程曉章, 邢曉通, 王 浩, 錢 塞, 劉長(zhǎng)波

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

柴油機(jī)因具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性而得到廣泛運(yùn)用[1]。但隨著國(guó)Ⅵ排放法規(guī)的頒布,柴油機(jī)尾氣排放對(duì)環(huán)境污染的問題越來(lái)越引起人們重視,尤其是柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中所排放出的顆粒物(particulate matter,PM)已經(jīng)成為制約柴油機(jī)發(fā)展的重要影響因素之一。柴油機(jī)顆粒物捕集器(diesel particulate filter,DPF)是目前公認(rèn)的能夠有效降低柴油機(jī)PM排放的機(jī)外凈化手段之一[2]。

DPF載體是由交替封堵的蜂窩狀孔道構(gòu)成,孔道分為進(jìn)口和出口,如圖1所示。圖1中柴油機(jī)帶有PM的廢氣從進(jìn)氣孔道進(jìn)入后,穿過(guò)多孔的壁面,從相鄰的出口孔道排出,此時(shí)顆粒物在多孔壁面被捕集。

圖1 DPF工作示意圖

目前,DPF去除PM的效率能達(dá)到90%以上[3-4]。在各種形式的DPF中,壁流式DPF憑借其優(yōu)秀的過(guò)濾性能、壓降性能和再生性能被廣泛應(yīng)用于柴油車上[5]。關(guān)于DPF,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了許多相關(guān)的學(xué)術(shù)研究。文獻(xiàn)[6]研究了DPF的過(guò)濾效率和壓降分布特性;文獻(xiàn)[7]建立DPF三維數(shù)值仿真模型,主要研究了流體速度分布特性與微粒在DPF孔道內(nèi)沉積的關(guān)系;文獻(xiàn)[8]研究了非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)對(duì)DPF工作特性的影響。

當(dāng)前DPF載體朝著高孔密度、薄壁和非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。本文面向當(dāng)前工程實(shí)際中的國(guó)Ⅵ DPF載體,利用AVL-FIRE CFD三維仿真軟件,構(gòu)建DPF仿真模型,模擬DPF載體內(nèi)部速度、壓降分布以及微粒沉積特性,研究不同廢氣流量、不同廢氣溫度對(duì)壓降的影響,探究DPF進(jìn)出口孔道直徑比對(duì)壓降的影響規(guī)律,為后續(xù)的DPF載體開發(fā)、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實(shí)際的工程應(yīng)用提供相應(yīng)的理論支持。

1 數(shù)值模型

1.1 DPF流場(chǎng)模型

DPF內(nèi)部流場(chǎng)模型是基于一維穩(wěn)態(tài)連續(xù)性平衡方程(假定氣體沿通道流動(dòng)方向?yàn)檩S正向)，模型可表示為：

(1)

(2)

其中:ρg,n為氣體密度,n=1代表通道1,n=2代表通道2,下文同;vg,n為氣體流速;AF,n為通道截面積;vw,n為壁面橫流速度;PS,n為通道的濕周半徑。

動(dòng)量守恒方程為:

(3)

(4)

其中:pg,n為通道氣體壓力;Fn為通道摩擦系數(shù);μ為氣體動(dòng)力黏度。

1.2 DPF壓降模型

DPF捕集模型如圖2所示。

圖2 DPF捕集模型示意圖

捕集模型劃分為4個(gè)反應(yīng)層,包括濾餅層、灰分層、深床捕集層和壁面,碳煙的捕集反應(yīng)和再生反應(yīng)主要發(fā)生在濾餅層、深床捕集層和壁面層。DPF壓降模型基于Darcy定律，氣體流速表達(dá)式為:

vw(x)=

(5)

其中,x為從濾餅層頂部到壁面的距離。

(6)

壓降表達(dá)式為:

pg,1-pg,2=Δpw+Δpsd+Δpac+Δpsc

(7)

(8)

(9)

(10)

其中:kw、ksd、ksc為壁面、深床碳煙層和濾餅碳煙層的滲透率;δw、δsd、δsc為壁面、深床碳煙層和濾餅碳煙層的厚度;Δpw、Δpsd、Δpsc為壁面、深床碳煙層和濾餅碳煙層造成的壓降。

1.3 DPF碳煙捕集模型

DPF碳煙捕集模型為：

(11)

(12)

其中:msd(z)、msc(z)為深床碳煙層、濾餅碳煙層的碳煙密度;vw,dl(z)為軸向位置壁面流速;Ssd、Ssc為控制深床碳煙層和濾餅碳煙層開啟參數(shù);msoot,inl為進(jìn)氣的比碳煙質(zhì)量流量;Rsd、Rsc為深床碳煙層和濾餅碳煙層內(nèi)化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)。

