基于模型的CDPF降怠速再生特性研究

鮮建，魏寬，楊怡，張艷華，陳海昆，劉志敏

(中自環保科技股份有限公司，四川 成都 611730)

生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報(2020)》顯示，移動源污染是造成顆粒物(PM)、光化學煙霧污染的重要原因，汽車是污染物排放總量主要貢獻者，其排放的CO、HC、NO和PM超過90%，柴油車NO排放量超過汽車排放總量的80%，PM排放量超過90%。DPF在國內外后處理系統中都已經得到廣泛應用，是滿足柴油機顆粒物排放要求的理想技術。催化型柴油顆粒捕集器(CDPF)在DPF上涂覆催化涂層進一步提升炭煙的被動再生效率，降低DPF再生起燃溫度，從而提高DPF使用壽命和耐久性。

DPF再生過程中瞬時溫度或溫度梯度超過載體的耐受限值會導致載體的燒蝕或斷裂，甚至引發失火，發生嚴重安全事故。降怠速再生(Drop to idle， DTI)是指在 CDPF 主動再生過程中，將發動機突然降到怠速工況，降怠速再生是DPF使用過程中最為惡劣的情況，通過研究DPF在降怠速再生工況時的性能，可對DPF載體極限碳載量和載體極限使用溫度進行快速判定。

國內外對CDPF主動再生降怠速工況進行了研究。苗壘等研究發現，碳載量是影響DPF載體安全再生的主要因素。陳鵬等研究了碳化硅材質DPF不同碳載量下降怠速再生后的PM質量濃度和過濾效率，發現再生溫度為600 ℃、碳載量為8 g/L及10 g/L時，載體均未損壞，而當碳載量達到12 g/L時，DPF內峰值溫度超過1 500 ℃，載體損壞，PM的過濾效率也降至87.30%。Bai Shuzhan等發現再生降怠速DPF出口端中心位置溫度增加最高，因此需重點關注該區域溫度以確保DPF峰值溫度在應用許可范圍內。數值仿真模擬能彌補DPF碳加載試驗周期長、費用多等缺點，在DPF等柴油機后處理系統研究中已經廣泛應用。彭美春等建立DPF仿真模型，優化DPF進出口孔道邊長比值為1.024 8、孔密度為62目、過濾壁厚為0.333 mm時，DPF壓降降低26%以上，餅層捕集效率保持98%以上。Mengting Yu等采用數值模擬分析方法發現增加DPF壁厚和降低DPF長徑比均能降低DTI溫度。湯東等采用GT-Power軟件分析了DPF結構和運行參數對熱再生過程中壁面峰值溫度、峰值溫度梯度、再生持續時間的影響。在工程應用中，關鍵在于對DPF主動再生峰值溫度、峰值溫度梯度和再生速率的平衡，目前大多研究集中在再生溫度特性方面，對于炭煙反應速率與溫度特性相關性的研究較少。本研究采用數值模擬軟件AVL BOOST，建立柴油機CDPF主動再生反應模型，在DTI過程中，對初始碳載量、再生溫度、再生/怠速流量、再生/怠速氧含量、怠速進入時刻等因素對CDPF峰值溫度、峰值溫度梯度和炭煙反應速率的影響進行系統研究，為CDPF匹配選型、安全再生應用提供參考。

1 數學模型

AVL BOOST中CDPF主動再生模型如圖1所示，采用的CDPF相關參數見表1。CDPF物理結構及內部流動具有相似重復性，采用如圖2所示的進口和出口雙通道模型降低模型復雜度。

