催化型微粒捕集器碳烟分布及其影响因素

引用本文

李志军, 汪昊, 何丽, 曹丽娟, 张玉池, 赵新顺. 催化型微粒捕集器碳烟分布及其影响因素[J].吉林大学学报（工学版）, 2018,48(5): 1466-1474
LI Zhi-jun, WANG Hao, HE Li, CAO Li-juan, ZHANG Yu-chi, ZHAO Xin-shun. Soot distribution features and its influence factors in catalytic diesel particulate filte[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2018,48(5): 1466-1474 复制到剪切板

Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170655
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催化型微粒捕集器碳烟分布及其影响因素

李志军¹, 汪昊¹, 何丽¹, 曹丽娟¹, 张玉池², 赵新顺³

1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072

2.天津市津聿动力科技有限公司, 天津 300221

3.广东白云学院机电工程学院,广州 510450

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);清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金项目(KF1818)

摘要

建立了催化型柴油机微粒捕集器(CDPF)的数学模型,通过相关试验验证了模型的正确性,分析了CDPF排气参数和结构参数对碳烟分布的影响。研究结果表明:壁面层的碳烟质量浓度呈现先急剧上升后缓慢减少的特点;滤饼层的碳烟分布呈现两端高、轴向无量纲位置 x=0.3左右的位置最低的分布特性。随着排气参数(温度、流量、氧体积分数、NO₂体积分数)的增大,壁面积累碳烟质量浓度减少,其中温度的影响最大;排气流量的增大会使滤饼层碳烟分布最低点位置逐渐向前端移动。结构参数(长径比、进出口孔径比、孔密度)对滤饼层碳烟分布形状影响较大,随着结构参数的增大,滤饼层碳烟分布趋于不均匀,其中孔密度的变化对滤饼层碳烟分布影响最大,孔密度的增大会使最低点位置向后端移动;进出口孔径的增大使最低点位置向前端移动。

关键词: 动力机械工程; 催化型微粒捕集器; 碳烟分布; 排气参数

中图分类号:TK421.5 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2018)05-1466-09

Soot distribution features and its influence factors in catalytic diesel particulate filte

LI Zhi-jun¹, WANG Hao¹, HE Li¹, CAO Li-juan¹, ZHANG Yu-chi², ZHAO Xin-shun³

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

2.Tianjin Jinyu Power Technology Co. Ltd., Tianjin 300221, China

3.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong Baiyun University,Guangzhou 510450, China

Abstract

A mathematical model of Catalytic Diesel Particulate Filter (CDPF) was built up. The exhaust parameters and structure parameters were analyzed, and the model was validated through experimental data. The results show that the mass in the filter wall increases steeply and then decreases slowly. Soot distribution in the cake layer has a minimum thickness for appropriately 30% of the total channel length. While, the edges at the inlet and outlet have the maximum thickness. The exhaust parameters, including temperature, flow rate, the concentration of O₂ and the concentration of NO₂, mainly influence the thickness of soot distribution by influencing performance of the NO₂ assisted regeneration. The temperature has the largest influence, and the thickness of soot distribution in the cake layer is more sensitive to the concentration of NO₂ than O₂. The structure parameters, including the ratio of length to diameter, the ratio of inlet diameter to outlet diameter and channel density have significant effects on the shape of the soot distribution in the cake layer. With the increase in the structure parameters, the soot distribution tends to be uneven, and the channel density has the largest impact, which means the position of the lowest point tends to move to the rear end, while the increase in the ratio of inlet diameter to outlet diameter leads the point to move to the front end.

Keyword: power machinery and engineering; catalytic diesel particulate filter(CDPF); soot distribution; exhaust parameters

文章图片

0 引言

柴油发动机凭借其热效率高、燃油经济性好、CO₂排放低和可靠性高等特点^{[1, 2]}, 广泛应用于各种动力装置, 但是也带来了严重的环境问题。柴油机排放的微粒引发的雾霾天气, 对人类健康存在较大威胁, 特别是其作用机理尚未明确^{[3, 4]}。排放法规对微粒物的限制不断加严, 中国第六阶段的排放法规增加了对微粒数量的控制。柴油机微粒捕集器(Diesel particulate filter, DPF)是目前降低微粒最有效、技术最成熟的后处理装置之一^[5], 催化型微粒捕集器(CDPF)是指在过滤体孔道涂覆一层催化剂, 一般为贵金属铂Pt, 它的主要作用是将排气中的NO氧化为NO₂, 提高NO₂的含量, 利用其强氧化性, 在温度低于300 ℃下能够氧化微粒, 从而在发动机正常运转条件下实现连续被动再生^[6]。NO₂辅助的被动再生可以实现氮氧化物和微粒的协同作用, 再生过程中的温升较小^[7]。

