肖鴿， 田華， 隆武強(qiáng)

(大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 大連 116024)

隨著排放法規(guī)的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放限制越來(lái)越嚴(yán)格，尤其是歐六、國(guó)六出臺(tái)后，顆粒捕集器成為柴油機(jī)、直噴汽油機(jī)后處理系統(tǒng)的標(biāo)配[1]。目前顆粒捕集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一是降低壓降[2-3]，因此不少制造商提出了非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)顆粒捕集器,康寧和NGK公司在用的捕集器已經(jīng)以非對(duì)稱結(jié)構(gòu)為主。美國(guó)康寧公司的做法是采用進(jìn)口孔道直徑比出口孔道直徑大的方形非對(duì)稱結(jié)構(gòu)來(lái)控制捕集器壓降升高率[4-5]。日本揖斐電公司開(kāi)發(fā)了“OS”結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是將進(jìn)口孔道設(shè)計(jì)成八邊形，出口孔道是方形[6]；在此基礎(chǔ)上，揖斐電公司進(jìn)一步提出了“VPL”結(jié)構(gòu)，將其中1個(gè)八邊形孔道作為出口孔道， 其余孔道作為進(jìn)口孔道，碳載量比“OS”結(jié)構(gòu)提高了16%左右[7]。日本住友化學(xué)開(kāi)發(fā)了六邊形孔道顆粒捕集器，已經(jīng)投入批量生產(chǎn)；但這種結(jié)構(gòu)存在1個(gè)缺點(diǎn)是2個(gè)相鄰進(jìn)口孔道之間的過(guò)濾壁面過(guò)濾速度較小，此類(lèi)型過(guò)濾壁面利用率不高[8]。德國(guó)清潔陶瓷柴油機(jī)公司提出了一種三角形孔道顆粒捕集器，與方形對(duì)稱孔道相比，能夠提高部分過(guò)濾面積，但無(wú)法增加進(jìn)口孔道容積[9]。目前國(guó)內(nèi)尚未提出具有代表性的非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)，趙昌普等[10-11]對(duì)方形及六邊形非對(duì)稱孔道的壓降及微粒沉積特性進(jìn)行了研究，龔金科等[12]研究了八邊形非對(duì)稱孔道的工作特性, 李志軍等[13]研究了方形非對(duì)稱孔道內(nèi)的流場(chǎng)及壓力分布情況。國(guó)內(nèi)外研究表明非對(duì)稱結(jié)構(gòu)是控制過(guò)濾體背壓升高率、延長(zhǎng)清灰里程最有效的措施之一。

本文提出了一種新型非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)，其孔道橫截面形狀由六邊形、矩形及三角形組成，因此給新型非對(duì)稱孔道命名為“HRT”結(jié)構(gòu)?！癏RT”結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于：1)避免出現(xiàn)類(lèi)似其他非對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)口孔道部分過(guò)濾壁面相鄰的情況，過(guò)濾壁面利用率達(dá)100%，降低壁面滲透速度；2)有效提高進(jìn)口孔道開(kāi)孔率，增加捕集器的過(guò)濾容積，加強(qiáng)灰分儲(chǔ)存能力，延長(zhǎng)清灰里程；3)增加過(guò)濾面積，在同等碳煙量情況下，累積在捕集器過(guò)濾壁面上的碳煙厚度將減小，降低背壓升高率；4)能夠根據(jù)需求任意調(diào)整進(jìn)口孔道容積和出口孔道容積的占比，市場(chǎng)適應(yīng)性高。本文通過(guò)對(duì)“HRT”結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，對(duì)比分析了流場(chǎng)特性和壓降特性。

1 數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

1.1 孔道結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的顆粒捕集器結(jié)構(gòu)主要是方形對(duì)稱孔道和方形非對(duì)稱孔道，其結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖如圖1(a)、(b)所示?！癏RT”非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的孔道橫截面形狀由六邊形、矩形和三角形組成，其中六邊形、三角形孔道作為進(jìn)口孔道，矩形孔道作為出口孔道， “HRT”非對(duì)稱孔道的橫截面結(jié)構(gòu)示意如圖1(c)所示。圖中虛線框?yàn)檫x取的對(duì)稱邊界計(jì)算單元。

圖1 橫截面結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the cross section

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 “HRT”非對(duì)稱孔道數(shù)學(xué)模型

