灰分分布系數對DPF孔道內部流動及顆粒沉積遷移的影響規律．為DPF的結構優化設計及載體催化劑分區優化涂覆提供了科學理論依據，以期提高DPF開發設計效率．

1 試驗臺架及模型介紹

1.1 試驗裝置和方法

通過搭建D30 TCI柴油機加裝氧化催化器(DOC)和DPF的試驗臺架見圖1，進行了3種不同DPF的壓降特性試驗，表1為柴油機相關技術參數．

表1 柴油機主要參數 Tab.1 Main parameters of diesel engine

圖1 柴油機加裝DOC和DPF試驗臺架 Fig.1 Diesel engine with DOC＋DPF test bench

試驗測試設備主要包括水渦測功機、流量計、煙度計、溫度及壓力傳感和高精度電子稱重儀等相關設備，具體規格如表2所示，溫度傳感器分別分布在DOC前、DPF前以及DPF后端，壓力傳感器分別測試DPF的兩端壓力，溫度壓力數據的采集通過GPS實現同步記錄．

表2 試驗測試設備 Tab.2 Test equipment

為研究碳載量對DPF壓降的影響．首先在精密電子秤上稱量載體的初始重量，為防止載體吸收水蒸汽引起誤差，將DPF在熱態條件下稱重(熱重)，碳煙加載試驗在轉速為1400r/min、轉矩為105N·m工況下進行，將DPF入口溫度控制在250℃以下，以防止碳煙進行被動再生，影響積碳效率．積碳試驗結束后，將載體質量與初始載體質量作差得到碳煙質量，碳煙質量與載體體積之比為碳載量，分別將各載體碳煙累積到2、4和6g/L后，進行后續試驗．

1.2 一維模型構建及驗證

研究所用DPF均采用壁流式碳化硅載體，該材料具有耐高溫、熱膨脹系數小及抗疲勞等優點，其相關技術參數如表3所示．為方便模型計算與收斂，對數值模型中載體的相關參數做理論假設為：忽略膠黏區域，載體視為絕熱材料[13]；將排氣視為理想氣 體[14]，所有排氣顆粒物粒徑相同且分布均勻[15]．

表3 各方案載體技術參數 Tab.3 Technical parameters of each scheme

排氣從DPF進口孔道流入，經過多孔介質壁面從相鄰的出口孔道流出，DPF壁面的多孔介質結構通過重力沉積、慣性碰撞和擴散攔截等方式將顆粒物捕集[16]．排氣在DPF孔道內滿足質量守恒、動量守恒和能量守恒，如式(1)～(3)所示．

式中：c、ρ、p和F分別表示進口截面的的流體流速、密度、壓力和管截面積；?為摩擦系數；q為單位質量流體的傳熱率；D為當量直徑，D＝

模型可靠性驗證時DPF碳載量設置為2g/L，邊界條件設置為1000～2400r/min、75%負荷下的DPF入口狀態．圖2為不同入口條件下模型驗證，所有工 況點的模擬值與試驗值趨勢一致，且誤差較小，滿足預測要求，可以進行模擬研究．

圖2 不同入口條件下模型驗證 Fig.2 Model validation under different entry conditions

1.3 捕集效率數學模型的建立

在深床捕集階段，壁面的孔隙率隨著每一層的碳煙沉積不斷發生變化[17]．碳煙層和灰分層的動態變化將直接影響DPF的捕集效率，為此建立了碳煙層和灰分層的捕集效率模型[18]．

Esoot為碳煙層捕集效率模型，公式為

Eash為灰分層捕集效率模型，公式為

式中：DRη為捕集單元捕集效率；sootε 為碳煙層孔隙率；ashε 為灰分層孔隙率；sootw 為碳煙層厚度；ashw 為灰分層厚度；cd為捕集對象的直徑．

1.4 DPF 1/4微觀孔道模型構建及驗證

因DPF結構復雜，通過試驗手段不易觀察了解其內部流場及顆粒沉積特性，而通過構建顆粒捕集器1/4微觀孔道模型可以研究其內部工作狀態．基于表3中DPF載體構建1/4進/出口孔道的三維模型如圖3所示，載體有灰分沉積時只需改變模型幾何尺寸即可得到．

圖3 DPF 1/4孔道模型及網格模型 Fig.3 DPF 1/4 channel model and grid model

模型將顆粒視為稀疏的離散相，忽略粒子間的相互作用及粒子體積分數對流體相的影響，離散相粒子軌跡通過求解拉式坐標下顆粒作用力的微分方程得 到，其中粒子作用力平衡方程(x方向)公式為

