柴油机微粒捕集器灰分分布对其压降的影响评价

引用本文

李志军, 何丽, 姜瑞, 申博玺, 孔祥金, 刘世宇. 柴油机微粒捕集器灰分分布对其压降的影响评价[J].吉林大学学报（工学版）, 2017,47(6): 1760-1766
LI Zhi-jun, HE Li, JIANG Rui, SHEN Bo-xi, KONG Xiang-jin, LIU Shi-yu. Evaluation of influence of ash distribution on diesel particulate filter pressure drop[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2017,47(6): 1760-1766 复制到剪切板

Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb201706012
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柴油机微粒捕集器灰分分布对其压降的影响评价

李志军¹, 何丽¹, 姜瑞^1,², 申博玺¹, 孔祥金¹, 刘世宇¹

1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072

2.北京宝沃汽车有限公司动力总成部,北京 101500

作者简介:李志军(1962-),男,教授,博士生导师.研究方向:内燃机排放与控制.E-mail:zhijunli@tju.edu.cn

基金:国家自然科学基金项目(51576140, 51276128); 科技部中欧中小企业节能减排发展专项基金项目(SQ2013ZOA100012)

摘要

通过建立灰分分布对柴油机微粒捕集器(DPF)压降影响的评价函数,分析了孔道壁面厚度、孔道直径、灰分量、碳烟量以及孔道壁面、灰分滤饼层、碳烟滤饼层渗透率等变量不同时,灰分分布对DPF压降的影响。研究结果表明:灰分滤饼层渗透率相对于孔道壁面、碳烟滤饼层渗透率的大小决定了DPF压降随灰分分布变化的趋势;当孔道壁面与灰分滤饼层的渗透率比值A=0.1、孔道壁面与碳烟滤饼层的渗透率比值S=2时,灰分分布于进口孔道壁面DPF压降小;当A=10、S=2时,灰分分布于进口孔道末端DPF压降小;孔道壁面厚度、孔道直径、灰分量、碳烟量能够改变灰分分布对DPF压降影响的程度;评价函数能够有效评价灰分分布对DPF压降的影响,也为不同情况下应用不同的DPF再生方式提供了参考。

关键词: 动力机械工程; 微粒捕集器; 灰分分布; 压降

中图分类号:TK421.5 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2017)06-1760-07

Evaluation of influence of ash distribution on diesel particulate filter pressure drop

LI Zhi-jun¹, HE Li¹, JIANG Rui^1,², SHEN Bo-xi¹, KONG Xiang-jin¹, LIU Shi-yu¹

1.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China

2.Department of Powertrain,Beijing Borgward Automobile Co., Ltd.,Beijing 101500,China

Abstract

An evaluation function was established to analyze the influence of ash distribution on Diesel Particulate Filter (DPF) pressure drop. The variables in this function include the channel diameter, channel wall thickness, ash mass and the soot. Results show that the relative magnitude of ash, wall and soot permeability decides the trend of DPF pressure drop changing with the ash distribution. When the ratio of wall and ash permeability A= 0.1 and the ratio of wall and soot permeability S=2, the evaluation function is positive, and the DPF pressure drop is lower when ash locating on the wall of the inlet channel than the ash locating at the rear of the inlet channel, and passive regeneration is adopted. When A= 10 and S=2, the tendency reverses, and active regeneration is taken. Wall thickness, channel diameter, ash mass and soot mass affect the extent of the influence of ash distribution on DPF pressure drop.

Keyword: power machinery and engineering; particulate filter; ash distribution; pressure drop

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0 引言

柴油机微粒排放对环境和人体健康的危害日益显著, 随着排放法规日趋严格, 柴油机微粒捕集器(Diesel particulate filter, DPF)的应用成为一种必然趋势^[1]。其中, 壁流式过滤体综合性能最优, 国内外研究和应用最广泛的过滤体^{[2, 3]}。随着碳烟微粒在DPF孔道内不断被捕集, 发动机排气背压逐渐升高, 使发动机性能恶化, 需要定期对DPF进行再生。再生即通过不同手段去除柴油机DPF中微粒的过程^[4], 分为主动再生和被动再生两种^[5]。主动再生是通过主动提高DPF前排气温度达到碳烟颗粒起燃温度后将碳烟颗粒点燃; 被动再生是通过燃油添加剂或在DPF入口孔道涂覆催化剂降低碳烟颗粒氧化温度来实现。主动或被动再生完成后孔道内无法氧化的残留物称为灰分^[6]。灰分主要来源于燃油添加剂、润滑油添加剂、零部件磨损及腐蚀等^[7], 是导致DPF性能恶化的主要原因之一。DPF使用过程中灰分会不断累积, 最后DPF内灰分量甚至会大于再生时碳烟量的限值^[8], 所以研究灰分对DPF压降的影响十分必要。