為了便于理解整個(gè)建模過(guò)程，圖2給出了“HRT”結(jié)構(gòu)計(jì)算單元的部分關(guān)鍵建模參數(shù)示意圖。

圖2 計(jì)算單元建模參數(shù)示意Fig.2 Diagram of modeling parameters

流體在孔道內(nèi)流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，具體如下所示：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

(2)

(3)

式中：t表示時(shí)間；ρg表示流體密；u1表示六邊形進(jìn)口孔道速度；u2表示三角形進(jìn)口孔道速度；u3表示方形出口孔道速度；vw13表示六邊形過(guò)濾壁面表面滲透速度；vw23表示三角形過(guò)濾壁面的表面滲透速度；v31表示六邊形至方形方向的出口孔道壁面表面滲透速度；v32表示三角形至方形方向的出口孔道壁面表面滲透速度；C1(t)表示六邊形進(jìn)口孔道濕周；C2(t)表示三角形進(jìn)口孔道濕周；C31表示六邊形至方形方向的出口孔道壁面濕周；C32表示三角形至方形方向的出口孔道壁面濕周；A1(t)表示六邊形進(jìn)口孔道實(shí)時(shí)橫截面積；A2(t)表示三角形進(jìn)口孔道實(shí)時(shí)橫截面積；A3表示方形出口孔道橫截面積。

動(dòng)量守恒方程[14]：

(F1μ+ρgvw13C1(t))

(4)

(F2·μ+ρgvw23C2(t))

(5)

(6)

式中：p1表示六邊形進(jìn)口孔道靜壓；p2表示三角形進(jìn)口孔道靜壓；p3表示方形出口孔道靜壓；μ表示氣體粘性系數(shù)；F1表示六邊形進(jìn)口孔道摩擦系數(shù)；F2表示三角形進(jìn)口孔道摩擦系數(shù)；F3表示方形出口孔道摩擦系數(shù)。

滲透速度方程[15]：

(7)

(8)

式中：Ww表示潔凈壁面厚度；Ws1表示六邊形孔道濾餅層厚度；Ws2表示三角形孔道濾餅層厚度；kw表示過(guò)濾壁面滲透率；ks表示濾餅層滲透率。

濾餅層厚度方程：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：φ表示氣流中顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρs表示顆粒物密度；mdeep1表示六邊形孔道壁面深層捕集的最大顆粒物量；mdeep2表示三角形孔道壁面深層捕集的最大顆粒物量。

濕周方程：

(13)

(14)

式中：C1表示六邊形孔道潔凈壁面時(shí)的濕周；C2表示三角形孔道潔凈壁面時(shí)的濕周。

進(jìn)口孔道橫截面積方程：

(15)

(16)

式中：A1表示六邊形孔道潔凈壁面下的橫截面積；A2表示三角形孔道潔凈壁面下的橫截面積。

邊界條件：

p3(L)=0,u1(0)=u2(0)=u0

(17)

式中：p3(L)表示出口孔道出口截面壓力；u1(0)、u2(0)表示進(jìn)口孔道進(jìn)口截面速度。

1.2.2 方形孔道數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量守恒方程：

(18)

(19)

式中：u1表示進(jìn)口孔道速度，u2表示出口孔道速度；vw12表示進(jìn)口孔道壁面的表面滲透速度；vw21表示出口孔道壁面的表面滲透速度；C1(t)表示進(jìn)口孔道壁面濕周；C2表示出口孔道壁面濕周；A1(t)表示進(jìn)口孔道實(shí)時(shí)橫截面積，A2表示出口孔道橫截面積。

動(dòng)量守恒方程[14]：

(F1μ+ρgvw12C1(t))

(20)

(21)

式中：p1表示進(jìn)口孔道靜壓；p2表示出口孔道靜壓；F1表示進(jìn)口孔道摩擦系數(shù)；F2表示出口孔道摩擦系數(shù)。

滲透速度方程[15]：

(22)

式中：Ww表示潔凈壁面厚度；Ws表示濾餅層厚度。

濾餅層厚度方程：

(23)

(24)

式中mdeep表示深層捕集的最大顆粒物量。

濕周方程：

C1(t)=C1-2Ws

(25)

式中C1表示潔凈壁面時(shí)的濕周。

進(jìn)口孔道橫截面積方程：

(26)

