不同顆粒物分布對柴油機(jī)顆粒過濾器再生性能的影響

鐘玉偉 謝夏琳 魏 超 高 冉

(1. 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004)

0 前言

柴油機(jī)具有低燃油耗、高熱效率、高穩(wěn)定性和低CO排放等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域。柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)會排放大量的顆粒物，其排放量是具有相同功率汽油機(jī)的30～80倍，顆粒物排放不僅會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，還會對人類健康造成危害。

柴油機(jī)顆粒過濾器(DPF)被認(rèn)為是顆粒物排放后處理技術(shù)中最簡單有效的裝置，對顆粒物的過濾效率高達(dá)95%以上。目前，DPF的通道設(shè)計(jì)僅可容納有限的顆粒物。隨著顆粒物的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)背壓會逐漸升高，影響柴油機(jī)的燃油效率。為了恢復(fù)DPF的顆粒物過濾能力，通常用定期燃燒的方式來清除顆粒物，實(shí)現(xiàn)DPF再生。

DPF的再生技術(shù)主要有2種：① 通過添加催化劑來降低炭煙顆粒氧化溫度的被動(dòng)再生技術(shù)；② 通過外部能量供應(yīng)來提高排氣溫度的主動(dòng)再生技術(shù)。與被動(dòng)再生技術(shù)相比，主動(dòng)再生技術(shù)在再生效率、再生效果和再生穩(wěn)定性等方面更具優(yōu)勢，因此，主動(dòng)再生技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。在過濾顆粒物的過程中，廢氣在通道中流動(dòng)時(shí)受到排氣管、氧化催化器(DOC)和DPF封裝等結(jié)構(gòu)的影響，DPF內(nèi)部的廢氣流場和溫度場會產(chǎn)生一定的變化。如果DPF收集的炭煙顆粒在載體中分布不均勻，炭煙顆粒在燃燒時(shí)產(chǎn)生的局部高溫會導(dǎo)致DPF載體的熱應(yīng)力分布不均勻，從而造成DPF損壞。因此，要研究DPF內(nèi)部的炭煙顆粒分布狀況，探索影響DPF在再生過程中溫度場分布的相關(guān)因素，延長DPF的使用壽命。

目前，對DPF再生過程的研究大多集中在假設(shè)顆粒物為均勻分布的情況，對于顆粒物非均勻分布情況下的研究較少，相應(yīng)的研究方法也多采用臺架試驗(yàn)。由于試驗(yàn)儀器的局限性和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況的復(fù)雜性，無法準(zhǔn)確判斷DPF中顆粒物分布方式對再生性能的影響?；诖耍疚慕⒘薉PF三維模型，研究了不同顆粒物分布對DPF壓降、溫度和再生效率的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 三維網(wǎng)格模型

DPF主要由進(jìn)氣管路、濾芯和出氣管路3部分組成。本文選用壁流式碳化硅DPF，采用AVL-FIRE軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，仿真模型如圖1所示。進(jìn)氣道和出氣道的網(wǎng)格設(shè)置為5 mm，燃燒區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置為3 mm。DPF的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 DPF仿真模型

①為了符合本行業(yè)計(jì)量習(xí)慣，本文仍沿用部分非法定計(jì)量單位——編注。

表1 DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 顆粒物分布類型

柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，工況的變化和DPF的封裝結(jié)構(gòu)都會造成炭煙顆粒在孔道內(nèi)部分布不均勻。如圖2所示，顆粒物分布類型共有7種，分別為均勻分布型(類型一)，線性遞增分布型(類型二)，線性遞減分布型(類型三)，兩端分布型(類型四)，中間分布型(類型五)，前端均勻分布、后端線性遞減分布型(類型六)和前端線性遞增、后端均勻分布型(類型七)。

圖2 DPF的顆粒物分布類型

2 模型驗(yàn)證

為了確認(rèn)DPF再生模型的準(zhǔn)確性，對數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證。圖3為DPF再生模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比。在DPF的再生過程中，DPF內(nèi)部3個(gè)特征點(diǎn)的溫度模擬值與試驗(yàn)值的變化趨勢一致，其相對誤差值不超過5%。因此，本文所建立的再生模型可以較為準(zhǔn)確地模擬DPF的再生過程。