2 DPF模型及邊界條件

本文利用AVL-FIRE軟件中的ESE-Aftertreament模塊構(gòu)建DPF三維仿真模型。

DPF結(jié)構(gòu)性參數(shù)如下:載體材料為SiC;目數(shù)為1 290.32目/cm2(200目/in2);載體規(guī)格為φ143 mm×228 mm;壁厚為0.39mm。以上參數(shù)與驗(yàn)證試驗(yàn)保持一致。

計(jì)算相關(guān)邊界條件如下:進(jìn)氣流量為100 kg/h,初始溫度為500 K,初始碳載量和灰分沉積量為0 g/L。

3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了使仿真結(jié)果準(zhǔn)確且具有實(shí)際參考價(jià)值,需要對(duì)所搭建的DPF模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)所選用的柴油機(jī)型號(hào)為4V25-VM,電渦流測(cè)功機(jī)型號(hào)為DW250,水冷裝置型號(hào)為WCT-C,試驗(yàn)與仿真的邊界條件保持一致。

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),待尾氣溫度穩(wěn)定后進(jìn)行加載試驗(yàn),記錄DPF加載前后質(zhì)量差,重復(fù)多次試驗(yàn),得到壓降隨碳載量變化的曲線圖。仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出,試驗(yàn)值總體上略高于仿真值,試驗(yàn)值與仿真值變化趨勢(shì)吻合良好,且兩者誤差在5%以內(nèi)。這說(shuō)明此模型較為準(zhǔn)確,能夠較好地預(yù)測(cè)、反映出DPF內(nèi)部的壓降變化趨勢(shì),可以進(jìn)行后續(xù)的研究工作。

圖3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比

4 結(jié)果分析

4.1 DPF內(nèi)流動(dòng)特性分析

為了研究DPF內(nèi)部流體的流動(dòng)情況,選取對(duì)稱正方形孔道結(jié)構(gòu)載體為研究對(duì)象,設(shè)定廢氣流量為100 kg/h、初始溫度為500 K、初始碳載量為0 g/L,探究DPF內(nèi)部流體流速的分布特性。本文截取了DPF內(nèi)部部分載體結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行展示,截取部分如圖4所示。DPP模型及計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 DPF模型示意圖

圖5 DPF流體速度分布特性

圖5展示了流體沿DPF軸向方向進(jìn)、出口孔道速度v1、v2的分布特性。從圖5可以看出:速度v1在進(jìn)入載體截面時(shí)值最大,流體速度在DPF內(nèi)部分布較均勻,且沿軸向方向速度逐漸減小,在到達(dá)載體末端處時(shí)速度減小為0;速度v2沿軸向逐漸增大,且在DPF載體末端處速度達(dá)到最大值。分析其原因?yàn)椋号艢鈴腄PF進(jìn)口孔道進(jìn)入載體,流體速度v1沿程孔道過(guò)濾壁面的摩擦損失以及流體內(nèi)部黏性力的作用沿軸向逐漸減小,大部分進(jìn)口孔道的氣體通過(guò)孔道多孔隙過(guò)濾壁面進(jìn)入出口孔道,因此速度v2的初始速度較小,并沿軸向逐漸增大。載體內(nèi)部流體的流速分布特性對(duì)DPF捕集過(guò)程中PM的沉積有重要影響。

4.2 DPF內(nèi)微粒沉積特性分析

計(jì)算參數(shù)與4.1節(jié)保持一致,深床捕集閾值設(shè)為1.7 g/L,模擬得到200、250、300 s時(shí)DPF內(nèi)部碳煙微粒沉積過(guò)程以及沿軸向的分布特性。DPF微粒沉積分布特性如圖6所示。

圖6 DPF微粒沉積分布特性

從圖6可以看出,隨著時(shí)間的增加,排氣中的微粒逐漸在DPF中被捕集,微粒的沉積量逐步增大。捕集過(guò)程在200 s時(shí),DPF前端微粒沉積量較少且分布比較均勻,微粒的捕集過(guò)程主要集中在DPF后端。隨著時(shí)間的推移,DPF后端微粒捕集量逐漸增多,在250 s和300 s時(shí)微粒沉積特點(diǎn)有逐漸前移以及均勻分布在DPF載體內(nèi)部的趨勢(shì)。

