孟忠偉，覃宗勝，付 銳

(西華大學交通與汽車工程學院汽車測控與安全四川省重點實驗室，四川 成都 610039)

柴油機微粒捕集器正常工作中需要加入能量脈沖使捕集到的顆粒物燃燒掉，實現(xiàn)捕集器的再生，從而使排氣背壓始終維持在正常范圍內(nèi)［1－2］.加入的能量脈沖會使得過濾體內(nèi)部溫度急劇升高，造成較大的壁面溫度梯度.而較高的溫度梯度則會使過濾體壁面熱應力過大，導致熱應力失效，安全的溫度梯度范圍［3］為 ＜7500 K·m－1.過濾體的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化會引起過濾體內(nèi)部溫度分布變化，在再生中所承受的熱負荷也有差異［4］;再生能量脈沖的溫升、最大值、持續(xù)時間對過濾體的傳熱性能也有顯著的影響［5］.目前數(shù)值研究被廣泛采用以研究過濾體內(nèi)部的傳熱特性［6－9］，唐君實等［8］研究了來流流量對過濾體再生時壁面溫度梯度的影響，但并未研究在再生溫度脈沖條件下對壁面溫度梯度的影響;Zheng Ming等［9］研究了存在再生溫度脈沖時有微粒沉積的捕集器內(nèi)部溫度場分布和微粒層再生特性，但未對壁面溫度梯度進行關(guān)注.筆者基于上述研究成果，采用數(shù)值研究的方法在一定的流量條件下針對無微粒沉積的過濾體，研究過濾體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔目數(shù)(CPSI)、壁面厚度δw、過濾體長度L、導熱系數(shù)λ)和再生條件(再生持續(xù)期td、最高再生溫度Tmax)對過濾體再生時內(nèi)部壁面溫度梯度極值(dT/dx)max的影響規(guī)律，為優(yōu)化再生控制策略以及過濾體再生匹配問題［3，10］的研究提供理論基礎(chǔ).

1 數(shù)學模型與計算結(jié)果

1.1 數(shù)學模型及計算參數(shù)

采用的數(shù)學模型見文獻［6］.模型中所用的固定計算參數(shù):過濾體直徑D=144 mm;過濾介質(zhì)的比阻γw=1.8×1014m－2;通道內(nèi)摩擦阻力因數(shù)f=28.454;來流流量為25 g·s－1;氣體動力黏性系數(shù)μ=2.87×10－5kg·m－1·s－1.模型中所用的可變計算參數(shù):過濾體孔目數(shù)CPSI=100～350個;通道壁面厚度δw=0.1～0.6 mm;過濾體長度L=120～420 mm;導熱系數(shù)λ=0.5～20.0 W·(m·K)－1;再生持續(xù)期td=40～80 s;最高再生溫度Tmax=773～973 K.

在數(shù)值計算中使用的溫度脈沖參考文獻［6］.溫度脈沖設定為15 s時刻起升溫，經(jīng)過10 s到達最高再生溫度Tmax，持續(xù)一定時間td后，再由最高溫度Tmax下降至發(fā)動機正常排氣溫度(573 K)，溫度下降時間為15 s.過濾體的初始溫度也設定為573 K.

1.2 計算結(jié)果與分析

1.2.1 CPSI的影響

改變CPSI參數(shù)得到對過濾體壁面溫度梯度極值的影響如圖1所示.隨著CPSI的增大，第1，2波峰增加幅度明顯加劇，但發(fā)生時刻基本不變;第1波峰在CPSI≥250個時成為最大波峰;第3波峰同樣逐漸增大，發(fā)生時刻向后移動;第4波峰在數(shù)值上變化不明顯，發(fā)生時刻也逐漸向后移動.分析其原因可知:隨著CPSI的增加，會使得過濾體通道面積變小，溫度脈沖更容易使熱量聚積在過濾體前端，所以導致第1，2波峰上升加劇;同時，隨著CPSI的增加，過濾體的實際體積增加，導致傳熱變慢，所以由于傳熱引起的第3，4波峰發(fā)生時刻向后移動.