圖3 DPF模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

DPF再生模型求解過程中的相關(guān)參數(shù)和初始條件見表2。除了氧氣外，柴油機(jī)尾氣中能與顆粒物發(fā)生氧化反應(yīng)的氣體含量極少，可忽略不計(jì)，因此在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，可以將除氧氣外的其他氣體組分用氮?dú)鈦泶?。顆粒物中發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)主要是炭煙顆粒，可將單一的炭煙顆粒作為燃燒物質(zhì)來代替顆粒物。本文簡化了該模型的再生系統(tǒng)，對再生氣源和顆粒物進(jìn)行了簡化。

表2 DPF再生模型參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同顆粒物分布對壓降的影響

DPF再生過程中不同顆粒物分布對壓降的影響如圖4所示。雖然初始炭煙顆粒的沉積量相同，但由于顆粒物在DPF通道中的分布類型不同，其初始壓降也不同。其中，類型一的顆粒物分布初始壓降最高；類型七的顆粒物分布初始壓降最低。這是由于在DPF入口處的顆粒物較少，對氣體流動(dòng)阻力的影響較小。隨著DPF的再生，溫度升高會使氣體進(jìn)一步膨脹，炭煙顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，顆粒間碰撞概率增大，氣體黏度增加，氣體流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致DPF壓降升高。不同顆粒物的分布對DPF再生過程中的壓降有較大影響。在顆粒沉積量相同的情況下，顆粒物在均勻分布情況下能夠容納的顆粒數(shù)最多，再生過程中產(chǎn)生的溫度也更高，因此均勻分布的炭煙顆粒燃燒產(chǎn)生的壓降最高。

圖4 不同顆粒物分布對壓降的影響

3.2 不同顆粒物分布對溫度的影響

導(dǎo)致DPF被損壞的最主要因素是DPF再生過程中過高溫度。溫度過高容易使DPF多孔載體融化，使其喪失多孔吸附性，無法達(dá)到過濾顆粒物的目的，因此，在DPF再生過程中，研究不同顆粒物分布引起的溫度變化至關(guān)重要。圖5示出了DPF再生過程中不同顆粒物分布情況下DPF內(nèi)部平均溫度和峰值溫度變化情況。DPF入口處顆粒物越多，導(dǎo)致DPF內(nèi)部平均溫度越高，達(dá)到峰值溫度的時(shí)間也越短。隨著炭煙顆粒聚集量增多，產(chǎn)生的溫度急劇升高。越靠近DPF入口處，DPF再生時(shí)間也越短。對比類型二和類型三，當(dāng)顆粒物呈線性分布時(shí)，類型三的峰值溫度比類型二出現(xiàn)得更早，峰值溫度更高。這是因?yàn)榭拷麯PF入口處的顆粒物越多，DPF再生的時(shí)間越短，產(chǎn)生的溫度也越高。隨著氣體的流動(dòng)，熱量傳遞到DPF后半段，導(dǎo)致DPF的峰值溫度升高。對比類型四和類型五，由于類型四在DPF入口處的顆粒物分布比類型五的多，其峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間更早；類型五在DPF中間位置所容納的顆粒物數(shù)量比類型四多，其峰值溫度會更高。相同的顆粒物分布類型，DPF內(nèi)部峰值溫度基本相同，僅是達(dá)到溫度峰值的時(shí)間不同。這是由于DPF前后端顆粒物分布不均造成的，顆粒物堆積越多，且離DPF入口處越近，達(dá)到峰值溫度的時(shí)間就越短，反之亦然。