国内、外学者针对灰分对DPF压降的影响进行了大量研究, Sappok等^[8]研究了灰分对过滤体碳烟捕集过程压降特性和再生频率的影响, 但没有考虑灰分分布的影响。Ishizawa等^[9]的研究表明:灰分分布于孔道壁面时, DPF相对压降大约是灰分分布于孔道末端时DPF相对压降的两倍(DPF相对压降指存在灰分时DPF压降与没有灰分时DPF压降的比值), 而且灰分分布在孔道壁面时, 随着碳烟的沉积, DPF压降增长速率快。Gaiser等^[10]通过数值计算的方法发现不考虑碳烟时灰分分布在孔道末端DPF压降小, 考虑碳烟时结论刚好相反, 但并未深入探究其原因。

国内关于灰分分布对DPF压降影响的研究鲜有报道, 由于试验方法的局限性无法保证仅研究单一变量变化时灰分分布对DPF压降的影响。本文在前人研究的基础上, 结合DPF的实际使用情况, 考虑了碳烟的影响, 通过建立灰分分布对DPF压降影响的评价函数, 系统地研究了过滤体孔道壁面厚度、孔道直径、灰分量、碳烟量以及孔道壁面、灰分滤饼层、碳烟滤饼层渗透率不同时, 灰分分布对DPF压降的影响规律, 为正确认识灰分及其分布对DPF压降的影响及其规律、降低DPF压降、提高发动机性能奠定了理论基础。

1 评价函数的建立

1.1 灰分模型

采用灰分分布系数 $\begin{matrix} d \end{matrix}$ 描述灰分在DPF孔道内的分布情况, DPF孔道几何模型如图1所示。

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	图1 DPF孔道几何模型Fig.1 Pore geometry of DPF

灰分分布系数 $\begin{matrix} d \end{matrix}$ 等于进口孔道壁面形成灰分滤饼层的灰分量与进口孔道内总灰分量的比值, 为无量纲数。

$\begin{matrix} d = \frac{m_{as h_layer}}{m_{as h}} (1) \end{matrix}$

式中:m_ash为单个进口孔道内灰分的总质量; m_{ash_layer}为单个进口孔道内孔道壁面形成灰分滤饼层的灰分质量。

图2为两种极端情况下灰分的分布形式: $\begin{matrix} d = 1 \end{matrix}$ 说明灰分全部均匀地分布于进口孔道壁面形成灰分滤饼层; $\begin{matrix} d = 0 \end{matrix}$ 说明灰分全部分布于进口孔道末端, 堵塞孔道末端。

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	图2 d=1和d=0时灰分分布形式Fig.2 Ash distribution when d=1 and d=0

根据进口孔道的几何关系, 灰分在进口孔道末端形成的堵塞段长度可以表示为:

$\begin{matrix} L_{as h} = \frac{m_{as h} (1 - d)}{α^{2} ρ_{as h}} (2) \end{matrix}$

进口孔道壁面灰分滤饼层厚度可以表示为:

$\begin{matrix} \begin{matrix} w_{as h} = \frac{α - \sqrt[]{α^{2} - m_{as h} d / [(L - L_{as h}) ρ_{as h}]}}{2} \\ (3) \end{matrix} \end{matrix}$

进口孔道壁面碳烟滤饼层厚度可以表示为:

$\begin{matrix} \begin{matrix} w_{soot} = \\ \frac{(α - 2 w_{as h}) - \sqrt[]{{(α - 2 w_{as h})}^{2} - \frac{m_{soot}}{(L - L_{as h}) ρ_{soot}}}}{2} (4) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} α \end{matrix}$ 为过滤体孔道直径; $\begin{matrix} ρ_{as h} \end{matrix}$ 为灰分堆积密度; $\begin{matrix} L \end{matrix}$ 为洁净过滤体的有效长度, L=L_DPF-2L_plug; m_soot为单个进口孔道内碳烟质量; ρ _soot为碳烟堆积密度。

