灰分分布系數(shù)對柴油機(jī)性能的影響研究

呂 譽(yù),沈穎剛,李 青,陳貴升,盧申科

(1.昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500；2.云南菲爾特環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?昆明 650300)

0 概述

柴油機(jī)顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)生命周期內(nèi)需要不斷地通過氧化再生的方式清除碳煙以恢復(fù)其性能[1]，但柴油機(jī)排放物中包含的磷化物、硫化物及金屬氧化物等不可再生的物質(zhì)無法通過氧化再生的方式進(jìn)行清除，這些成分會不斷地累積并聚合在DPF孔道內(nèi)部形成灰分[2]?；曳值拇嬖趯O大地影響DPF及柴油機(jī)的性能。

文獻(xiàn)[3]中通過建立DPF單孔道模型，研究了壁面灰分層對DPF捕集過程的影響。文獻(xiàn)[4]中研究發(fā)現(xiàn)灰分沉積會顯著改變顆粒物在DPF中的遷移沉積規(guī)律和碳煙層的微觀結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5-6]中建立了灰分分布對DPF壓降影響的評價函數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)非對稱孔結(jié)構(gòu)載體有利于降低DPF壓降。文獻(xiàn)[7]中研究了灰分對DPF捕集效率的影響，結(jié)果表明DPF捕集效率會隨灰分量的增加而升高。文獻(xiàn)[8]中研究發(fā)現(xiàn)在載體入口通道頂部設(shè)置一層致密的膜層可極大地提高DPF捕集效率?；曳植粌H會影響DPF的壓降和捕集特性，還會顯著影響DPF再生特性，灰分量的增加會提高DPF再生頻率[4]。為了提高DPF主動再生觸發(fā)時刻判斷的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[9]中建立了更加精確的DPF炭載量理論計(jì)算模型。文獻(xiàn)[10]中提出了一種采用發(fā)動機(jī)排氣溫度和排氣流量作為增益補(bǔ)償?shù)腄PF主動再生目標(biāo)溫度控制方法，可降低實(shí)際工程應(yīng)用中標(biāo)定工作的復(fù)雜程度。文獻(xiàn)[11]研究表明，灰分量的增加不僅會增加DPF再生相關(guān)的油耗，其壓降增加還會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)原機(jī)油耗增加。目前，中國排放法規(guī)也在逐步推進(jìn)對內(nèi)燃機(jī)碳排放的限制[12-13]，因而研究灰分及DPF對發(fā)動機(jī)熱效率的影響十分必要。

目前國內(nèi)外對灰分成分及其對DPF性能的影響研究相對較多，但較少涉及灰分對柴油機(jī)性能特別是經(jīng)濟(jì)性的影響。本文中通過構(gòu)建柴油機(jī)耦合DPF的一維熱力學(xué)模型，系統(tǒng)闡述了灰分分布系數(shù)對柴油機(jī)性能的影響，并重點(diǎn)分析了灰分分布系數(shù)對柴油機(jī)系統(tǒng)熱效率的影響，以期為DPF的工程應(yīng)用提供一定的理論支持。

1 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

基于某直列4缸柴油機(jī)建立帶DPF的一維熱力學(xué)模型，并對模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。柴油機(jī)基本性能參數(shù)見表1，DPF技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

表2 DPF主要參數(shù)

1.1 柴油機(jī)模型介紹

零維燃燒模型將缸內(nèi)熱力學(xué)狀態(tài)視為均勻場，不考慮氣體狀態(tài)參數(shù)隨空間的變化，模型較為簡單，計(jì)算工作量較小，因而被廣泛使用。然而，隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，由于計(jì)算精度低，零維燃燒模型已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代發(fā)動機(jī)的預(yù)測研究。因此，本研究中燃燒模型采用準(zhǔn)維燃燒模型——Hiroyasu油滴蒸發(fā)模型，提高了模型預(yù)測精度，并通過對燃燒室空間進(jìn)行分區(qū)處理，在一定程度上對排放污染物進(jìn)行預(yù)測[14]。傳熱模型選用經(jīng)典的半經(jīng)驗(yàn)Woschni GT傳熱模型。為了便于計(jì)算，模型對發(fā)動機(jī)熱平衡進(jìn)行了一定的簡化處理，如式(1)所示，燃油有效總能量由式(2)計(jì)算得到。