圖1 CDPF主動再生反應模型

表1 CDPF載體及涂層參數

圖2 CDPF 孔道模型

數值模擬主要考慮沿CDPF軸向方向上的物理化學過程，求解一維質量、動量和能量守恒方程以及化學反應組分方程，實現對CDPF降怠速再生特性的研究，模型進行以下簡化：

1) CDPF內部各處物性參數相同；

2) CDPF入口截面尾氣組分濃度、氣流速度、氣流溫度分布均勻；

3) 發動機尾氣滿足理想氣體狀態方程；

4) 不考慮尾氣中顆粒物對流體流動的影響；

5) 忽略炭煙與NO的反應，只考慮炭煙與O主動再生反應；

6) 炭煙成分為單一碳元素。

CDPF總壓降包括尾氣炭煙層和壁面阻礙產生的壓降、孔道中流動沿程阻力產生的壓降、在CDPF進出口尾氣膨脹壓縮產生的壓降，其計算公式如下：

式中：Δ為DPF總壓降；為排氣動力黏度；為排氣體積流量；為捕集器體積；為過濾體孔道寬度；為捕集器壁厚；為摩擦系數；為捕集器孔道長度；為炭煙層厚度；為捕集器壁面滲透率；為排氣密度；為進出口處局部損失系數之和；為炭煙層滲透率。

CDPF炭煙燃燒模型忽略炭煙與NO反應，僅考慮炭煙與O反應：

式中：，分別為反應速率；為反應頻率因子；為反應活化能；O為氧氣濃度；為反應選擇因子。

2 模型驗證

為保證模擬試驗結果的準確性，通過DTI試驗對CDPF數值模型進行驗證。試驗發動機參數如表2所示。試驗CDPF初始碳載量為5.2 g/L，再生流量為330 kg/h，怠速流量為145 kg/h。試驗過程中監測CDPF入口端、中端、出口端溫度，CDPF壓降和試驗前后炭煙加載量。圖3示出模擬的壓降值與試驗值的對比，圖4示出CDPF各段溫度模擬值和試驗值的對比，結果表明模擬值能較好反映試驗過程中壓降變化和溫度變化。圖5示出模擬CDPF各處位置炭煙加載量的變化。在40～80 s區間炭煙有小段快速消耗，這主要是CDPF深層捕集炭煙的燃燒反應，因為該部分炭煙與催化涂層緊密接觸，所以在較低溫度下發生反應。數值模擬結果碳載量減少2.4 g/L，而整個DTI試驗CDPF碳載量減少2.2 g/L，兩者碳載量消耗基本相同，鑒于試驗過程未檢測CDPF各處炭煙加載量，但結合CDPF不同位置的溫度變化也能表明模擬炭煙反應速率與試驗結果相符。綜上所述，該DPF數值模型較好反映了試驗結果，可用于后續的分析研究。

表2 試驗發動機相關參數

圖3 模擬壓降與試驗壓降的對比

圖4 模擬溫度與試驗溫度的對比

圖5 模擬碳載量變化

3 降怠速再生數值模擬結果與分析

本研究模擬基準條件如表3所示，再生溫度達到600 ℃后維持30 s進入怠速工況。為模擬怠速再生受工況條件的影響，采用單一變量法，即保證其他變量一致，僅調整分析變量。廢氣組分為8%HO，7%CO，450×10NO，50×10NO，750×10CH，250×10CH，平衡氣為N，因為主動再生降怠速工況過程中炭煙被動再生反應影響極小，因此未考慮NO反應。流體簡化為理想氣體。

表3 降怠速再生模擬參照條件

3.1 初始碳載量的影響

對不同初始碳載量下降怠速再生進行模擬，圖6示出溫度峰值的變化。CDPF初始尾氣溫度300 ℃，從20 s開始升溫，在100 s后，尾氣溫度升溫到600 ℃時開始主動再生，再生過程持續30 s后，發動機進入怠速狀態。不同初始碳載量下CDPF峰值溫度在100 s前相差不大，因為此時未達到炭煙反應溫度，放熱較少。進入再生工況后，隨著炭煙反應進行，放熱開始明顯，不同初始碳載量下CDPF的峰值溫度開始出現差異。進入怠速工況后，由于尾氣流量降低，炭煙反應放熱對峰值溫度的影響更加明顯：當初始碳載量為3 g/L時，對應的最高峰值溫度為717 ℃；當初始碳載量為7 g/L時，對應的最高峰值溫度提升到1 053 ℃。