1.2 压降模型

排气流经DPF时, 其压降由以下几项组成^[11]:

$\begin{matrix} \begin{matrix} ΔP = Δ P_{wall} + Δ P_{as h} + Δ P_{soot} + Δ P_{in_c h annel} + \\ Δ P_{out_c h annel} + Δ P_{inlet} + Δ P_{ou t let} (5) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} Δ P_{wall} \end{matrix}$ 为排气流经过滤体孔道壁面压降; $\begin{matrix} Δ P_{as h} \end{matrix}$ 为排气流经灰分滤饼层压降; $\begin{matrix} Δ P_{soot} \end{matrix}$ 为排气流经碳烟滤饼层压降; $\begin{matrix} Δ P_{in_c h annel} \end{matrix}$ 为排气流经进口孔道压降; $\begin{matrix} Δ P_{out_c h annel} \end{matrix}$ 为排气流经出口孔道压降; $\begin{matrix} Δ P_{inlet} \end{matrix}$ 为排气流经孔道入口收缩产生的压降; $\begin{matrix} Δ P_{outlet} \end{matrix}$ 为排气流经孔道出口膨胀产生的压降。

$\begin{matrix} Δ P_{wall} 、 Δ P_{as h} \end{matrix}$ 和 $\begin{matrix} Δ P_{soot} \end{matrix}$ 都遵循达西定律^[12]:

$\begin{matrix} Δ P_{wall} = \frac{2 Q {(α + w_{wall})}^{2} μ}{π D^{2} α (L - L_{as h}) k_{wall}} w_{wall} (6) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} Q \end{matrix}$ 为排气体积流量; $\begin{matrix} w_{wall} \end{matrix}$ 为过滤体孔道壁面厚度; $\begin{matrix} μ \end{matrix}$ 为气流的动力黏度; $\begin{matrix} D \end{matrix}$ 为过滤体直径; $\begin{matrix} k_{wall} \end{matrix}$ 为完成灰分深床沉积的过滤体孔道壁面渗透率。

$\begin{matrix} \begin{matrix} Δ P_{as h} = \frac{μ}{k_{as h}} \int_{0}^{w_{as h}} u (x) dx = \\ \frac{μQ {(α + w_{wall})}^{2}}{D^{2} π k_{as h} (L - L_{as h})} \ln (\frac{α}{α - 2 w_{as h}}) (7) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} k_{as h} \end{matrix}$ 为灰分滤饼层渗透率; $\begin{matrix} u (\cdot) \end{matrix}$ 为过滤壁面渗流速率。

$\begin{matrix} \begin{matrix} Δ P_{soot} = \frac{μ}{k_{soot}} \int_{0}^{w_{soot}} u (x) dx = \\ \frac{μQ {(α + w_{wall})}^{2}}{D^{2} π k_{soot} (L - L_{as h})} \ln (\frac{α - 2 w_{as h}}{α - 2 w_{as h} - 2 w_{soot}}) \\ (8) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} k_{soot} \end{matrix}$ 为碳烟滤饼层的渗透率。

根据流体力学知识可知排气流经进口孔道和出口孔道的摩擦损失产生的压降分别为^[12]:

$Δ P_{in_channel} = \frac{8 Q {(α + w_{wall})}^{2} μF}{3 π D^{2} {(α - 2 w_{ash} - 2 w_{soot})}^{4}} (L - L_{ash}) (9)$

$Δ P_{out_channel} = \frac{8 Q {(α + w_{wall})}^{2} μF}{3 π D^{2} α^{4}} L (10)$

式中: $\begin{matrix} F \end{matrix}$ 为摩擦因数。

过滤体进、出口处的收缩和膨胀压降满足^[13]:

$\begin{matrix} \begin{matrix} Δ P_{inlet} + Δ P_{outlet} = \\ ξ \frac{ρ}{4} {[\frac{8 Q {(α + w_{wall})}^{2}}{π D^{2} {(α - 2 w_{as h} - 2 w_{soot})}^{2}}]}^{2} + \\ ξ \frac{ρ}{4} {[\frac{8 Q {(α + w_{wall})}^{2}}{π D^{2} α^{2}}]}^{2} (11) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} ρ \end{matrix}$ 为排气密度; $\begin{matrix} ξ \end{matrix}$ 是与过滤体孔密度及雷诺数有关的常数, 与其他压降项相比属于高阶小量, 计算时可以忽略, 即:

$\begin{matrix} \begin{matrix} ΔP = Δ P_{wall} + Δ P_{as h} + Δ P_{soot} + \\ Δ P_{in_c h annel} + Δ P_{out_c h annel} (12) \end{matrix} \end{matrix}$

将式(6)~(10)代入式(12)并化简得到壁流式过滤体总压降为:

$\begin{matrix} \begin{matrix} ΔP = \frac{μQ}{2 V_{trap}} {(α + w_{wall})}^{2} [\frac{w_{wall}}{k_{wall} α} \frac{L}{L - L_{as h}} + \\ \frac{1}{2 k_{as h}} (\ln \frac{α}{α - 2 w_{as h}}) \frac{L}{L - L_{as h}} + \\ \frac{1}{2 k_{soot}} (\ln \frac{α - 2 w_{as h}}{α - 2 w_{as h} - 2 w_{soot}}) \frac{L}{L - L_{as h}} + \\ \frac{4 F}{3 {(α - 2 w_{as h} - 2 w_{soot})}^{4}} (L - L_{as h}) L + \frac{4 F}{3 α^{4}} L^{2}] (13) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} V_{trap} = \frac{1}{4} π D^{2} L 。 \end{matrix}$

1.3 评价函数

为了表征灰分分布对DPF压降的影响, 引入评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 的概念:

$\begin{matrix} f = \frac{Δ P_{d = 0} - Δ P_{d = 1}}{Δ P_{d = 1}} = \frac{Δ P_{d = 0}}{Δ P_{d = 1}} - 1 (14) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} Δ P_{d = 0} 、 Δ P_{d = 1} \end{matrix}$ 分别为灰分分布系数等于0和等于1时DPF的压降。

评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值的正负可以表示DPF压降随灰分分布变化的趋势。评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值为正时灰分分布在进口孔道壁面有利于降低DPF压降; 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值为负时灰分分布在进口孔道末端有利于降低DPF压降。评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 的绝对值大小可以表示灰分分布对DPF压降的影响程度, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 绝对值越大, 表明灰分分布对DPF压降影响越大。

为了研究灰分、碳烟和DPF相关参数对评价函数的影响, 引入以下无量纲数:

$F_{a} = V_{ash} / (α^{2} L) (15)$

$F_{s} = V_{soot} / (α^{2} L) (16)$

$W = w_{wall} / α (17)$

$A = (\frac{1}{k_{ash}}) / (\frac{1}{k_{wall}}) = k_{wall} / k_{ash} (18)$

$S = (\frac{1}{k_{soot}}) / (\frac{1}{k_{wall}}) = k_{wall} / k_{soot} (19)$

$\begin{matrix} C = (\frac{4 F L^{2}}{3 α^{4}}) / (\frac{1}{k_{wall}}) = 4 F L^{2} k_{wall} / (3 α^{4}) (20) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} F_{a} \end{matrix}$ 为单个进口孔道内灰分的体积与单个进口孔道体积的比值; $\begin{matrix} F_{s} \end{matrix}$ 为单个进口孔道内碳烟的体积与单个进口孔道体积的比值; $\begin{matrix} W \end{matrix}$ 为过滤体孔道壁面厚度与孔道直径的比值; $\begin{matrix} A \end{matrix}$ 为孔道壁面渗透率与灰分滤饼层渗透率比值; $\begin{matrix} S \end{matrix}$ 为孔道壁面渗透率与碳烟滤饼层渗透率的比值; $\begin{matrix} C \end{matrix}$ 为排气流经孔道时沿程阻力与孔道壁面阻力的相对大小; $\begin{matrix} V_{as h} \end{matrix}$ 为单个进口孔道内灰分的体积; $\begin{matrix} V_{soot} \end{matrix}$ 为单个进口孔道内碳烟的体积。

同时令:

$V_{1} = 1 - F_{a} (21)$

$V_{2} = 1 - F_{a} - F_{s} (22)$

将式(13)(15)~(22)代入式(14), 并化简得到评价函数的表达式为:

$\begin{matrix} f = \frac{\frac{W}{V_{1}} + \frac{S}{4 V_{1}} \ln \frac{V_{1}}{V_{2}} + C \frac{V_{1}^{3} + V_{2}^{2}}{V_{2}^{2}}}{W + \frac{A}{4} \ln \frac{1}{V_{1}} + \frac{S}{4} \ln \frac{V_{1}}{V_{2}} + C \frac{1 + V_{2}^{2}}{V_{2}^{2}}} - 1 (23) \end{matrix}$

由此可见, 评价函数除了可以表征灰分分布对DPF压降的影响, 还能代表不同的DPF制造工艺种类等。

2 评价函数分析

2.1 渗透率的影响

图3为评价函数 $\begin{matrix} f 随 A 、 S \end{matrix}$ 变化的等值曲线, 计算条件为:F_a=0.14, F_s=0.23, W=0.2。从图3可以看出:随着 $\begin{matrix} A \end{matrix}$ 逐渐减小、 $\begin{matrix} S \end{matrix}$ 逐渐增大, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值从负值逐渐增大然后变成正值。说明灰分滤饼层渗透率相对孔道壁面、碳烟滤饼层渗透率较小时, 如图3左上角区域所示, 灰分分布在孔道末端DPF压降小。随着灰分滤饼层渗透率相对于孔道壁面、碳烟滤饼层渗透率逐渐增大, 如图3右下角区域所示, 灰分分布对DPF压降的影响趋势将发生改变, 此时灰分分布在孔道壁面DPF压降小。对于不同DPF结构参数和孔道壁面、灰分滤饼层、碳烟滤饼层渗透率, 可以根据评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 获得灰分分布对DPF压降的影响趋势和程度。

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	图3 评价函数f随A、S的变化Fig.3 Variety of evaluation function with A and S

从图3中还可以看出:灰分滤饼层渗透率变化可以明显改变DPF压降随灰分分布变化的趋势。当灰分滤饼层渗透率相对于孔道壁面、碳烟滤饼层渗透率较小时, 灰分分布在进口孔道末端DPF压降小, 这是因为灰分滤饼层渗透率小, 排气通过灰分滤饼层的压降占DPF压降的比例大, 当灰分逐渐分布在进口孔道末端时, 灰分滤饼层的厚度减小, 排气流经灰分滤饼层的压降减小, 所以DPF压降会减小。当灰分滤饼层渗透率相对于孔道壁面、碳烟滤饼层渗透率较大时, 灰分分布在进口孔道壁面压降小, 这是因为孔道壁面、碳烟滤饼层渗透率小, 排气通过碳烟滤饼层和孔道壁面的压降占DPF压降比例大, 当灰分逐渐分布在进口孔道壁面时, 进口孔道的有效长度增大, 碳烟滤饼层的厚度减小, 排气流经过碳烟滤饼层的压降减小, 所以DPF压降减小。

2.2 孔道壁面厚度和孔道直径的影响

图4为评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 随 $\begin{matrix} W \end{matrix}$ 的变化情况, 计算条件为:F_a=0.14, F_s=0.23, S=2。从图4中可以看出:当A=0.1时, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值为正, 随着 $\begin{matrix} W \end{matrix}$ 增大, 其值从0.149增大到0.154; 当A=10时, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值为负, 随着 $\begin{matrix} W \end{matrix}$ 的增大, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值从-0.479增大到-0.334, 绝对值随 $\begin{matrix} W \end{matrix}$ 的增大而减小。这说明, A=0.1时灰分分布在孔道壁面DPF压降小, 此时增大 $\begin{matrix} W \end{matrix}$ 会稍微增强灰分分布对DPF压降的影响程度, 这是因为灰分滤饼层渗透率大时, 排气通过灰分滤饼层的压降占DPF压降的比例小, 虽然W增大会导致灰分体积相对进口孔道体积增大, 但灰分分布对DPF压降影响程度不会明显增强; 当A=10时, 灰分分布在孔道末端DPF压降小, 此时增大 $\begin{matrix} W \end{matrix}$ 会减弱灰分分布对DPF压降的影响程度, 这是因为 $\begin{matrix} W \end{matrix}$ 增大时孔道壁面相对厚度增大, 排气流经孔道壁面的压降占DPF压降的比例增大, 当灰分逐渐分布在进口孔道末端时, 排气流经灰分滤饼层的压降减小, 流经孔道壁面的压降增大, 最终使 $\begin{matrix} Δ P_{d = 1} \end{matrix}$ 与 $\begin{matrix} Δ P_{d = 0} \end{matrix}$ 的差值随 $\begin{matrix} W \end{matrix}$ 的增大而减小, 所以评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 的绝对值逐渐减小。