CDPF捕集的碳烟一部分沉积在多孔介质内部, 称为深床过滤; 另一部分沉积在壁面, 形成滤饼层, 称为滤饼过滤。深床过滤的质量很少, 但是对过滤体进出口压降影响很大; 滤饼层占据了绝大部分的质量, 其分布并不是均匀的。碳烟的均匀分布是决定捕集器可靠工作的一个关键因素, 不均匀分布会带来许多问题:导致更高的压降, 从而使燃油消耗率升高; 导致碳烟再生不均匀, 局部温度过高, 产生热应力, 加速催化器的老化^[8]。因此, 研究催化型微粒捕集器的碳烟分布具有重要意义。

本文通过建立催化型微粒捕集器的数学模型, 从碳烟质量分布和厚度分布两个方面研究孔道内碳烟分布情况, 并且分析了排气参数和结构参数对碳烟分布的影响, 为进一步优化CDPF、耦合其他后处理装置提供依据。

1 数学模型

本文建立的数学模型主要基于Bissett^[9]、 Konstandopoulos^[10]和Haralampous等^[11]提出的理论, 示意图如图1所示。

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	图1 CDPF孔道流动示意图Fig.1 Schematic diagram for single inlet and outlet channel of CDPF

1.1 控制方程

孔道内气体质量守恒方程^{[9, 10, 12]} 为:

$\frac{\partial}{\partial x} (ρ_{i} v_{i}) = {(- 1)}^{i} (\frac{4}{α - 2 w}) ρ_{w} v_{w} (1)$

孔道内气体动量守恒方程:

$\frac{\partial}{\partial x} (ρ_{i} v_{i}^{2}) + \frac{\partial p_{i}}{\partial x} = - \frac{Fμ v_{i}}{{(α - 2 w)}^{2}} (2)$

式中: $ρ_{w}$ 为壁面层气体密度; $ρ$ 为排气密度; $v$ 为排气速度; $p$ 为排气压力; $α$ 为孔道宽度; $w$ 为碳烟层厚度; $v_{w}$ 为壁面流速; $F$ 为摩擦因数, 一般取28.45; $μ$ 为气体动力学黏度; $i$ 为1、2, 分别为进口孔道和出口孔道。

孔道内气体能量方程如下:

进口孔道:

$C_{pg} ρ_{1} v_{1} \frac{\partial T_{1}}{\partial x} = \frac{4}{α} h_{1} (T_{w} - T_{1}) (3)$

出口孔道:

$C_{pg} ρ_{2} v_{2} \frac{\partial T_{2}}{\partial x} = \frac{4}{α} (T_{w} - T_{2}) (h_{2} + C_{pg} ρ_{w} v_{w}) (4)$

微粒质量方程:由于排气温度较低, 这里不考虑O₂的热氧化作用, 仅仅考虑NO₂的氧化作用。

$ρ_{p} \frac{\partial w}{\partial t} = w \frac{α - w}{α - 2 w} W_{c} {\overset{\cdot}{w}}_{c} (5)$

式中: $h_{1} 、 h_{2}$ 分别为进口、出口气体的对流换热系数; $T_{1} 、 T_{2} 、 T_{w}$ 分别为进口、出口、壁面温度; $C_{pg}$ 为排气的热容; $W_{c}$ 为微粒的分子重量; ${\overset{\cdot}{w}}_{c}$ 为微粒的产生速率; $ρ_{p}$ 为微粒密度。

微粒能量方程:

$\begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial t} (ρ_{p} w C_{pp} T_{w} + ρ_{s} w_{s} C_{ps} T_{w}) = \\ - h_{1} (T_{w} - T_{2}) + κ_{p} \frac{\partial}{\partial x} (w \frac{\partial T_{w}}{\partial x}) + \\ κ_{s} w_{s} \frac{\partial^{2} T_{w}}{\partial x^{2}} + H_{reaction} (6) \end{array}$