式中：u為連續相速度；up為顆粒速度；FD( u ? up)為顆粒單位質量曳力；gx為x方向重力加速度；ρp為顆粒密度；ρ1為流體密度；Fx為x方向的其他作用力；Re為顆粒相對雷諾數；CD為曳力系數；μ為流體動力黏度；dp為顆粒直徑；對于球形顆粒，在一定的雷諾數范圍內，a1、a2和a3均為1013．

通過調整相關參數對模型進行可靠性驗證，根據后處理裝置排氣直管的直徑為73mm，通過計算得出顆粒入場速度為38m/s，均勻進入進氣孔道，相關技術參數見表4．定義排氣流在孔道和壁面的流動為層流流動，在模擬計算過程中忽略掉傳熱和化學反應過程．圖4為進/排氣孔道中心線壓力及速度模擬值與文獻值對比．模擬值與文獻[19]值的誤差較小，物理趨勢基本一致，可以較好地預測氣流在孔道內的實際流動狀態．模型中涉及碳煙和灰分相關參數的設置參見文獻[20—21]．

表4 流動模型相關設置參數 Tab.4 Parameters of flow model

圖4 進/排氣孔道中心線壓力及速度模擬值與文獻值對比 Fig.4 Comparison between simulated values of inlet and outlet orifice pressure and velocity and those in literature

2 試驗結果分析

圖5為轉速及碳載量對不同載體壓降的影響．隨著轉速的升高，3種載體的壓降均升高，0.310個/mm2載體壓降高于0.465個/mm2載體且增幅更為明顯，增加碳載量，兩載體的壓降差值增大，即碳載量對低孔密度載體壓降的影響更明顯；碳載量低于4g/L時，非對稱孔結構載體的壓降略高于對稱孔載體；增加碳載量，DPF壓降增大，但非對稱孔結構載體壓降低于對稱孔結構載體．在2400r/min、100%負荷時，非對稱孔結構載體與對稱孔結構載體的壓降交點對 應的碳載量為4.69g/L，說明非對稱孔結構載體在高碳載量時壓降特性更優．

圖5 碳載量和轉速對載體壓降的影響 Fig.5 Effects of soot load and speed on pressure drop of carrier

3 載體配比對DPF壓降及捕集效率的影響

3.1 灰分分布系數對DPF性能的影響

灰分在DPF內部分布主要包括兩種形態，即附著在過濾壁面的層狀分布和堆積在進口孔道末端形成的灰分堵頭[22]．基于灰分在DPF內部的此類分布現象，定義灰分分布系數θ(θ＝mash_layer/mash_all)為載體內層狀灰分占總灰分的質量分數，研究灰分分布系數對DPF壓降特性和捕集效率的影響．模型計算的邊界條件見表5．

采用表3中方案1載體，設置載體中的單位灰分量為22g/L，進行不同灰分分布系數對DPF壓降及捕集效率影響的研究．圖6a為灰分分布系數對壓降的影響，隨著灰分分布系數增加，不同碳載量下DPF壓降均上升；灰分分布系數小于0.6時，壓降隨灰分分布系數的增加基本呈線性增加，隨著灰分分布系數的繼續增大，DPF壓降上升趨勢呈二次方形式，碳載量的增加會增大此效應．DPF壓降隨灰分分布系數 的變化規律表明，層狀灰分對壓降的貢獻多于灰分堵頭．這是因為分布在壁面的層狀灰分增大了氣流穿過壁面過濾阻力，灰分層壓降上升，雖然灰分堵頭降低了孔道流通長度，但其降低的過濾長度有限，因而對DPF壓降的影響效果較小．圖6b為灰分分布系數對DPF捕集效率的影響，隨灰分分布系數增加，分布在壁面的層狀灰分增加，層狀灰分對碳煙顆粒的捕集作用提升，捕集效率增加．無碳煙加載時捕集效率明顯低于有碳煙加載的情況，這是由于無碳煙加載時，主要靠深床的捕集作用，捕集效率大大降低．

圖6 灰分分布系數對壓降和捕集效率的影響 Fig.6 Effects of ash distribution coefficient on pressure drop and collection efficiency