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	图4 评价函数f随W的变化Fig.4 Variety of evaluation function with W

综上分析, 增大孔道壁面厚度与孔道直径比值会改变灰分分布对DPF压降的影响程度, 但不会改变灰分分布对DPF压降的影响趋势。

2.3 灰分量的影响

图5为评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 随F_a的变化趋势, 计算条件为:F_s=0.23, W=0.2, S=2。从图5可以看出:当A=0.1时, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值为正, 说明灰分分布在孔道壁面DPF压降小, 随着F_a增大, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 从0.049增大到0.620; 当A=10时, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值为负, 说明灰分分布在孔道末端DPF压降小, 随F_a的增大, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 从-0.237减小到-0.572, 但其绝对值逐渐增大。这说明灰分量增加会增强灰分分布对DPF压降的影响程度, 但没有改变DPF压降随灰分分布变化的趋势。当灰分量增加时, 改变灰分分布会明显改变进口孔道的有效过滤面积, 所以灰分量增加会增强灰分分布对DPF压降的影响程度。

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	图5 评价函数f随F_a的变化Fig.5 Variety of evaluation function with F_a

2.4 碳烟量的影响

图6为评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 随F_s的变化趋势, 计算条件为:F_a=0.2, W=0.2, S=2。从图6可以看出:A=0.1时, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值为正, 说明灰分分布在孔道壁面DPF压降小, 随着F_s的增大, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 从0.220增大到0.237; A=10时, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 值为负, 说明灰分分布在孔道末端DPF压降小, 随着F_s的增大, 评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 的值从-0.640增大到-0.381, 但其绝对值逐渐减小说明碳烟量的增加没有改变灰分分布对DPF压降的影响趋势; 但当A=0.1时, 随碳烟量的增加灰分分布对DPF压降的影响程度稍有增强; 当A=10时, 随碳烟量的增加灰分分布对DPF压降的影响程度减弱, 这是因为碳烟量增加时, 排气通过碳烟滤饼层的压降占DPF压降的比例增大, 当灰分逐渐分布在进口孔道末端时, 排气通过灰分滤饼层的压降减小, 通过碳烟滤饼层的压降增大, 最终使 $\begin{matrix} Δ P_{d = 1} \end{matrix}$ 与 $\begin{matrix} Δ P_{d = 0} \end{matrix}$ 差值随碳烟量的增大而减小, 所以评价函数 $\begin{matrix} f \end{matrix}$ 的绝对值逐渐减小。

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	图6 评价函数f随F_s的变化Fig.6 Variety of evaluation function with F_s

3 评价函数验证

Sappok等^[14]研究了在试验工况下, 使用不同润滑油时灰分滤饼层和孔道壁面的渗透率, 如表1所示, 表中灰分渗透率代表灰分滤饼层的渗透率, 孔道壁面渗透率代表的是完成灰分深床沉积后的孔道壁面渗透率。

表1 使用6种不同润滑油时的灰分滤饼层渗透率及孔道壁面渗透率 Table 1 Ash cake layer permeability and wall penetration when using six different lubricants

在此基础上Wang等^[15]进一步研究了灰分滤饼层和孔道壁面的渗透率不同时, 灰分分布对DPF压降的影响, 研究结果表明:使用Ca、Zn、Mg+Zn润滑油时, 灰分分布在进口孔道末端有利于降低DPF压降; 使用Mg、Ca+Zn、CJ-4润滑油时, 灰分分布在孔道壁面有利于降低DPF压降。