式中: $C_{pp}$ 为微粒的热容; $C_{ps}$ 为载体的热容; $κ_{p}$ 为微粒导热系数; $κ_{s}$ 为载体导热系数; $H_{reaction}$ 为碳烟氧化产生的热量。

1.2 压降模型

排气流经CDPF时, 其压降由几个部分组成, 包括进口收缩产生的压降, 出口膨胀产生的压降, 经过进出口孔道产生的压降, 经过滤饼层、多孔介质壁面层产生的压降, 其中通过滤饼层和多孔介质壁面层的压降遵守Darcy定律, 这里不考虑进口收缩、出口膨胀和灰分层产生的压降。

$\begin{array}{l} Δ P = Δ P_{filter_wall} + Δ P_{soot_layer} + \\ Δ P_{in_channel} + Δ P_{out_channel} = \\ \frac{μQ}{2 V_{trap}} {(α + w_{s})}^{2} [\frac{w_{s}}{kα} + \frac{1}{2 k_{soot}} \ln (\frac{α}{α - 2 w}) + \\ \frac{4 F L^{2}}{3} (\frac{1}{{(α - 2 w)}^{4}} + \frac{1}{α^{4}})] (7) \end{array}$

式中: $Δ P_{filter_wall}$ 为壁面压降; $Δ P_{soot_layer}$ 为碳烟层压降; $Δ P_{in_channel}$ 为进口孔道压降; $Δ P_{out_channel}$ 为出口孔道压降; $Q$ 为排气流量; $V_{tra p}$ 为捕集器体积; $k$ 为壁面渗透率; $k_{soot}$ 为滤饼层的渗透率; $L$ 为孔道长度。

1.3 NO₂辅助再生模型

这里采用Konstandopoulos^[12]的两层模型, 将滤饼层中与催化剂接触的那部分碳烟作为第一层, 这一层中由于催化剂的存在, 发生NO向NO₂的转化, 第二层则是除去第一层后滤饼层剩下的碳烟。第一层中产生的NO₂无法直接接触第二层的碳烟, 这里认为第一层中生成大量的NO₂, 与第二层形成浓度差, NO₂在浓度差的作用下反向扩散向第二层, 进而氧化第二层中的碳烟^[13]。

第二层NO₂平衡方程为:

$\begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial x} (ρ_{w} u_{w} Y_{w, N O_{2}}) = \\ - S_{p} ρw Y_{w, N O_{2}} k_{N O_{2}} T_{w} (2 - g_{CO}) (8) \end{array}$

$g_{CO}$ 可由下面的方程计算得出:

$\begin{array}{l} C + (2 - g_{CO}) N O_{2} \to \\ g_{CO} CO + (1 - g_{CO}) C O_{2} + (2 - g_{CO}) NO \\ (9) \\ g_{CO} = \frac{1}{1 + k_{f} y_{O_{2}}^{μ} e^{\frac{E_{f}}{RT}}} (10) \end{array}$

式中: $k_{f}$ 为式(9)的反应速率; $y_{O_{2}}$ 为O₂的摩尔分数; $k$ 为气体常数; $T$ 为反应温度。

第一层NO₂平衡方程为:

$\begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial x} (ρ_{w} u_{w} Y_{w, N O_{2}, 1}) = \\ - S_{p} ρ_{w} Y_{w, N O_{2}} k_{N O_{2}, 1} T_{w} (2 - g_{CO}) (11) \end{array}$

式中: $Y_{w, N O_{2}}$ 为NO₂的质量分数; $S_{p}$ 为表面积累碳烟的比表面积和滤饼层碳烟密度的乘积; $k_{N O_{2}} (T_{w})$ 为NO₂氧化的反应速率; $g_{CO}$ 为 CO选择系数。

2 模型验证

本文所研究的CDPF相关结构参数如表1所示, 采用堇青石过滤体, 相关参数与文献[14]一致, 排气体积流量为0.245 m³/s, 排气的初始温度为287 ° C。