圖6 不同初始碳載量下峰值溫度變化

圖7示出降怠速再生過程峰值溫度梯度的變化，峰值溫度梯度在尾氣熱量傳輸和炭煙反應的共同作用下出現了多處波峰。在模型忽略徑向炭煙變化情況下，CDPF的溫度梯度主要由軸向溫度差異決定。進入再生和怠速工況后，尾氣溫度達到炭煙反應的臨界溫度，由于前段部分熱量被帶到后段，CDPF后段炭煙反應速率通常高于前段。隨著初始碳載量的增加，峰值溫度梯度也開始增加，與峰值溫度變化相似(如圖7所示)，隨著初始碳載量從3 g/L增加到7 g/L，相應峰值溫度梯度從32.3 ℃/cm增加到123.6 ℃/cm。峰值溫度和峰值溫度梯度差異都主要由炭煙放熱引起。炭煙消耗量在降怠速再生過程中與在怠速工況前基本相同，在進入怠速工況后，初始碳載量越高，炭煙反應量越大(見圖8)，放出的熱量就越多，因此CDPF峰值溫度和峰值溫度梯度就越高，這與峰值溫度和峰值溫度梯度變化的結果相符。

圖7 不同初始碳載量下峰值溫度梯度變化

圖8 不同初始碳載量下降怠速再生過程中炭煙量的變化

圖9示出不同初始碳載量下DTI最高峰值溫度和最大峰值溫度梯度，可見初始碳載量的變化對最大峰值溫度梯度影響比最高峰值溫度更為顯著。CDPF峰值溫度和峰值溫度梯度都隨著初始碳載量的增加而增大，在初始碳載量低于5 g/L時，初始碳載量提升對峰值溫度和峰值溫度梯度影響較小，因為初始炭煙量較低，可供反應的炭煙放出的熱量也有限，該熱量能迅速被尾氣帶出，不足以引起CDPF峰值溫度增加。初始碳載量高于5 g/L時，初始碳載量的提升導致峰值溫度和峰值溫度梯度急劇增加。出于CDPF安全使用和催化涂層熱耐久要求，堇青石基DPF一般要求短暫瞬時溫度不超過1 000 ℃，正常溫度不超過900 ℃，峰值溫度梯度不應超過150 ℃/cm，最好控制在100 ℃/cm下，因此根據模擬結果可知CDPF主動再生初始碳載量不應過高，初始碳載量超過7 g/L時在降怠速再生時CDPF有損壞風險，建議主動再生安全初始碳載量低于5 g/L。

圖9 不同初始碳載量下峰值溫度和峰值溫度梯度

3.2 再生溫度的影響

再生溫度是CDPF安全再生的一個重要因素，對不同再生溫度下降怠速再生進行模擬。如圖10所示，由于升溫段升溫速率和目標溫度不同，CDPF各段峰值溫度和炭煙反應量均有差異。再生溫度在600 ℃以下時，峰值溫度變化曲線較為平緩，此時炭煙燃燒速率較慢，因此其峰值溫度未明顯變化。當再生溫度超過600 ℃時，炭煙燃燒速率已經較快，進入怠速工況時，CDPF聚積熱量較多，此時由于尾氣流量降低，導致尾氣帶走的熱量減少，相應地CDPF峰值溫度快速提升。當再生溫度為650 ℃時，峰值溫度出現最快，甚至在未進入怠速時就出現峰值溫度，這是因為在該再生溫度下炭煙反應的速率已經極快，雖然此時的尾氣流量較怠速流量大，但炭煙反應放出熱量依然遠大于尾氣所帶走的熱量，內部聚積的熱量進一步提升溫度又促進炭煙的反應，所以此時雖然是再生工況，但其實與怠速段CDPF所經歷的狀態相同，因此峰值溫度出現在再生段。由于積累的炭煙基本被反應，進入怠速時，反而溫度開始下降。

圖10 不同再生溫度下峰值溫度變化

由圖11可知，在130 s以前，CDPF溫度梯度差異主要是尾氣熱量加熱CDPF引起的。在130～180 s區間，峰值溫度梯度出現劇烈波動，主要是該區間炭煙反應放熱明顯，溫度梯度差異受尾氣熱量傳輸和炭煙反應放熱共同作用。在180 s后溫度梯度主要由CDPF熱量尾氣傳輸速率影響。還可知，最大峰值溫度梯度隨再生溫度增加而增加，再生溫度從550 ℃提升到650 ℃，CDPF最大峰值溫度梯度從20.1 ℃/cm增加到73.2 ℃/cm。