Q=Pe+Qt+Qe+Qf

(1)

(2)

式中，Q為燃料燃燒釋放的總能量；Pe為有效功率；Qt為傳熱損失；Qe為排氣損失；Qf為摩擦損失；N為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；nr為活塞循環(huán)往復(fù)運(yùn)動次數(shù)(四沖程)；nc為氣缸數(shù)；Hf為燃料低熱值，J/kg；Lf為燃料蒸發(fā)潛熱值，J/kg；mf,i,gas為燃油以氣體狀態(tài)進(jìn)入氣缸i時的瞬時質(zhì)量流量，kg/s；mf,i,liq為燃油以液體狀態(tài)進(jìn)入氣缸i的瞬時質(zhì)量流量，kg/s。

1.2 DPF模型介紹

為方便模型計(jì)算與收斂，對DPF數(shù)值模型進(jìn)行如下理論假設(shè)：(1) 忽略膠黏區(qū)，將載體視為絕熱材料；(2) 將排氣視為理想氣體，假設(shè)排氣顆粒粒徑相同且分布均勻，假設(shè)灰分粒徑相同。

壁流式DPF由一系列交替堵塞的進(jìn)、排氣孔道組成，排氣流經(jīng)進(jìn)氣孔道進(jìn)入過濾體后由于進(jìn)氣孔道后端被堵塞，氣流只能流經(jīng)開孔的過濾壁面從相鄰的排氣孔道流出。圖1為排氣流經(jīng)DPF的結(jié)構(gòu)示意圖。過濾壁面實(shí)際為一層多孔介質(zhì)，碳煙顆粒通過慣性碰撞、重力沉降和流動攔截等物理方式被捕集下來。隨著DPF不斷再生，一系列不能氧化的金屬粒子不斷聚合形成硫化物、磷化物和金屬氧化物，即灰分。綜上，排氣流經(jīng)DPF的壓降通常包含7部分，如式(3)所示。

圖1 DPF內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

Δp=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4+Δp5+
Δp6+Δp7

(3)

(4)

(6)

(7)

排氣流經(jīng)過濾體產(chǎn)生的壓降滿足Darcy定律，載體進(jìn)出口孔道壓降模型滿足式(8)方程[15]。

(8)

式中，Δp、Δp1、Δp2、Δp3、Δp4、Δp5、Δp6、Δp7分別為DPF壓降、進(jìn)口孔道收縮壓降、進(jìn)氣孔道內(nèi)壓降、碳煙層發(fā)生的壓降、灰分層產(chǎn)生的壓降、過濾壁面產(chǎn)生的壓降、排氣孔道內(nèi)壓降和出口膨脹損失壓降；pg,1為進(jìn)口孔道壓力；pg,2為出口孔道壓力；Fnfw，A和Fnfw,B分別為過濾體進(jìn)口、出口孔道幾何系數(shù)；vw,1為進(jìn)口孔道壁面流速；d1為進(jìn)口孔徑；d2為出口孔徑；kw為壁面滲透率；kac為灰分層滲透率；ksc為碳煙層滲透率；ksd為深床碳煙層滲透率；μ為流體的運(yùn)動黏性系數(shù)；δw為壁面厚度；δac為灰分層厚度；δsc為碳煙層厚度；δsd為深床碳煙層厚度；leff為孔道有效長度；ζinl為縮口摩擦損失系數(shù)；ζout為擴(kuò)口摩擦損失系數(shù)；ρinl為進(jìn)口孔道氣流密度；ρout為出口孔道氣流密度；vinl為進(jìn)口孔道氣體流速；vout為出口孔道氣體流速。