圖1 CPSI對(dT/dx)max的影響

溫度梯度極值隨CPSI的變化關(guān)系如圖2所示，(dT/dx)max隨著CPSI的增加而增加，基本呈線性變化關(guān)系.增加CPSI可以增加過濾體的過濾面積，但同時也增加了過濾體在相同溫度脈沖條件下的壁面熱應力.

圖2 (dT/dx)max隨CPSI的變化關(guān)系

1.2.2 壁面厚度δw的影響

壁面厚度δw對(dT/dx)max的影響如圖3所示，當δw＜0.3 mm時，最高溫度梯度為第4波峰，出現(xiàn)在過濾體后端;隨著δw增加，最高溫度梯度隨之下降，第4波峰值減小，第3波峰值成為最大值;δw的改變對第1，2波峰的影響很弱，因為其產(chǎn)生是由溫度脈沖造成的，壁面厚度的增加對溫度梯度極值的影響不明顯.隨著δw的增加，其吸收熱量的能力提高，使得過濾體內(nèi)部的熱量傳遞能力有所改善，溫度分布趨于均勻，同時也使得第3，4波峰的出現(xiàn)時刻明顯滯后.

圖3 壁面厚度δw對(dT/dx)max的影響

(dT/dx)max隨壁面厚度δw的變化關(guān)系如圖4所示，當 δw＜0.3 mm 時，(dT/dx)max隨 δw的增大而減小，且變化顯著，而當δw≥0.3 mm時，(dT/dx)max隨δw的變化趨于平坦.分析其原因可知:當壁面厚度較小時，熱量將很快地傳遞到過濾體末端，導致在冷卻期使得第3，4波峰值較大，最大值可以大于12000 K·m－1，已超過過濾體的安全使用范圍;而當壁面厚度增大后，傳遞到過濾體末端的熱量減小，導致在冷卻期第3，4波峰值都減小.當δw≥0.3 mm時，第3，4波峰值均小于第1波峰值，此時的溫度梯度極值在溫度脈沖的升溫期產(chǎn)生;且隨δw的增大(dT/dx)max幾乎無明顯變化.因此，在過濾體壓降允許的情況下，應適當增大壁面厚度，有利于在溫度脈沖時，降低過濾體壁面溫度梯度，減小壁面熱應力.

圖4 (dT/dx)max隨壁面厚度δw的變化關(guān)系

1.2.3 過濾體長度L的影響

過濾體長度L對(dT/dx)max的影響如圖5所示，當過濾體長度L≤0.18 m時，第4波峰為最大溫度梯度峰;L越小，傳熱距離短，能量傳遞越快，溫度變化也就越劇烈.當過濾體長度L≥0.18 m時，第3波峰為最大溫度梯度峰，此時溫度梯度極值出現(xiàn)在過濾體末端;當L≥0.30 m時，第3波峰值將小于第1波峰值，此時的溫度梯度極值出現(xiàn)在過濾體前端，由溫度脈沖的升溫引起的，過濾體長度的變化對溫度梯度極值的影響減小.此外，隨L的增加，傳熱距離增加，壁面的溫度變化緩慢，且溫度梯度峰的出現(xiàn)時間都相應的滯后.

圖5 過濾體長度L對(dT/dx)max的影響

(dT/dx)max隨過濾體長度L的變化關(guān)系如圖6所示，當L＜0.30 m時，隨L的增大，溫度梯度極值迅速下降;而在L≥0.30 m時，如上所述，第1波峰成為溫度梯度的極值峰，L繼續(xù)增加對溫度梯度極值的影響不明顯.過濾體長度增加，體積將增加，有利于過濾體吸收溫度脈沖的能量，同時也使得過濾體內(nèi)部熱量傳遞趨于緩慢，壁面溫度趨于均勻，有利于降低過濾體壁面溫度梯度.