如圖12所示，在50～100 s區間炭煙的消耗主要是CDPF深層捕集炭煙與催化涂層緊密接觸的部分，反應溫度低。再生溫度對炭煙的反應量有較大影響，再生溫度為550 ℃，575 ℃，600 ℃，625 ℃，650 ℃時，炭煙消耗量分別為0.7 g/L，0.9 g/L，1.7 g/L，2.9 g/L，3.7 g/L，炭煙消耗量隨著再生溫度增加而增加。炭煙消耗量的差異主要是在怠速工況段，因為此時尾氣流量低，炭煙反應熱量不能隨尾氣帶走而局部累積，熱量累積又進一步促進炭煙的反應。

圖11 不同再生溫度下峰值溫度梯度變化

圖12 不同再生溫度下碳載量變化

由圖13可知，最高峰值溫度和最大峰值溫度梯度隨著再生溫度增加而增加，再生溫度從550 ℃提升到650 ℃，峰值溫度和峰值溫度梯度分別增加了50.5%和264.2%。CDPF再生溫度在625 ℃和650 ℃時，峰值溫度均超過900 ℃，對CDPF使用壽命有一定影響。CDPF主動再生需要在安全性和經濟性上權衡，在較高的溫度進行主動再生時，炭煙的氧化速率高，有利于縮短再生時間和節省燃油，但是CDPF被燒毀的概率也高；在較低的溫度下進行主動再生時，炭煙消耗速率慢，實現CDPF的完全再生所需時間較長，燃油經濟性低。由圖12可知，當再生溫度達到600 ℃時，炭煙反應較快，同時再生峰值溫度低于900 ℃，因此在實際應用中建議再生溫度不超過625 ℃。

圖13 不同再生溫度下峰值溫度和峰值溫度梯度

3.3 尾氣流量的影響

圖14示出不同再生流量和怠速流量下峰值溫度模擬曲線，可見提高再生和怠速流量均能使峰值溫度降低。主動再生尾氣流量從250 kg/h提高到350 kg/h，CDPF的峰值溫度從837 ℃降低到768 ℃；怠速排氣流量由100 kg/h 增加至200 kg/h，CDPF峰值溫度從922 ℃降低到755 ℃。尾氣流量越大，CDPF內的流速就越高，意味著更多熱量被尾氣帶走，因此排氣溫度的最大值就會越低。如圖15所示，再生流量從250 kg/h提高到350 kg/h，CDPF的峰值溫度梯度相應從58.7 ℃/cm降低到34.9 ℃/cm。怠速流量從100 kg/h提高到200 kg/h，CDPF的峰值溫度梯度相應從72.5 ℃/cm降低到26.9 ℃/cm。150～200 s區間出現了兩個峰值溫度梯度峰。第一個峰是由炭煙放熱引起的，出現第二個峰的原因是由于怠速后入口溫度開始不停降低，此時CDPF內部熱量被前段和后段不斷降低溫度的尾氣所吸收，從而溫度梯度降低，但尾氣溫度降低到250 ℃左右后保持穩定；此時，CDPF溫度差異開始受熱量擴散影響，溫度梯度又開始增加，但CDPF熱量最終被不斷帶走，最后溫度降低。

圖14 不同尾氣流量下峰值溫度變化

圖15 不同流量下峰值溫度梯度變化

如圖16所示，尾氣流量增加，炭煙反應量減少。主動再生尾氣流量從250 kg/h提高到350 kg/h，炭煙消耗量從1.7 g/L降低到1.5 g/L，怠速排氣流量由100 kg/h增加至200 kg/h，炭煙消耗量從2.2 g/L降低到1.4 g/L。再生流量增加對炭煙反應量影響要小于怠速流量增加對炭煙反應量的影響，這是因為再生工況下尾氣流量通常能帶走熱量以保證再生安全進行，怠速工況尾氣流量更低，該流量不能完全帶走炭煙反應放出的熱量，熱量就會滯留，轉而促進炭煙繼續反應，此時尾氣流量對熱量累積和炭煙反應影響顯著。