式中A1表示進(jìn)口孔道潔凈壁面時(shí)的橫截面積。

邊界條件：

p2(L)=0,u1(0)=u0

(27)

式中：p2(L)表示出口孔道出口截面壓力；u1(0)表示進(jìn)口孔道進(jìn)口截面速度。

1.3 模型驗(yàn)證

由于“HRT”非對(duì)稱孔道包含六邊形、方形、三角形孔道結(jié)構(gòu)，因此分別參考六邊形結(jié)構(gòu)[8]、方形結(jié)構(gòu)[14]、三角形結(jié)構(gòu)[9]顆粒捕集器的試驗(yàn)值進(jìn)行模型標(biāo)定和驗(yàn)證。六邊形和三角形結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型基于方形孔道數(shù)學(xué)模型修正濕周方程和進(jìn)口孔道橫截面積方程得到。圖3是3種類(lèi)型顆粒捕集器的壓降試驗(yàn)值和計(jì)算值對(duì)比?？梢钥吹剑罱ǖ臄?shù)學(xué)計(jì)算模型能夠精確的預(yù)測(cè)捕集器內(nèi)壓降的變化情況，滿足六邊形、方形和三角形孔道結(jié)構(gòu)的要求。

圖3 計(jì)算模型驗(yàn)證Fig.3 Verification of computational model

1.4 邊界條件

圖4是“HRT”非對(duì)稱孔道顆粒捕集器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。計(jì)算的顆粒捕集器體積為2.47 L，其中捕集器材質(zhì)為碳化硅，尺寸為144 mm×152 mm，孔道壁厚為0.304 8 mm，適用于排量為1.6～1.9 L的發(fā)動(dòng)機(jī)。在額定工況下該排量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量大概為0.06 kg/s，排氣溫度大致在250 ℃，碳煙密度為91 kg/m3，因此在計(jì)算過(guò)程中以上述參數(shù)作為排氣的基準(zhǔn)狀態(tài)。過(guò)濾體的孔隙率為48%，壁面滲透速率為10-12m2，濾餅層滲透率為10-14m2[14,16]。

圖4 “HRT”過(guò)濾體結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structural schematic diagram of "HRT" filter

2 “HRT”孔道的a∶b比例優(yōu)化

計(jì)算了排氣流量都為0.06 kg/s、孔道目數(shù)都為171目下 “HRT”非對(duì)稱孔道HRT2.0、HRT2.5、HRT3.0、HRT3.5(系數(shù)代表“HRT”結(jié)構(gòu)三角形孔道邊長(zhǎng)a和六邊形孔道邊長(zhǎng)b之比)的壓降和流動(dòng)特性。

2.1 不同a∶b比例下的壓降和流動(dòng)特性

圖5是不同a∶b比例下的總壓降對(duì)比。結(jié)果表明 HRT3.0結(jié)構(gòu)的總體壓降性能最好。比例比3.0小時(shí)，前期壓降性能較好，因?yàn)?.0、2.5比例下出口孔道容積比3.0大，摩擦損失更小；比例比3.0大時(shí)，其過(guò)濾壁面表面積增加了，但出口孔道容積較小，因此出現(xiàn)初始?jí)航递^大，但壓降升高率減小的現(xiàn)象。

HRT3.0結(jié)構(gòu)壓降性能最好的原因在于：除HRT3.0結(jié)構(gòu)外，其余a∶b比例下三角形和六邊形進(jìn)口孔道的孔道容積與過(guò)濾面積之比存在差異，導(dǎo)致六邊形進(jìn)口孔道和三角形進(jìn)口孔道氣流分布均勻性不一致，出現(xiàn)六邊形或三角形孔道的進(jìn)口孔道速度偏大的現(xiàn)象，從而帶來(lái)更大的濾餅層及孔道壁面壓降。以HRT2.0和HRT3.0為例，圖6中可以看到HRT2.0結(jié)構(gòu)的六邊形和三角形進(jìn)口孔道的速度分布存在明顯偏差，HRT2.0結(jié)構(gòu)中三角形進(jìn)口孔道速度偏大，只有a∶b比例為3.0時(shí)六邊形和三角形進(jìn)口孔道速度保持完全一致。

圖6 HRT2.0/3.0進(jìn)口孔道速度分布Fig.6 Inlet channel velocity distributions of HRT2.0 and HRT3.0