Wang等^[15]在研究灰分分布对DPF压降的影响时没有考虑碳烟, 在验证评价函数时认为碳烟滤饼层渗透率远大于孔道壁面渗透率, 说明lgS很小。从表1中可以看出:使用Ca、Zn、Mg+Zn润滑油时, lgA大于零; 使用Mg、Ca+Zn、CJ-4润滑油时, lgA小于零。根据图3评价函数f随A、S变化曲线可知:在lgS很小的情况下, lgA大于零时, 评价函数f小于零, 说明灰分分布在进口孔道末端有利于降低DPF压降; lgA小于零时, 评价函数f大于零, 说明灰分分布在孔道壁面有利于降低DPF压降。目前国内关于灰分对DPF压降影响的研究仅局限于灰分量等宏观参量, 而关于DPF孔道内灰分分布等微观参量情况等缺乏相关监测仪器和研究, 作者参照文献[15]的边界条件, 评价函数f的计算结果与文献[15]的结论一致性很好, 说明评价函数f可以有效地评价灰分分布对DPF压降的影响。

4 灰分分布优化及方案选择

Ishizawa等^[9]通过试验研究表明:主动再生时灰分分布在进口孔道末端, 被动再生时灰分分布在进口孔道壁面形成灰分滤饼层。根据评价函数f的数值就可以确定DPF压降随灰分分布的变化趋势。从本文评价函数f的分析可以看出:当 $\begin{matrix} A = 0.1 、 S = 2 \end{matrix}$ 时, 评价函数f的数值大于零, 灰分分布在孔道壁面有利于减小DPF压降, 则可以采用被动再生的方式完成DPF再生, 进而优化进口孔道内灰分分布, 降低DPF压降; 当 $\begin{matrix} A = 10 、 S = 2 \end{matrix}$ 时, 评价函数f的数值小于零, 灰分分布在孔道末端有利于减小DPF压降, 则可以采用主动再生的方式完成DPF再生, 从而优化进口孔道内灰分分布, 降低DPF压降。可以看出, 排气温度较高的柴油机(如长途汽车)的DPF系统一般选用被动再生的方式, 因此适合选用评价函数大于零的DPF载体, 排气温度较低的柴油机(如城市公交)的DPF系统一般选用主动再生的方式, 适合选用评价函数小于零的DPF载体, 这样评价函数也可以用于选择合适的应用环境, 从而在不同情况下降低DPF压降。

根据评价函数还可以知道灰分分布对DPF压降的影响程度, 当评价函数的绝对值小于某临界值时, 灰分分布对DPF压降影响较小, 在DPF工作过程中可以忽略灰分分布对DPF压降的影响, 该临界值与DPF结构物性参数、发动机运行工况以及排气背压对发动机性能影响程度有关, 详细的该临界值确定方法还需进一步研究。

综上, 通过所提出的评价函数f可以得出灰分分布对DPF压降的影响趋势和程度。因此, 可以通过选择主动再生或被动再生的方式优化DPF内灰分分布, 从而达到降低DPF压降, 提高DPF使用性能的目的。

5 结论

(1)建立了灰分分布对DPF压降影响的评价函数f, f可以有效地评价灰分分布对DPF压降影响的趋势和程度。灰分滤饼层渗透率相对孔道壁面、碳烟滤饼层渗透率的大小决定灰分分布对DPF压降的影响趋势。

(2)当A=0.1、S=2时, 灰分分布在孔道壁面DPF压降小, W、F_a、F_s增大时灰分分布对DPF压降的影响增大; 当A=10、S=2时, 灰分分布在孔道末端DPF压降小, W、F_s增大时灰分分布对DPF压降的影响减小, 而F_a增大时灰分分布对DPF压降的影响增大。

(3)评价函数f的数值为通过选择DPF主被动再生优化灰分分布提供参考。评价函数小于零时, 灰分分布在孔道末端DPF压降小, 可采用主动再生方式来优化灰分分布从而降低DPF压降; 评价函数大于零时, 灰分分布在孔道壁面DPF压降小, 可采用被动再生方式来优化灰分分布从而降低DPF压降。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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2014

0.0

... 0 引言柴油机微粒排放对环境和人体健康的危害日益显著,随着排放法规日趋严格,柴油机微粒捕集器(Diesel particulate filter,DPF)的应用成为一种必然趋势^[1] ...

2015

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... 其中,壁流式过滤体综合性能最优,国内外研究和应用最广泛的过滤体^[2,3] ...

2015

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... 其中,壁流式过滤体综合性能最优,国内外研究和应用最广泛的过滤体^[2,3] ...