3.2 載體配比對DPF壓降和捕集效率的影響

載體配比對控制發動機排放十分重要，配比太小會導致排氣背壓較高，載體容納灰分能力較差，造成再生頻繁，導致油耗增加；配比太大又會提高制造成本，因而研究配比對DPF性能的影響是十分必要的．采用表3中方案1載體的基礎參數，通過擴展長度的方式來得到不同配比的載體見表6，以研究載體配比對DPF壓降及捕集特性的影響．

表6 不同DPF配比載體參數 Tab.6 Carrier parameters of different DPF ratios

圖7示出總灰分量分別為0g、101.2g及灰分分布系數為0.3時不同配比對DPF壓降特性的影響．無灰分量時，4種配比載體的壓降均隨著碳煙質量的增加而增大，且DPF配比越小其壓降增幅越明顯；灰分沉積量的增加提高了DPF壓降，且配比越小，DPF壓降上升更快．配比增大，載體容納灰分能力增強，壓降下降，且隨著碳煙質量增加，配比對載體壓降的影響更加明顯．

圖7 不同配比對DPF壓降的影響 Fig.7 Effects of different ratios on DPF pressure drop

圖8a所示碳煙質量為0g時DPF主要依靠深床的作用來捕集顆粒，捕集效率偏低；隨著碳煙質量增加，DPF的捕集效率上升，當碳煙質量達到6g時，捕集效率隨碳煙質量的增加基本無變化．但配比越大，捕集效率越高，且灰分加載不影響配比對載體捕集效率的影響規律．這是由于隨著配比的增大，載體的有效過濾面積更大，其捕集效率更高．

圖8 不同配比對DPF捕集效率的影響 Fig.8 Effects of different ratios on DPF collection efficiency

柴油機對載體體積的選擇需綜合考慮性能和成本兩個方面因素，配比太小無法滿足性能要求；配比太大制造成本增加．早期對DPF的配比選擇要求高捕集效率和低背壓，但隨著工程開發的深入，DPF反 而需要適當增加背壓以提高原機排氣溫度，為DPF被動再生提供合適的溫度窗口．綜合各方面因素，載體的配比通常為1.2～1.5．

3.3 載體孔密度對DPF壓降和捕集效率的影響

選擇表3中方案1和方案2載體對比研究孔密度對DPF壓降和捕集效率的影響．圖9a為載體孔密度對DPF壓降的影響，0.465個/mm2載體的壓降均低于0.310個/mm2載體，尤其是在單位灰分量高于33.0g/L及碳載量較大的情況下效果更加明顯．這是由于0.465個/mm2載體的過濾壁面壁厚與灰分層厚度較0.310個/mm2載體更薄，載體的孔道容積更大，流通面積增加．圖9b為載體孔密度對DPF捕集效率的影響，在不同單位灰分量的情況下，0.465個/mm2載體的捕集效率均略低于0.310個/mm2載體．

圖9 載體孔密度對DPF壓降和捕集效率的影響 Fig.9 Effects of mesh number of carrier on DPF pressure drop and collection efficiency

4 DPF孔道內流動特性的數值模擬

4.1 灰分分布系數對DPF孔道內流動的影響

灰分沉積對DPF壓降和捕集效率具有較大的影響，通過構建DPF孔道的1/4模型從微觀角度研究了灰分分布系數對DPF孔道內氣流運動的影響，模型計算的邊界條件與3.1節相同．

圖10為不同灰分分布系數條件下DPF孔道內氣流速度分布．在無灰分加載時，DPF進口孔道中心速度沿軸向方向減小，出口孔道中心速度沿軸向逐漸增大，在孔道末端氣流速度達到60m/s，并高于進口速度．單位灰分量為22g/L時，隨著灰分分布系數的增加，能量損失增大，出口孔道末端的氣流速度降低．無灰分時，由于過濾壁面的摩擦力以及流體內部黏性力的作用，進口孔道內的氣流沿孔道從前往后逐漸下降；單位灰分量為22g/L時，灰分分布系數增大，層狀灰分厚度增加，氣流通過壁面的壓力損失增加，氣流速度減小．

圖10 碳載量為6g/L和單位灰分量為22g/L時不同灰分分布系數對DPF孔道內氣流速度的影響 Fig.10 Effects of different ash distribution coefficients on airflow velocity in DPF channels when soot load is 6g/L and ash component is 22g/L