2.2 不同a∶b比例下的孔道內(nèi)碳煙分布特性

氣流分布不均勻同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致捕集器內(nèi)碳煙顆粒分布不均勻，再生過(guò)程中較容易出現(xiàn)熱應(yīng)力不均的情況，損壞捕集器。如圖7所示，在碳載量為8 g/L時(shí)HRT2.0結(jié)構(gòu)的三角形孔道和六邊形孔道的碳煙濾餅層厚度存在明顯差異，而HRT3.0結(jié)構(gòu)兩類(lèi)孔道碳煙分布基本完全一致?？梢钥吹奖M管HRT2.0結(jié)構(gòu)的三角形進(jìn)口孔道速度偏大，但其濾餅層厚度反而低于六邊形孔道，這是因?yàn)檫M(jìn)氣量的差異不足以彌補(bǔ)孔道容積與過(guò)濾面積之比的差距。

圖7 HRT2.0/3.0碳煙濾餅層分布Fig.7 Soot layer distributions of HRT2.0 and HRT3.0

綜上所述，當(dāng)a∶b=3.0時(shí)“HRT”非對(duì)稱孔道的壓降最小，且整體流場(chǎng)分布最均勻，即六邊形和三角形進(jìn)口孔道內(nèi)在單位容積上的進(jìn)氣流量和碳煙分布基本保持一致。因此，a∶b的最佳比例為3.0。

3 捕集器的壓降和流動(dòng)特性

3.1 捕集器結(jié)構(gòu)特性對(duì)比

表1是基于1.4節(jié)邊界條件的前提下計(jì)算得到的HRT3.0、方形對(duì)稱孔道(SQ)、方形非對(duì)稱孔道(SQ1.4)3種結(jié)構(gòu)的孔道結(jié)構(gòu)特性。本文選取的方形非對(duì)稱孔道非對(duì)稱度為1.4，即進(jìn)口孔道邊長(zhǎng)與出口孔道邊長(zhǎng)之比為1.4。非對(duì)稱度選用1.4的原因是該值接近方形非對(duì)稱孔道的極限值，繼續(xù)增加則對(duì)角進(jìn)口孔道會(huì)互相貫通，代表了方形非對(duì)稱孔道所能優(yōu)化的最佳值。由于HRT3.0的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其孔道目數(shù)只能是單數(shù)，在本文中選取的孔道目數(shù)為171目，為了便于比較，SQ和SQ1.4選取的目數(shù)為172目。

表1 孔道結(jié)構(gòu)特性Table 1 Channel structural characteristics

從表1中可以看到，3種結(jié)構(gòu)進(jìn)口孔道壁面面積從大到小依次為：SQ1.4、HRT3.0、SQ。HRT3.0結(jié)構(gòu)的進(jìn)口孔道表面積僅比SQ1.4結(jié)構(gòu)小1%，比SQ結(jié)構(gòu)的過(guò)濾壁面表面積增加了14%。由于碳煙和灰分主要是附著在進(jìn)口孔道壁面上，因此HRT3.0結(jié)構(gòu)能夠有效的增加過(guò)濾壁面表面積，提升碳煙和灰分儲(chǔ)存能力，其效果基本與非對(duì)稱孔道的理論極限值相當(dāng)，優(yōu)于方形對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)。

過(guò)濾壁面容積占比從大到小依次為：HRT3.0、SQ、SQ1.4。HRT3.0結(jié)構(gòu)的過(guò)濾壁面容積占比比SQ結(jié)構(gòu)大9.5%，比SQ1.4結(jié)構(gòu)大18.5%。尾氣滲透進(jìn)入過(guò)濾壁面后，若過(guò)濾壁面容積占比越小，則其滲透速度越大。根據(jù)達(dá)西定律可知，過(guò)濾壁面壓降與滲透速度成正比，因此SQ1.4和SQ結(jié)構(gòu)的過(guò)濾壁面壓降將會(huì)高于HRT3.0結(jié)構(gòu)。

進(jìn)口孔道容積占比從大到小依次為：SQ1.4、HRT、SQ；出口孔道容積占比從大到小依次為：SQ、HRT、SQ1.4。進(jìn)出孔道容積越大，則進(jìn)出孔道速度越小，根據(jù)動(dòng)量守恒方程可知?jiǎng)t孔道帶來(lái)的壓降損失越小。但由于進(jìn)口孔道壓降損失在幾十帕到幾百帕所有，其對(duì)總壓降的影響較小，因此在本文中為節(jié)省篇幅，不詳細(xì)分析進(jìn)出口孔道速度分布。