表1 CDPF物性参数 Table 1 Specification of catalytic diesel particulate filter

图2为进出口压降模拟结果和实验结果的对比, 从图中可以看到, 在最开始0.3 h进行深床捕集的过程中, 模拟值与实验值相差较大, 这主要是由于实验所用捕集器累积了一定量的灰分, 而模拟计算过程中并没有考虑灰分的作用, 导致误差较大, 之后模拟值与实验值的总体变化趋势保持一致。图3给出了不同负荷下CDPF碳烟积累质量模拟结果和实验结果的对比。图3中, 75%负荷下, 相对误差较大, 但是碳烟积累量绝对值相差较小, 为3.7 g, 其他负荷下的误差在10%以内, 为误差允许范围, 验证了模型的正确性, 认为该模型可以用来模拟催化型微粒捕集器的相关性能。

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	图2 CDPF进出口压降与实验结果对比Fig.2 Comparison of pressure drop in CDPF

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	图3 不同负荷下CDPF积累碳烟量实验值和模拟值对比Fig.3 Comparison of accumulating soot mass under different load in CDPF

3 结果与讨论

捕集的碳烟90%以上沉积在滤饼层, 研究这部分碳烟的分布具有重要意义; 小部分沉积在壁面层, 压降对壁面层沉积的碳烟量十分敏感。因此, 接下来从壁面积累碳烟量和滤饼层碳烟分布两个方面来研究碳烟分布。

3.1 温度对碳烟分布的影响

图4和图5是在不同温度下CDPF碳烟分布的变化情况, 其中进口流量为0.245 m³/s, 氧体积分数为13.67%, NO₂体积分数为33× 10^-6, 采用270、300、330、360、390和420 ℃六组不同的温度来分析温度对碳烟分布的影响(温度不宜太高, 应低于500 ℃, 如果过高会引发O₂的热氧化反应, 该模型将不再适应)。如图4所示, 单就某一特定温度来看, 壁面积累碳烟量先上升到某一峰值后缓慢减少, 这个峰值与压降在深床过滤阶段所能达到的最大值相一致; 随着温度的升高, 上升速率加快, 峰值相应降低, 深床过滤积累的碳烟量整体减少。温度升高, 一方面, NO转化为NO₂的反应加强; 另一方面, NO₂氧化微粒的反应也相应加强; 在这两方面的驱使下, 壁面层积累的碳烟质量浓度降低。

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	图4 不同温度下壁面积累碳烟质量浓度变化Fig.4 Change trend of soot mass retained in wall under different exhaust temperature

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	图5 不同温度下滤饼层碳烟厚度变化Fig.5 Change trend of soot mass retained in soot cake under different exhaust temperature

从图5可以发现, 催化型微粒捕集器滤饼层碳烟厚度总体上呈现先减少后增加的趋势, 在轴向某一位置存在最低点, 在无量纲位置x=0.31667-0.35范围内, 这与文献[15]中的结论较为吻合, 该位置不随温度的变化而变化, 而且最后端的厚度高于前端。在不同温度下, 滤饼层碳烟分布形状基本不变, 温度越高, 滤饼层碳烟厚度越小, 温度升高到一定范围时, 厚度减小的幅度减小, 而且滤饼层碳烟分布趋于均匀化。这是因为温度从270 ℃开始升高时, NO₂氧化PM的能力加强, 氧化的碳烟增多, 厚度下降, 但是温度继续上升, NO₂氧化能力受到化学反应动力学的限制, 厚度下降的幅度减小。

3.2 排气流量对碳烟分布的影响

图6和图7是排气温度为330 ℃时, 氧体积分数为13.67%, NO₂体积分数为33× 10^-6, 不同排气体积流量情况下CDPF碳烟分布的变化情况, 采用0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 m³/s六组不同的流量来分析流量对碳烟分布的影响。如图6所示, 壁面积累碳烟质量浓度随时间变化的趋势与温度相似, 先升高后缓慢减少; 壁面积累的碳烟质量浓度随着排气流量的增加而增加, 且增加的幅度在减小, 上升速率加快, 所能达到的最大碳烟质量浓度升高。排气流量增加, 进入过滤器孔道的碳烟也相应增加; 由于壁面层积累碳烟量能力有限, 到一定程度后便不再增加。

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	图6 不同流量下壁面积累碳烟质量浓度变化Fig.6 Change trend of soot mass retained in wall under different flow rate

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	图7 不同流量下滤饼层碳烟厚度变化Fig.7 Change trend of soot mass retained in soot cake under different flow rate