圖16 不同尾氣流量下碳載量變化

如圖17所示，再生和怠速流量對最高峰值溫度和最大峰值溫度梯度有相似影響，隨著流量增大最高峰值溫度和最大峰值溫度梯度降低，且隨著流量的增大降低的速率開始減緩，主要原因是當流量增大到能有效帶走炭煙反應放出的熱量時，炭煙熱量不能在CDPF內累積，繼續增大流量對CDPF峰值溫度和峰值溫度梯度的影響開始減弱。再生流量從250 kg/h提高到350 kg/h，峰值溫度和峰值溫度梯度相應降低8.5%和41.4%；怠速流量從100 kg/h提高到200 kg/h，峰值溫度和峰值溫度梯度相應降低18.0%和62.9%。怠速流量較再生流量對峰值溫度和峰值溫度梯度影響更大。因此，在發生DTI時，建議提高發動機轉速、增加排氣流量，從而降低CDPF載體溫度。

圖17 不同流量下峰值溫度和峰值溫度梯度

3.4 氧含量的影響

柴油機運行工況一般有約10%的氧保證主動再生反應的發生，怠速時氧氣用量相對正常運行工況會大幅增加。對再生氧含量(6%～14%)、怠速氧含量(12%～20%)的影響分別進行模擬分析。

如圖18所示，迅速進入怠速工況后，CDPF的峰值溫度隨再生氧含量的增大而增大，氧含量為6%時峰值溫度僅727 ℃，當氧含量為14%時，對應峰值溫度為841 ℃，提高了114 ℃。怠速氧含量為12%時，由于此時相對再生工況10%氧含量增加不大，氧氣對炭煙反應的促進作用有限，峰值溫度為747 ℃，而當怠速氧含量為20%時，氧氣對炭煙燃燒反應促進作用明顯，峰值溫度達到883 ℃。

圖18 不同氧含量下峰值溫度變化

如圖19所示，再生氧含量變化在怠速工況前對峰值溫度梯度均有影響，而怠速氧含量對峰值溫度梯度影響基本在130～180 s區間，對峰值溫度梯度的影響區間與對炭煙反應影響的區間相同。因為峰值溫度梯度受炭煙反應放熱和尾氣熱量傳輸共同控制，在存在炭煙反應的工況段，隨著氧含量的增加峰值溫度梯度也增大。當炭煙反應停止時，峰值溫度梯度主要受尾氣熱量傳輸影響。在再生氧含量14%和怠速氧含量20%時峰值溫度梯度出現最大值，分別為52.2 ℃/cm和69.0 ℃/cm。由圖20可知，主動再生氧含量變化對CDPF深層捕集的炭煙反應速率有影響，但由于深層捕集炭煙量較少，進入主動再生時總炭煙消耗量基本相同。當主動再生氧含量從6%增加到14%，炭煙消耗量從1.2 g/L增加到2.2 g/L。怠速氧含量從12%增加到20%時，炭煙消耗量從1.3 g/L增加到2.1 g/L。

圖19 不同氧含量下峰值溫度梯度變化

圖20 不同氧含量下碳載量變化

不同氧含量下峰值溫度和峰值溫度梯度變化如圖21所示。峰值溫度與氧含量近似呈線性關系，隨氧含量的增加而增加。在氧含量較低時峰值溫度梯度幾乎無太大差異，這是因為雖然低氧含量下改變氧含量能加快炭煙反應，但此時炭煙反應總體較弱，釋放的熱量對溫度梯度的影響小于尾氣熱量傳輸的影響，所以峰值溫度梯度出現在怠速降溫過程中(見圖19)，而此時尾氣熱量傳輸基本一致，最終表現為低氧含量對峰值溫度梯度無影響。從圖21還可以看出，怠速氧含量比再生氧含量對峰值溫度和峰值溫度梯度的影響要大，再生氧含量從6%增加到14%，峰值溫度增加14.6%(114 ℃)，峰值溫度梯度增加33.9%(17.7 ℃/cm)；怠速氧含量從12%增加到20%，峰值溫度增加15.5%(137 ℃)，峰值溫度梯度增加51.6%(34.6 ℃/cm)。