3.2 HRT3.0與方形對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)的壓降和流動(dòng)特性對(duì)比

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工況是不斷變動(dòng)的，選取了排氣流量為0.02、0.04、0.06 kg/s的工況進(jìn)行對(duì)比。圖8是不同排氣流量下HRT3.0和SQ結(jié)構(gòu)的總壓降對(duì)比結(jié)果。從圖中可以看到，不同排氣流量下捕集器壓降隨碳載量變化均呈現(xiàn)兩段變化，斜率較大的是深層捕集階段，斜率較緩的是碳煙濾餅層捕集階段。由于深層捕集階段碳煙顆粒物會(huì)滲入過(guò)濾壁面孔穴中，導(dǎo)致過(guò)濾壁面的滲透性急劇下降，因此過(guò)濾體在該階段的壓降升高較快。在深層捕集階段，HRT3.0結(jié)構(gòu)的壓降要高于SQ結(jié)構(gòu)，原因在于HRT3.0結(jié)構(gòu)的出口孔道容積比SQ結(jié)構(gòu)小，導(dǎo)致其出口孔道內(nèi)的速度更大，帶來(lái)較高的出口孔道壓降。但進(jìn)入濾餅層捕集階段后，不同排氣流量下HRT3.0結(jié)構(gòu)的總壓降均低于SQ結(jié)構(gòu)，說(shuō)明HRT3.0結(jié)構(gòu)與方形對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)相比在發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下均具有更優(yōu)越的壓降性能。根據(jù)顆粒捕集器技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 13202.4-2017)可知，碳化硅顆粒捕集器的碳載極限為8 g/L。因此在碳載為8 g/L時(shí)，排氣流量為0.06、0.04、0.02 kg/s下HRT3.0比SQ的絕對(duì)壓降分別下降3.26、2.60、1.19 kPa，相對(duì)下降20.9%、25.6%、23.9%。綜上所述，HRT3.0結(jié)構(gòu)的壓降性能要明顯優(yōu)于目前市場(chǎng)上最常用的方形對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)。

圖9比較了HRT3.0和SQ結(jié)構(gòu)在碳載量為8 g/L時(shí)濾餅層厚度隨排氣流量的變化情況。相同的排氣流量下，SQ結(jié)構(gòu)的濾餅層要比HRT3.0結(jié)構(gòu)更厚，HRT3.0結(jié)構(gòu)的碳煙顆粒偏向于在孔道后端堆積。隨著排氣流量增大，HRT3.0和SQ結(jié)構(gòu)的碳煙顆粒都呈現(xiàn)偏向于在孔道后端堆積的情況，主要是排氣流量大孔道內(nèi)碳煙顆粒遷移系數(shù)較大。

圖8 不同排氣流量下的總壓降Fig.8 Total pressure drops with different exhaust fluxes

圖9 不同排氣流量下的碳煙濾餅層分布Fig.9 Soot layer distributions with different exhaust fluxes

圖10對(duì)比了HRT3.0結(jié)構(gòu)和SQ結(jié)構(gòu)在排氣流量為0.06 kg/s時(shí)孔道壁面滲透速度變化情況。HRT3.0結(jié)構(gòu)的整體滲透速率要比SQ結(jié)構(gòu)低很多，這是因?yàn)镠RT3.0結(jié)構(gòu)的過(guò)濾面積增加了，因此單位面積上的滲透速率減小。HRT3.0結(jié)構(gòu)的滲透速率在孔道后端比前端大，這也是導(dǎo)致其碳煙更易在孔道后端堆積的原因。