碳煙的捕集過(guò)程分為深床捕集階段和濾餅過(guò)濾階段,DPF深床捕集和濾餅過(guò)濾過(guò)程如圖7所示。

圖7 DPF微粒捕集過(guò)程

由圖7可知,在捕集過(guò)程初期,深床捕集階段微粒沉積量逐漸增加,當(dāng)DPF的微粒捕集量接近1.7 g/L時(shí),深床捕集逐漸停止,向?yàn)V餅過(guò)濾階段過(guò)渡,此時(shí)濾餅層微粒沉積量呈上升趨勢(shì)。

根據(jù)4.1節(jié)分析可知,因?yàn)镈PF前擴(kuò)張管的作用,在入口階段,碳煙微粒隨氣流的運(yùn)動(dòng)十分均勻,DPF前端流體速度很大,所以微粒不易被捕集[9]。受載體孔道內(nèi)沿程阻力的影響,流體速度v1沿DPF軸向逐漸降低為0,即微粒在后端易被捕集,因此DPF內(nèi)部微粒沉積具有不均勻分布的特性,具體表現(xiàn)為在前端捕集較少,微粒主要集中在后端被捕集,且隨著捕集過(guò)程的進(jìn)行,碳煙的分布有逐漸均一化的趨勢(shì)。

4.3 DPF壓降分布特性分析

DPF壓降損失主要由氣體孔道流動(dòng)和達(dá)西流動(dòng)構(gòu)成。氣體孔道流動(dòng)由孔道大小和長(zhǎng)度決定;而達(dá)西流動(dòng)由載體流通面積和壁厚決定[10]。DPF碳煙捕集過(guò)程中壓降的構(gòu)成如圖8所示。其中計(jì)算設(shè)置的邊界條件與4.1節(jié)保持一致,深床捕集閾值設(shè)為1.7 g/L。

圖8 DPF壓降構(gòu)成

圖8中,DPF內(nèi)部的壓降損失主要由濾餅層、深床捕集層、過(guò)濾壁面、進(jìn)口、進(jìn)口孔道、出口、出口孔道構(gòu)成,其中排氣流經(jīng)孔道過(guò)濾壁面產(chǎn)生的壓降損失占主導(dǎo)地位,進(jìn)口和出口處的壓降損失很小,其大小接近0。

在微粒捕集初期,DPF內(nèi)部深床層壓降損失不斷上升,且上升速率較快,當(dāng)捕集過(guò)程進(jìn)行至90 s左右時(shí),壓降損失上升速率放緩,最后保持不變,此時(shí)濾餅層壓降逐漸增大。這是由于從4.2節(jié)分析可知,碳煙微粒捕集過(guò)程首先進(jìn)入深床捕集階段,此時(shí)隨著微粒沉積量的增加使得壁面孔隙率和滲透濾下降,流動(dòng)阻力增大,DPF內(nèi)壓降損失較大,當(dāng)深床捕集層趨于飽和時(shí),微粒的沉積向?yàn)V餅過(guò)濾階段過(guò)渡,壁面孔隙率趨向穩(wěn)定,壁面滲透率基本保持不變,濾餅層壓降有趨于線性增加的趨勢(shì)[11]。

這種壓降變化特點(diǎn)也能夠在圖3中的DPF壓降仿真值中得到驗(yàn)證。

4.4 廢氣流量、溫度對(duì)DPF壓降的影響

柴油機(jī)的廢氣流量和廢氣溫度隨運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速和扭矩的改變而改變,其大小直接影響DPF工作過(guò)程中的壓降損失,從而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

因此,研究廢氣流量和溫度對(duì)DPF壓降的影響對(duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、減少其燃油消耗率具有重要意義。

在其余參數(shù)保持不變，廢氣流量分別設(shè)置為100、150、200、250、300 kg/h,碳載量分別為0、2、4 g/L的情況下，研究廢氣流量對(duì)DPF內(nèi)部壓降的影響。

廢氣量和溫度對(duì)壓降的影響如圖9所示。

圖9 廢氣量和溫度對(duì)壓降的影響

從圖9a可以看出：隨著廢氣量的增加,DPF的壓降損失增大;當(dāng)DPF碳載量在2 g/L和4 g/L時(shí),壓降的變化趨勢(shì)與DPF載體初始為潔凈狀態(tài)的情況基本保持一致,但壓降損失增加，且碳載量越大,DPF內(nèi)部壓降損失越大。這是由于隨著排氣流量的增加,氣體進(jìn)入孔道內(nèi)的速度增加,此時(shí)增加了流體與孔道和多孔介質(zhì)的摩擦阻力,壓降損失增大。

結(jié)合以上分析可知：較小的排氣流量產(chǎn)生的壓降損失較小,氣體停留在載體的時(shí)間較長(zhǎng),有利于微粒的沉積；較大的廢氣流量中,含有大量的碳煙微粒,增加了微粒在DPF孔道內(nèi)被捕集的概率,但帶來(lái)壓降損失的增加。