圖11所示不同灰分分布系數下孔道軸向方向上顆粒濃度分布均呈現前少后多的不均勻性．這是因為沿孔道軸向方向，氣體流速降低，碳煙在DPF孔道后端較容易被捕集沉積．有灰分沉積時，顆粒濃度分布較均勻，在靠近灰分堵頭時達到最大．增加灰分分布系數，壁面分布的層狀灰分增加，灰分堵頭長度減小，過濾長度增加，DPF整體的捕集效率提升．無灰分時，雖然孔道過濾長度最大，但壁面過濾作用差， 降低了過濾效率．

圖11 不同灰分分布系數對孔道內顆粒濃度分布的影響 Fig.11 Effects of different ash distribution coefficient on particle movement concentration distribution in channel

4.2 不同配比DPF孔道內氣流運動分析

針對不同配比DPF孔道內氣流的運動分析，所采用的載體參數如表6所示．圖12所示總灰分量為0g、碳煙質量為27.6g時不同配比DPF進/出口孔道中心的壓力與氣流速度對比．進口孔道中心壓力沿軸向增大，氣流速度沿軸向方向先略增大再急劇降低至0．配比越小，載體進口孔道中心壓力越高，其氣流速度下降更快．出口孔道中心壓力沿軸向方向減小，氣流速度沿軸向方向增大．配比越小，出口孔道中心壓力越小，出口孔道中心氣流速度上升更快．這是由于在碳煙質量相同時，載體的配比越小，載體的碳煙層厚度增大，氣流通過碳煙層的壓力損失更大．

圖12 總灰分量為0g時不同配比對進/出口孔道壓力與氣流速度的影響 Fig.12 Effects of different ratio on inlet and outlet pressure and airflow velocity when the total ash content is 0g

圖13所示總灰分量為101.2g、灰分分布系數為0.3及碳煙質量為27.6g時不同配比DPF進/出口孔道中心的壓力與氣流速度對比．因較小配比載體的有效過濾長度短，其進口孔道壓力及氣流速度更快下降為0；出口氣流速度也更快上升到最大值，但出口氣流速度的最大值隨著配比的減小而降低．

圖13 總灰分量為101.2g時不同配比對進/出口孔道壓力與氣流速度的影響 Fig.13 Effects of different carrier ratio on inlet and outlet pressure and airflow velocity when the total ash content is 101.2g

圖14所示總灰分量為0g時不同配比DPF進口孔道內顆粒濃度分布．配比越大，進口孔道內顆粒濃度越大，說明捕集效率越高．

圖14 總灰分量為0g時不同配比對DPF進口孔道內顆粒濃度分布的影響 Fig.14 Effects of different carrier ratio on particle concentration distribution in DPF inlet channel when the total ash content is 0g

圖15所示總灰分量為101.2g、灰分分布系數為0.3時不同配比DPF進口孔道內顆粒濃度分布．較小配比載體的進口孔道有效過濾長度內顆粒濃度較大且分布比較均勻；隨著配比的增大，載體長度增加，顆粒濃度分布前端較少、中后端較多．配比較小時，由于孔道有效過濾長度縮短，最大顆粒濃度明顯下降，即捕集效率下降．有灰分沉積時，增大配比，最大顆粒濃度上升，捕集效率提高．

圖15 總灰分量為101.2g時不同配比對DPF進口孔道內顆粒濃度分布的影響 Fig.15 Effects of different carrier ratio on particle concentration distribution in DPF inlet channel when the total ash content is 101.2g

5 結論

(1) 升高轉速不同載體的壓降均上升，孔密度為0.465個/mm2DPF壓降均低于0.310個/mm2DPF壓降，增大灰分分布系數及碳載量此效果更明顯；非對稱孔結構載體在高碳載量時壓降特性較對稱孔結構載體更優.

(2) 增大DPF配比有利于降低DPF壓降的同時提高其捕集效率；綜合考慮DPF性能和成本因素，載體最佳配比為1.2～1.5；灰分加載不會影響配比對DPF壓降的影響規律.

(3) 無灰分時，出口孔道壓力沿孔軸向逐漸均勻下降，氣流速度一直升高，在出口處達到最大，且高于進口速度；有灰分沉積時，灰分分布系數越大，進口孔道與出口孔道的壓差越大，出口孔道氣流出口速度越小，捕集效率提高.

(4) 進口孔道內顆粒濃度分布呈現前端較少、中后端較多的趨勢；DPF配比增大，進/出口孔道壓差降低，出口孔道最大速度升高；DPF配比越大，進口孔道中顆粒濃度增大，捕集效率越高.