1.3 模型驗(yàn)證

為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，需要對模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。圖2為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、有效燃油消耗率、渦后排溫和NOx比排放的試驗(yàn)值與模擬值驗(yàn)證對比。由圖2可知，模擬值與試驗(yàn)值整體趨勢變化一致且誤差較小，模型可以滿足對發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況的預(yù)測需求。

圖2 轉(zhuǎn)矩、有效燃油消耗率、渦后排溫和NOx比排放試驗(yàn)值與模擬值對比

針對DPF模型的壓降驗(yàn)證如圖3所示。將DPF內(nèi)碳煙加載至炭載量2 g/L，為避免高轉(zhuǎn)速時因DPF再生影響數(shù)據(jù)可靠性，因而在1 000～2 400 r/min條件下對DPF進(jìn)行壓降驗(yàn)證。由圖3可知，模擬值與試驗(yàn)值整體趨勢一致，且誤差較小，模型可靠性較高。

圖3 DPF壓降驗(yàn)證(炭載量2 g/L)

2 灰分對DPF性能的影響

DPF內(nèi)不同灰分分布系數(shù)的灰分通過影響載體孔道的流通面積和有效過濾長度影響DPF壓降和捕集效率，而DPF壓降則會直接影響發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣特性，從而影響發(fā)動機(jī)性能。本研究中設(shè)置DPF灰分量為33 g/L，炭載量為6 g/L，定義灰分分布系數(shù)F為DPF壁面灰分質(zhì)量mlayer與灰分總質(zhì)量mall之比(式(9))，研究不同灰分分布系數(shù)對DPF和柴油機(jī)性能的影響。

(9)

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越高，排氣流量越大，流速越高，因而DPF壓降隨轉(zhuǎn)速上升而升高，如圖4所示。同一轉(zhuǎn)速下，隨著灰分分布系數(shù)增加，DPF壓降增大，當(dāng)灰分分布系數(shù)超過0.6時，DPF壁面灰分超過閾值，流通面積迅速縮小，DPF壓降急劇升高?；曳址植枷禂?shù)對DPF捕集效率的影響也示于圖4中。由圖4可知，轉(zhuǎn)速越高，排氣流量和流速增加，DPF空速增大，顆粒物更加容易逃逸，因而DPF捕集效率隨轉(zhuǎn)速升高而降低。隨著灰分分布系數(shù)增加，DPF壁面的層狀灰分厚度增加，有利于碳煙的捕集，同時灰分分布系數(shù)越大，灰分堵頭更小，DPF有效過濾長度更大，這些均有利于捕集效率的提高。

圖4 不同灰分分布系數(shù)下轉(zhuǎn)速對DPF壓降和捕集效率的影響(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

3 灰分對柴油機(jī)性能的影響

3.1 灰分分布系數(shù)對柴油機(jī)性能的影響

灰分分布系數(shù)對柴油機(jī)動力性能的影響如圖5所示。相比于原機(jī)，加裝DPF后柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩有所下降，灰分分布系數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩下降幅度越高?；曳址植枷禂?shù)小于0.6時，隨著灰分分布系數(shù)增加，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩雖然有所下降，但下降幅度相對較小?；曳址植枷禂?shù)0.8時柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩相對于灰分分布系數(shù)0.6時有較大幅度下降，這是因?yàn)榛曳址植枷禂?shù)為0.8時，堆積在壁面的層狀灰分質(zhì)量太大，孔道流通面積下降超過一定閾值，流通阻力急劇增加，使得柴油機(jī)進(jìn)排氣效率急劇下降，進(jìn)氣充量降低，空燃比減小，同時缸內(nèi)氣流運(yùn)動減弱，導(dǎo)致柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程惡化，最高燃燒壓力下降，因此轉(zhuǎn)矩在灰分分布系數(shù)為0.8時急劇下降。隨著轉(zhuǎn)速增加，灰分及其分布系數(shù)對進(jìn)氣充量和空燃比的影響變大，因而中高轉(zhuǎn)速下灰分對柴油機(jī)動力性的影響更大。