為了探究溫度對(duì)DPF內(nèi)部壓降的影響,分別設(shè)定廢氣溫度為400、500、600、700 K,碳載量等其他參數(shù)與前文保持統(tǒng)一。

從圖9b可以看出,廢氣溫度的升高帶來(lái)了DPF過(guò)濾體內(nèi)部壓降損失的增加,碳載量越大,產(chǎn)生的壓降越大,且溫度隨壓降的變化趨勢(shì)是呈非線性的。

由于溫度的增加,氣體內(nèi)能量增加,氣體運(yùn)動(dòng)劇烈程度加劇,黏度變大,流動(dòng)阻力也就變大;同時(shí)溫度的升高使得氣體密度減小,氣體體積流量增加,流速加快,從而使沿程壓降損失增加。

4.5 孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF壓降影響

DPF孔道的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其載體內(nèi)部壓降、溫度、碳載量等有重要影響,而非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)即進(jìn)口孔道直徑d1和出口孔道直徑d2不相等,通常進(jìn)口孔道直徑要大于出口孔道直徑。

本文選取進(jìn)出口孔道直徑比d1/d2為1.0、1.1、1.2、1.3、1.4,模擬計(jì)算中的進(jìn)氣量為100 kg/h、溫度為500 K以及碳載量分別為0、2、4 g/L,仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 進(jìn)出口孔道直徑比對(duì)壓降的影響

圖10中，DPF壓降隨d1/d2值的增大而降低。在碳載量為0 g/L時(shí),壓降降低幅度不明顯,但隨著碳載量的增加,壓降隨進(jìn)出口孔道直徑比增大減小幅度逐漸增大。說(shuō)明碳載量越大,越有利于非對(duì)稱孔道結(jié)構(gòu)減小DPF內(nèi)壓降損。這是由于進(jìn)口孔道的增大,意味著排氣速度降低,并且較大孔徑具有較大微粒沉積面積,隨之而來(lái)的是碳煙層厚度變薄,即孔道內(nèi)微粒的承載能力提高,使DPF載體壓降損失減小[12]。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用AVL-FIRE軟件建立三維仿真模型,利用臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,并通過(guò)仿真計(jì)算得出以下結(jié)論：

(1) DPF進(jìn)口孔道速度v1沿軸向逐漸減小,最后速度減小為0,出口孔道速度v2由0沿軸向逐漸增大。

(2) DPF內(nèi)部微粒沉積具有不均勻的分布特性,即大部分在載體后端沉積,之后隨著碳煙沉積量的不斷增加,其分布有沿軸向均勻分布的趨勢(shì)。

(3) 柴油機(jī)排氣量越大,DPF產(chǎn)生的壓力損失越大,碳載量越大,壓降越大,排氣溫度對(duì)壓降的影響與排氣流量有相同的變化趨勢(shì)。

(4) DPF進(jìn)出口孔道直徑比d1/d2越大,越有利于減小DPF內(nèi)部的壓降損失。

為了改善DPF工作效率和壓降特性,可以利用研究所得結(jié)論,提出以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議:

(1) 由前文可知,碳煙總是在載體后端先被捕集,因此,可以通過(guò)增加過(guò)濾體長(zhǎng)度來(lái)提高DPF的碳煙承載能力。由于載體長(zhǎng)度的增加,微粒在孔道內(nèi)滯留的時(shí)間變長(zhǎng),氣體流速降低,沿程摩擦損失減少,DPF的捕集效率和壓降特性都會(huì)得到改善。但DPF長(zhǎng)度的選擇應(yīng)結(jié)合車輛的實(shí)際安裝空間來(lái)決定。

(2) 在DPF的壓降損失中,孔道過(guò)濾壁面是主要影響因素,因此,通過(guò)減小壁面厚度,能夠降低壓降損失,但厚度較小會(huì)導(dǎo)致顆粒物在過(guò)濾壁面內(nèi)停留時(shí)間較短,影響DPF的捕集效率,同時(shí)也帶來(lái)了載體制造難度的增加。因此選擇壁面厚度時(shí)應(yīng)權(quán)衡捕集效率和壓降之間的關(guān)系。

(3) 通過(guò)增大進(jìn)口孔道直徑,即提高d1/d2比值,可以減小DPF壓降,提高碳載量,減少主動(dòng)再生的頻率,降低使用成本。但進(jìn)口孔道直徑過(guò)大也帶來(lái)了制造難度和生產(chǎn)成本的增加,因此應(yīng)綜合考量,選擇適當(dāng)?shù)倪M(jìn)出口孔道直徑比。