圖10 排氣流量為0.06 kg/s下的滲透速度Fig.10 Filtration velocities at 0.06 kg/s

3.3 HRT3.0與方形非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)的壓降和流動(dòng)特性對(duì)比

圖11是HRT3.0和SQ1.4結(jié)構(gòu)在不同排氣流量下的總壓降隨碳載量的變化情況。計(jì)算結(jié)果表明，不同排氣流量下HRT3.0結(jié)構(gòu)的壓降在全碳載范圍內(nèi)均低于SQ1.4結(jié)構(gòu)，主要原因在于HRT3.0結(jié)構(gòu)的過(guò)濾壁面容積和出口孔道容積占比要比SQ1.4結(jié)構(gòu)低很多，因此在深層捕集階段就表現(xiàn)出了良好的壓降性能。在8 g/L碳載下，排氣流量為0.06、0.04、0.02 kg/s下HRT3.0結(jié)構(gòu)的絕對(duì)壓降分別比SQ1.4結(jié)構(gòu)的下降了1.15、0.97、0.67 kPa，相對(duì)下降7.2%、9.4%、13.3%?？梢钥吹?，相對(duì)SQ結(jié)構(gòu)，差距有所縮小，但HRT3.0結(jié)構(gòu)的壓降性能依然全方面優(yōu)于SQ1.4結(jié)構(gòu)。綜上所述，HRT3.0結(jié)構(gòu)的壓降性能要優(yōu)于目前市場(chǎng)上的非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)。

圖11 不同排氣流量下的總壓降Fig.11 Total pressure drops with different exhaust fluxes

根據(jù)3.2節(jié)可知，不同排氣流量下碳煙濾餅層的厚度和分布趨勢(shì)基本一致，因此本節(jié)中僅對(duì)排氣流量為0.06 kg/s的工況進(jìn)行對(duì)比分析。圖12是HRT3.0和SQ1.4結(jié)構(gòu)在碳載量都為8 g/L時(shí)的碳煙濾餅層分布情況。從結(jié)果可以看到HRT3.0結(jié)構(gòu)和SQ1.4結(jié)構(gòu)的碳煙分布趨勢(shì)基本一致。其中HRT3.0的碳煙濾餅層厚度在孔道前端要稍微比SQ1.4厚一點(diǎn)，主要原因在于HRT3.0結(jié)構(gòu)的進(jìn)口孔道壁面面積要稍小于SQ1.4結(jié)構(gòu)。但總體差距不大，因此HRT3.0和SQ1.4結(jié)構(gòu)的碳煙濾層壓降基本是相同的。

圖12 排氣流量為0.06 kg/s下的碳煙濾餅層分布Fig.12 Soot layer distributions at 0.06 kg/s

圖 13所示，是HRT3.0和SQ1.4結(jié)構(gòu)的孔道壁面平均滲透速率；SQ1.4結(jié)構(gòu)的平均滲透速率要明顯高于HRT3.0結(jié)構(gòu)，甚至與圖10中的SQ結(jié)構(gòu)相比也要更高，原因在于SQ1.4結(jié)構(gòu)的過(guò)濾壁面容積占比最小，因此其滲透速度增加。根據(jù)壓差公式可以知道，滲透速率與壓降成正比，滲透速率越大則壓降越大，因此HRT3.0結(jié)構(gòu)的過(guò)濾壁面壓降性能要明顯優(yōu)于SQ1.4結(jié)構(gòu)。

圖13 排氣流量為0.06 kg/s下的滲透速度Fig.13 Filtration velocities at 0.06 kg/s

4 結(jié)論

1)計(jì)算了不同a∶b比例下HRT結(jié)構(gòu)的壓降特性，其中性能最好的是HRT3.0結(jié)構(gòu)，且六邊形和三角形孔道內(nèi)碳煙分布均勻，因此將HRT3.0結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)。

2)計(jì)算了HRT3.0、SQ、SQ1.4過(guò)濾體的孔道結(jié)構(gòu)特性，HRT3.0能夠有效增加過(guò)濾壁面面積和過(guò)濾壁面容積占比，因此有利于降低碳煙濾餅層壓降和壁面壓降。

3)HRT3.0結(jié)構(gòu)的壓降性能要明顯優(yōu)于目前市場(chǎng)最常用的方形對(duì)稱孔道。在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下，8 g/L碳載下其絕對(duì)壓降比SQ結(jié)構(gòu)下降3.26 kPa，相對(duì)下降20.9%。

4)與國(guó)際上主流的方形非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)相比，HRT3.0結(jié)構(gòu)有效降低了孔道壁面內(nèi)的平均滲透速度，表現(xiàn)出更優(yōu)越的壓降性能。在所有碳載范圍內(nèi)，HRT3.0結(jié)構(gòu)的壓降均低于SQ1.4結(jié)構(gòu)。