2011

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... 再生即通过不同手段去除柴油机DPF中微粒的过程^[4],分为主动再生和被动再生两种^[5] ...

2008

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... 再生即通过不同手段去除柴油机DPF中微粒的过程^[4],分为主动再生和被动再生两种^[5] ...

2012

0.0

. 2012, 34(4):316-319 DOI:doi:10.3969/j.issn.1000-680X.2012.04.008

A research on the mechanism and influence of ash deposition in DPF regeneration

柴油机微粒捕集器再生中灰分沉积机理及影响研究

Hou Xian-jun , Ma Yi , Peng Fu-ming

侯献军, 马义, 彭辅明

摘　要：利用GT-Power软件建立柴油机微粒捕集器再生仿真模型,并进行仿真,以分析再生中形成的灰分沉积对捕集器过滤效率和再生过程的影响。结果表明,灰分沉积不但会减小过滤体有效过滤面积,增大排气背压,从而降低载体的过滤性能;还会加剧微粒的燃烧,增大载体温度梯度。在再生平衡过程中,排气背压会缓慢上升,而再生平衡点温度会随着灰分沉积量的增加而下降。

... 主动或被动再生完成后孔道内无法氧化的残留物称为灰分^[6] ...

2007

0.0

... 灰分主要来源于燃油添加剂、润滑油添加剂、零部件磨损及腐蚀等^[7],是导致DPF性能恶化的主要原因之一 ...

2010

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... DPF使用过程中灰分会不断累积,最后DPF内灰分量甚至会大于再生时碳烟量的限值^[8],所以研究灰分对DPF压降的影响十分必要 ...

... 国内、外学者针对灰分对DPF压降的影响进行了大量研究,Sappok等^[8]研究了灰分对过滤体碳烟捕集过程压降特性和再生频率的影响,但没有考虑灰分分布的影响 ...

2009

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... Ishizawa等^[9]的研究表明:灰分分布于孔道壁面时,DPF相对压降大约是灰分分布于孔道末端时DPF相对压降的两倍(DPF相对压降指存在灰分时DPF压降与没有灰分时DPF压降的比值),而且灰分分布在孔道壁面时,随着碳烟的沉积,DPF压降增长速率快 ...

... 4 灰分分布优化及方案选择Ishizawa等^[9]通过试验研究表明:主动再生时灰分分布在进口孔道末端,被动再生时灰分分布在进口孔道壁面形成灰分滤饼层 ...

2004

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... Gaiser等^[10]通过数值计算的方法发现不考虑碳烟时灰分分布在孔道末端DPF压降小,考虑碳烟时结论刚好相反,但并未深入探究其原因 ...

2003

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... 2 压降模型排气流经DPF时,其压降由以下几项组成^[11]: ...

2000

0.0

... ΔPwall、ΔPash和 ΔPsoot都遵循达西定律^[12]: ...

... 根据流体力学知识可知排气流经进口孔道和出口孔道的摩擦损失产生的压降分别为^[12]: ...

2000

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... 过滤体进、出口处的收缩和膨胀压降满足^[13]: ...

2012

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... 3 评价函数验证Sappok等^[14]研究了在试验工况下,使用不同润滑油时灰分滤饼层和孔道壁面的渗透率,如表1所示,表中灰分渗透率代表灰分滤饼层的渗透率,孔道壁面渗透率代表的是完成灰分深床沉积后的孔道壁面渗透率 ...

2013

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... 在此基础上Wang等^[15]进一步研究了灰分滤饼层和孔道壁面的渗透率不同时,灰分分布对DPF压降的影响,研究结果表明:使用Ca、Zn、Mg+Zn润滑油时,灰分分布在进口孔道末端有利于降低DPF压降 ...

... Wang等^[15]在研究灰分分布对DPF压降的影响时没有考虑碳烟,在验证评价函数时认为碳烟滤饼层渗透率远大于孔道壁面渗透率,说明lgS很小 ...

... 目前国内关于灰分对DPF压降影响的研究仅局限于灰分量等宏观参量,而关于DPF孔道内灰分分布等微观参量情况等缺乏相关监测仪器和研究,作者参照文献[15]的边界条件,评价函数f的计算结果与文献[15]的结论一致性很好,说明评价函数f可以有效地评价灰分分布对DPF压降的影响 ...