圖21 不同氧含量下峰值溫度和峰值溫度梯度

3.5 降怠速時刻的影響

CDPF進行主動再生時需要進入怠速，通常因為遇到突發情況，進入怠速的時刻具有不可控性。因此，對主動再生進行10～50 s后進入怠速的情況進行仿真模擬研究。

如圖22所示，進入怠速時刻不同，CDPF的峰值溫度也會不同。在入口溫度達到600 ℃后20 s進入怠速，峰值溫度為810 ℃，較其他時刻進入怠速高，進入怠速時刻早于和晚于20 s后峰值溫度都會降低。若CDPF進入怠速時刻早，雖然此時CDPF剩余碳載量較高，但由于主動再生消耗炭煙較少，產生的熱量也少，即使怠速流量降低也能迅速將熱量帶走，所以CDPF峰值溫度并不高。若CDPF進入怠速時刻晚，此時CDPF當中大量的炭煙已經進行再生，剩余炭煙量較少，后續過程可燃燒炭煙量少，所以CDPF峰值溫度可控。

圖22 不同怠速時刻下峰值溫度

如圖23所示，不同時刻進入怠速，峰值溫度梯度有相同的變化趨勢，只是峰值出現的位置隨進入怠速時間推遲而相應延后。峰值溫度梯度與峰值溫度同樣出現在20 s進入怠速這種情況下。峰值溫度梯度同樣受再生段釋放的熱量和怠速段剩余炭煙量影響，在主動再生產生熱量和剩余積炭均足夠多時峰值溫度梯度達到最大值，較早和較晚進入怠速，峰值溫度梯度均降低。從圖24可看出，由于再生時間不同，最終炭煙消耗量也不同，進入怠速越晚，再生時間越長，消耗的炭煙也越多。進入怠速從10 s推遲到50 s，總炭煙消耗量從1.3 g/L增加到1.8 g/L。在再生10 s后進入怠速時炭煙消耗的斜率明顯低于其他時刻，說明此時積累的熱量不夠，在怠速時未能激發剩余炭煙劇烈燃燒。

圖23 不同怠速時刻下峰值溫度梯度

圖24 不同怠速時刻下碳載量變化

圖25示出不同時刻進入怠速對應的峰值溫度和峰值溫度梯度。在20 s時進入怠速，峰值溫度和峰值溫度梯度達到最大值，分別為810 ℃和55.8 ℃/cm，因為此時在主動再生產生熱量和怠速剩余積炭均足夠多，整個工況段炭煙反應量最多。在50 s進入怠速，峰值溫度和峰值溫度梯度最小，分別為772 ℃和34.2 ℃/cm。峰值溫度和峰值溫度梯度均在安全應用許可條件內。

圖25 不同怠速時刻下峰值溫度和峰值溫度梯度

4 結論

a) 在初始碳載量3～7 g/L范圍降怠速再生，CDPF峰值溫度和峰值溫度梯度都隨著初始碳載量的增加而增大；在初始碳載量低于5 g/L時，初始碳載量提升對峰值溫度和峰值溫度梯度影響較小；初始碳載量高于5 g/L時，初始碳載量的提升導致峰值溫度和峰值溫度梯度劇烈增加；當初始碳載量超過7 g/L時，CDPF降怠速再生時有損壞或燒熔風險；

b) 在主動再生溫度550～650 ℃范圍內，峰值溫度和峰值溫度梯度隨著再生溫度增加而增加，當溫度大于等于625 ℃時，峰值溫度超過900 ℃，建議再生溫度不超過625 ℃；

c) 峰值溫度梯度和峰值溫度均隨尾氣流量增大而降低，怠速段流量對CDPF的峰值溫度和峰值溫度梯度影響比再生段流量大；

d) 氧含量增加，峰值溫度和峰值溫度梯度也增加，怠速氧含量對CDPF的峰值溫度和峰值溫度梯度影響比再生氧含量大；

e) 主動再生CDPF入口溫度達到600 ℃后，在20 s時進入怠速，主動再生累積熱量充分，同時剩余炭煙量也較多，峰值溫度和峰值溫度梯度達到最大值。