圖6 (dT/dx)max隨過濾體長度L的變化關(guān)系

1.2.4 導熱系數(shù)λ的影響

導熱系數(shù)λ數(shù)值的大小反應了材料的傳熱性能的好壞.導熱系數(shù)λ對(dT/dx)max的影響如圖7所示，隨著λ增大，第1，2波峰峰值下降不明顯，第3，4波峰明顯下降.隨著導熱系數(shù)的增大，能量在更短時間內(nèi)傳遞到后端，使得各個峰值發(fā)生時刻都不同程度的提前，并且使得壁面溫度更加均勻的分布，從而使過濾體后端的溫度梯度下降，降低了第3，4波峰值.

(dT/dx)max隨導熱系數(shù)λ的變化關(guān)系如圖8所示，當λ≤1.0 W·(m·K)－1時，隨著λ增加，溫度梯度極值迅速下降;當λ＞1.0 W·(m·K)－1時，隨著λ的增加，溫度梯度極值近似呈線性減小.從圖7，8可以看出，選取傳熱性能好的材料將有利于降低過濾體壁面溫度梯度.

圖7 導熱系數(shù)λ對(dT/dx)max的影響

圖8 (dT/dx)max隨導熱系數(shù)λ的變化關(guān)系

1.2.5 再生持續(xù)期td的影響

再生持續(xù)時間td對(dT/dx)max的影響如圖9所示，當td≤50 s時，第1波峰為最大波峰;當td＞50 s時，第3波峰為最大波峰，溫度梯度極值發(fā)生在過濾體末端;第1，2波峰在數(shù)值上基本不隨td的變化而變化;由于溫度脈沖延長，將導致第2波峰出現(xiàn)時刻向后推延，主要是由于溫度脈沖期的降溫開始時刻延后造成的;由于td增加，使得進入過濾體內(nèi)部的能量增多，使得第3，4波峰值整體提高，同時其發(fā)生時刻也略有滯后.

圖9 再生持續(xù)時間td對(dT/dx)max的影響

溫度梯度極值隨再生持續(xù)時間td的變化關(guān)系如圖10所示，當td≤50 s時，(dT/dx)max的大小主要由溫度脈沖的升溫所引起的，因此溫度梯度極值基本不變;而當td＞50 s時，(dT/dx)max隨td增大呈線性增加;此時，第3波峰成為最大溫度梯度極值峰;td的增加將導致過濾體吸收的熱量增大，因此傳遞到末端的熱量也增加，從而使得溫度梯度極值也增大.

圖10 (dT/dx)max隨再生持續(xù)時間td的變化關(guān)系

1.2.6 最高再生溫度Tmax的影響

最高再生溫度Tmax對(dT/dx)max的影響如圖11所示，從773 K到973 K逐漸提高再生溫度，溫度梯度極值整體升高，當再生溫度Tmax≤923 K時，第3波峰為最大值;當Tmax繼續(xù)增大，第1波峰變?yōu)樽畲笾?再生溫度的改變對波峰發(fā)生時刻基本無影響.在其他參數(shù)不變的情況下，隨Tmax的增大，過濾體吸收的熱量增加，壁面溫度增加，同時溫度梯度也增加.隨Tmax的增大，溫度梯度極值呈線性增加，如圖12所示.

圖11 最高再生溫度Tmax對(dT/dx)max的影響

圖12 (dT/dx)max隨再生溫度Tmax的變化關(guān)系

2 結(jié)論

1)增加過濾體CPSI，過濾體內(nèi)部溫度梯度波峰發(fā)生時刻將逐漸滯后;同時，內(nèi)部溫度梯度極值(dT/dx)max隨CPSI的增大近似呈線性關(guān)系.