圖5 不同灰分分布系數(shù)下轉(zhuǎn)速對柴油機(jī)性能的影響(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

灰分分布系數(shù)不僅會影響柴油機(jī)動力性，同時會使其經(jīng)濟(jì)性下降?；曳址植枷禂?shù)對有效燃油消耗率和有效熱效率的影響見圖6。由圖6可知，隨灰分分布系數(shù)增大，排氣背壓升高導(dǎo)致進(jìn)氣充量降低，空燃比下降，燃燒效果變差，柴油機(jī)有效燃油消耗率升高。柴油機(jī)有效熱效率也隨灰分分布系數(shù)增大而下降。下文將詳細(xì)闡述灰分對柴油機(jī)系統(tǒng)熱效率的影響。

圖6 不同灰分分布系數(shù)下轉(zhuǎn)速對有效燃油消耗率和有效熱效率的影響(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

灰分分布系數(shù)越大，柴油機(jī)缸內(nèi)空燃比越小，混合氣越濃，排氣溫度越高(圖7)。雖然排氣溫度有所上升，但缸內(nèi)空燃比下降更加不利于NOx的生成，因而NOx排放量隨灰分分布系數(shù)增大而下降；高轉(zhuǎn)速時灰分對空燃比的影響更大，所以柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速時的NOx排放量下降幅度更大?；曳址植枷禂?shù)的增大使得缸內(nèi)氧濃度下降且排氣溫度上升，恰好為碳煙生成提供了高溫缺氧的條件，因而灰分分布系數(shù)越大，碳煙排放量越大。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升，進(jìn)氣充量更大且流速增加，灰分產(chǎn)生的背壓對進(jìn)氣充量的影響隨轉(zhuǎn)速上升而變大，因而灰分對柴油機(jī)中高轉(zhuǎn)速的排放特性影響更大。

圖7 不同灰分分布系數(shù)下轉(zhuǎn)速對排放和渦后排渦的影響(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

3.2 灰分對柴油機(jī)系統(tǒng)熱效率的影響

當(dāng)前柴油機(jī)的發(fā)展不僅需要滿足排放法規(guī)對污染物的限制要求，還需要控制碳排放，即提高柴油機(jī)熱效率。柴油機(jī)熱效率已經(jīng)不單指機(jī)內(nèi)熱效率，而是涵蓋后處理裝置的柴油機(jī)系統(tǒng)熱效率。由于灰分無法通過再生的方式進(jìn)行清除，隨著DPF工作時間的增加，灰分對柴油機(jī)背壓的影響逐漸增大。本研究中將柴油機(jī)和DPF視為整體，綜合分析了灰分對柴油機(jī)系統(tǒng)熱效率的影響。

選擇柴油機(jī)中等轉(zhuǎn)速(2 000 r/min)工況，研究灰分分布系數(shù)協(xié)同炭載量對柴油機(jī)原機(jī)熱效率的影響，如圖8所示。柴油機(jī)有效熱效率隨灰分分布系數(shù)增大而降低，炭載量增加時，柴油機(jī)系統(tǒng)熱效率隨灰分分布系數(shù)增大而下降的幅度增大?；曳址植枷禂?shù)小于0.6時炭載量對柴油機(jī)熱效率的影響相對較?。换曳址植枷禂?shù)大于0.6時柴油機(jī)熱效率隨炭載量增加迅速降低。