圖5 不同顆粒物分布對平均溫度和峰值溫度的影響

圖6 7種分布類型顆粒物的燃燒溫度場

圖6為不同顆粒物分布類型在DPF各個(gè)部位及不同時(shí)段的內(nèi)部溫度場示意圖。類型一均勻分布的顆粒物燃燒并未在一開始就產(chǎn)生高溫，而是由流動(dòng)的氣體將不斷積累的熱量向后端傳遞。當(dāng)燃燒至150 s時(shí)，DPF中后部產(chǎn)生了高溫。類型二的顆粒物在燃燒至150 s時(shí)，大部分顆粒物開始燃燒；燃燒至200 s時(shí)，顆粒物在DPF濾芯末端產(chǎn)生了局部高溫。類型三的顆粒物在燃燒至150 s時(shí)，大部分顆粒物開始發(fā)生劇烈燃燒，最高溫度達(dá)1 072.2 K。類型四的顆粒物在燃燒至100 s時(shí)，DPF入口處的氧化反應(yīng)已經(jīng)相對劇烈，但由于DPF中間位置的顆粒物較少，其溫度并未顯著提升，維持原溫度不變，當(dāng)熱量傳遞到DPF后半部，隨著顆粒物增多，氧化反應(yīng)加劇，最高溫度出現(xiàn)在DPF末端。類型五的顆粒物在過濾器中部位置較多，氧化反應(yīng)反而要吸收更多的熱量，因此，最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間會更晚，約在燃燒至250 s時(shí)才出現(xiàn)。在DPF前端，類型六的顆粒物比類型七的多，類型六的顆粒物在燃燒至150 s時(shí)的燃燒速度最高，而類型七的顆粒物則在燃燒至200 s時(shí)的燃燒速度最高。

3.3 不同顆粒物分布對炭煙密度的影響

圖7為DPF再生過程中不同顆粒物分布對炭煙密度的影響。假設(shè)初始炭煙質(zhì)量相同，但由于DPF內(nèi)顆粒物分布不均勻，不同顆粒物分布類型的初始炭煙密度也不同。

圖7 不同顆粒物分布對炭煙密度的影響

圖8 7種顆粒物分布類型在燃燒過程中的炭煙密度

圖8示出了不同顆粒物分布類型情況下DPF內(nèi)部炭煙密度隨再生時(shí)間變化的情況。類型一，由于氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被氣體不斷地傳遞到DPF后端，DPF末端炭煙顆粒燃燒得更迅速、更充分，此時(shí)DPF前端的炭煙顆粒還未燃燒完成。類型二，呈線性遞增分布的顆粒物類型中，在DPF末端的炭煙密度最高，為19.302 g/L。雖然DPF末端的炭煙密度更高，但DPF末端的炭煙顆粒在250 s時(shí)就已經(jīng)完全燃燒，而DPF中段的炭煙顆粒在300 s時(shí)還未完全燃燒。類型三，呈線性遞減分布的顆粒物類型中，DPF入口處的炭煙密度最高，但由于入口處的熱量不斷被排氣流帶走，因此炭煙顆粒在DPF入口處的燃燒最慢。類型四，呈中間分布的顆粒物類型在DPF端面位置的密度最高。當(dāng)最低值處于DPF中段位置時(shí)，其在DPF入口處和出口處的炭煙密度為25.955 g/L，此時(shí)炭煙顆粒在DPF中段位置極少甚至沒有。在燃燒的前200 s，DPF入口處的炭煙顆粒燃燒更迅速，但在DPF末端的炭煙顆粒燃燒速率更快，超過了入口處炭煙顆粒的燃燒速度。因?yàn)镈PF入口處聚集的大量炭煙顆粒在達(dá)到再生溫度時(shí)會劇烈燃燒，產(chǎn)生的熱量被迅速傳遞到DPF末端，而入口處的顆粒物燃燒卻未完成，導(dǎo)致DPF末端的顆粒物燃燒速度大幅提升，超過了入口處的炭煙燃燒速度。類型五，當(dāng)顆粒物都堆積在DPF中段時(shí)，炭煙密度達(dá)到14.988 g/L，此時(shí)DPF入口處的炭煙顆粒燃燒最慢。類型六顆粒物在DPF入口處的燃燒速率最慢，而類型七顆粒物則在DPF中段的燃燒速率最慢。

4 結(jié)論

通過DPF再生過程中不同顆粒物分布對壓降、溫度和炭煙密度等因素的影響分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)采用不同的顆粒物分布方式能夠降低DPF再生過程中的壓降，其中均勻分布顆粒物燃燒產(chǎn)生的壓降最高。

(2)DPF內(nèi)部堆積的炭煙顆粒越靠近入口處，DPF內(nèi)部平均溫度越高，達(dá)到峰值溫度的時(shí)間也越短。

(3)相同顆粒物分布類型僅導(dǎo)致DPF峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間有差異，不會對峰值溫度產(chǎn)生影響。

(4)由于燃燒產(chǎn)生的熱量會傳遞至DPF末端，無論采用何種顆粒物分布類型，都會導(dǎo)致DPF末端的顆粒物燃燒速度大于DPF前端。