2)當壁面厚度δw＜0.3 mm時，隨δw的增大，(dT/dx)max迅速下降;而當 δw≥0.3 mm 時，(dT/dx)max無明顯變化.

3)隨過濾體長度L的增加，(dT/dx)max逐漸減小，在L＜0.30 m時變化明顯，而當L≥0.30 m后，長度的變化將對(dT/dx)max的影響不太明顯.

4)當導熱系數(shù) λ＜1.0 W·(m·K)－1時，(dT/dx)max隨λ的增大而減小且變化顯著;而當λ≥1.0 W·(m·K)－1時，隨 λ 的增大(dT/dx)max近似線性減小;隨λ的增大，過濾體內(nèi)部傳熱性能變好，溫度梯度逐漸下降.

5)隨著再生持續(xù)時間td的增加，進入過濾體內(nèi)部的熱量增加，導致(dT/dx)max逐漸增加.

6)隨最高再生溫度Tmax的增加，(dT/dx)max與Tmax近似呈線性關(guān)系.

References)

［1］Huynh C T，Johnson J H，Yang S L，et al.A one-dimensional computational model for studying the filtration and regeneration characteristics of a catalyzed wall-flow diesel particulate filter［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2003－01－0841.

［2］蔡憶昔，吳江霞，趙衛(wèi)東，等.非平衡等離子體處理柴油機有害排放［J］.江蘇大學學報:自然科學版，2005，26(2):121－124.Cai Yixi，Wu Jiangxia，Zhao Weidong，et al.Reduction of particulate and nitric oxide from vehicle diesel engine using plasma and DPF ［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2005，26(2):121－124.(in Chinese)

［3］龔金科，伏 軍，龍 罡，等.汽車尾氣微粒過濾器噴油助燃再生控制策略研究［J］.環(huán)境工程學報，2011，5(7):1603－1608.Gong Jinke，F(xiàn)u Jun，Long Gang，et al.Study on rege neration strategy for a burner-type diesel particulate filter of automobiles［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2011，5(7):1603 －1608.(in Chinese)

［4］Merkel G A，Beall D M，Hickman D L，et al.Effects of microstructure and cell geometry on performance of cordierite diesel particulate filters［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2001－01－0193.

［5］胡 毅，李孟良，李 軍，等.柴油車排氣后處理裝置性能試驗研究［J］.汽車工程，2010，32(5):451－454.Hu Yi，Li Mengliang，Li Jun，et al.An experimental study on the performance of exhaust aftertreatment devices in diesel vehicle［J］.Automotive Engineering，2010，32(5):451 －454.(in Chinese)

［6］Bissett E J，Kostoglou M，Konstandopoulos A G.Frictional and heat transfer characteristics of flow in square porous tubes of wall-flow monoliths［J］.Chemical Engineering Science，2012，84:255 －265.

［7］Konstandopoulos A G，Kostoglou M，Lorentzou S，et al.Aspects of multifunctional diesel particulate filters and their efficient simulation ［J］.Catalysis Today，2012，188(1):2－13.

［8］唐君實，宋 薔，徐小波，等.來流參數(shù)對DPF熱再生過程的影響［J］.燃燒科學與技術(shù)，2010，16(3):225－229.Tang Junshi，Song Qiang，Xu Xiaobo，et al.Influence of incoming flow conditions on DPF thermal regeneration［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2010，16(3):225－229.(in Chinese)

［9］Zheng Ming，Wang Dong，Reader G T.Boundary layer enhanced thermal recuperation for diesel particulate filter regeneration under a periodic flow reversal operation［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2005－01－0951.

［10］姜大海，寧 智，姚廣濤，等.柴油機顆粒捕集器再生時機的研究［J］.汽車工程，2012，34(2):109 －115.Jiang Dahai，Ning Zhi，Yao Guangtao，et al.A study on the right moment for the regeneration of diesel particulate filter［J］.Automotive Engineering，2012，34(2):109 －115.(in Chinese)