圖9為柴油機(jī)2 000 r/min、100%負(fù)荷條件下，DPF灰分量為33 g/L時，不同炭載量下灰分分布系數(shù)對柴油機(jī)有效燃油消耗率的影響。DPF無灰分加載時，柴油機(jī)有效燃油消耗率隨炭載量增加幾乎沒有變化?；曳至繛?3 g/L時，各灰分分布系數(shù)下柴油機(jī)有效燃油消耗率均隨炭載量增加而升高，且灰分分布系數(shù)越大，柴油機(jī)有效燃油消耗率隨炭載量增加而升高的幅度越大。將無灰分加載時的柴油機(jī)有效燃油消耗率作為基準(zhǔn)燃油消耗率，定義灰分量為33 g/L時不同灰分分布系數(shù)的有效燃油消耗率與基準(zhǔn)燃油消耗率之差為有效燃油消耗率增量。不同炭載量下有效燃油消耗率增量均隨灰分分布系數(shù)增加而上升，如圖10所示?；曳址植枷禂?shù)對柴油機(jī)有效燃油消耗率的影響不容忽視，尤其是較大的灰分分布系數(shù)會極大地增加柴油機(jī)有效燃油消耗率。

DPF內(nèi)灰分累積量不僅影響柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性，還直接影響DPF再生經(jīng)濟(jì)性。對于基于壓降的DPF再生控制策略而言，灰分沉積將會極大地影響主動再生時機(jī)的判斷。將DPF壓降為25 kPa作為觸發(fā)主動再生的判定依據(jù)，圖11為柴油機(jī)2 000 r/min、100%負(fù)荷時，不同灰分分布系數(shù)觸發(fā)再生時對應(yīng)的炭載量?；曳址植枷禂?shù)為0.2、0.3、0.4、0.5觸發(fā)再生時的炭載量分別為7.56 g/L、5.32 g/L、3.00 g/L、0.89 g/L。當(dāng)灰分分布系數(shù)大于0.5以后，即使DPF沒有碳煙加載也會一直處于主動再生狀態(tài)。若在炭載量6 g/L時觸發(fā)主動再生過程，則灰分分布系數(shù)0.2～0.8(間隔0.1)再生時對應(yīng)的DPF壓降分別為23.14 kPa、25.90 kPa、29.26 kPa、33.26 kPa、38.97 kPa、48.01 kPa、65.00 kPa(圖12)，其中灰分分布系數(shù)為0.6～0.8時壓降過大，將會嚴(yán)重影響柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程。若將炭載量 6 g/L、壓降25 kPa視為最佳再生時機(jī)，并將此時的再生頻率定義為1.0，灰分分布系數(shù)為0.2時再生頻率小于1.0，炭載量已超過安全的主動再生炭載量即 6 g/L，此時觸發(fā)主動再生過程將會有再生風(fēng)險?；曳址植枷禂?shù)為0.3的再生頻率比較接近理想再生頻率；繼續(xù)增大灰分分布系數(shù)，再生頻率急劇增加；當(dāng)灰分分布系數(shù)超過0.5后主動再生狀態(tài)將會一直處于激活狀態(tài)。因此，僅依靠壓降判斷主動再生時機(jī)的方法的精確度會隨灰分量增加而下降。

圖12 灰分分布系數(shù)對再生頻率的影響和DPF壓降(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

4 結(jié)論

(1) 灰分分布系數(shù)越大，DPF壓降和捕集效率越高，灰分分布系數(shù)超過0.6以后DPF壓降迅速升高。

(2) 灰分分布系數(shù)增大，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩、缸內(nèi)最高壓力及NOx排放量均下降，碳煙排放量升高，灰分分布系數(shù)對柴油機(jī)中高轉(zhuǎn)速工況影響更大。

(3) 灰分分布系數(shù)對柴油機(jī)系統(tǒng)熱效率影響的閾值為0.6，灰分分布系數(shù)大于0.6時會導(dǎo)致柴油機(jī)系統(tǒng)熱效率的影響迅速下降。

(4) 僅依靠DPF壓降對主動再生時刻進(jìn)行判定，其誤差會隨灰分量的增加而增大。