如图7所示, 排气流量对碳烟分布最低点的位置影响较大。当排气流量为0.1 m³/s时, x=0.41667; 当排气流量为0.6 m³/s时, x=0.01667, 最低点的位置随着排气流量的增大逐渐向前端移动。碳烟层厚度由两端高、x=0.3左右位置处低逐渐变为从前端向后端一直增高的趋势; 随着排气流量的增加, 滤饼层的碳烟分布趋向于不均匀, 这是由于滤饼层沿轴向速度分布不均匀所导致, 流量增大, 流速增大, 孔道入口处的速度不均匀性增大。

3.3 O₂体积分数对碳烟分布的影响

这里虽然不考虑O₂的热氧化作用, 但是O₂的影响仍然需要研究, 因为O₂参与NO向NO₂转化的反应, 因此会影响到被动再生的相关性能, 需要加以研究。

图8和图9是不同氧体积分数下CDPF碳烟分布的变化情况, 排气温度为330 ℃, 进口流量为0.245 m³/s, NO₂体积分数为33× 10^-6, 选取排气中氧体积分数分别为5%、10%、15%、20%、25%和30%进行研究。如图8所示, 壁面积累碳烟质量浓度随时间变化先升高后缓慢降低, 不同氧体积分数下壁面碳烟质量浓度所达到的峰值相同, 但是最终的质量浓度还是随着氧体积分数的升高而略有降低。排气中的O₂参与NO转化为NO₂的反应, 氧浓度升高, 生成NO₂的量增多, 促进被动再生, 氧化的碳烟增多。

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	图8 不同氧体积分数下壁面积累碳烟质量变化Fig.8 Change trend soot mass retained in wall under different concentration of O₂

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	图9 不同氧体积分数下滤饼层碳烟厚度变化Fig.9 Change trend of soot mass retained in soot cake under different concentration of O₂

图9给出了相应的滤饼层碳烟厚度变化情况。碳烟厚度随着氧浓度的升高而小幅度下降, 最低点出现在x=0.31667~0.35, 该位置不随氧体积分数的变化而变化, 后端的厚度高于前端, 总体的碳烟分布较为均匀。氧体积分数的升高可以促进NO转化为NO₂反应的进行, 使得NO₂氧化更多的碳烟, 但氧体积分数增加到一定值后, NO氧化反应会受到限制, 从图中也可以看到, 氧体积分数从25%增加到30%, 滤饼层碳烟厚度变化幅度很小, 并且氧浓度基本不影响滤饼层碳烟分布形状。

3.4 NO₂体积分数对碳烟分布的影响

对于以NO₂为主要氧化剂的再生, 初始NO₂体积分数的研究具有重要的意义。图10是排气温度为330 ℃、排气流量为0.245 m³/s时, 氧体积分数为13.67%, NO₂体积分数分别为20× 10^-6、40× 10^-6、60× 10^-6、80× 10^-6、100× 10^-6和120× 10^-6时碳烟分布的变化情况。

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	图10 不同NO₂体积分数下壁面积累碳烟质量浓度变化Fig.10 Change trend of soot mass retained in wall under different concentration of NO₂

如图10所示, 壁面积累的碳烟质量浓度随时间变化先升高后缓慢降低, 随着NO₂体积分数的升高, 壁面累积碳烟质量浓度随之降低, 所达到的峰值相应降低。NO₂体积分数升高, 能够氧化更多的碳烟, 使壁面沉积的碳烟量浓度减少。

图11给出了相应的滤饼层碳烟厚度变化情况。碳烟厚度随着NO₂体积分数的升高而下降, 最低点出现在x=0.31667~0.35, 该位置不随NO₂体积分数的变化而变化, 后端的厚度高于前端, 滤饼层碳烟厚度分布形状基本不变。NO₂体积分数的升高, 可以促进NO₂氧化微粒反应的进行, 使得NO₂氧化更多的碳烟。与氧体积分数的变化进行对比发现, NO₂体积分数的变化对滤饼层碳烟分布的影响更大。这是因为NO与O₂反应生成的NO₂本身就有一个迟滞, 并且生成的NO₂处于壁面与碳烟接触的部分, 即第一层, 还需要反向扩散到滤饼层才能氧化碳烟, 因此O₂不如初始排气中的NO₂作用明显。

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	图11 不同NO₂体积分数下滤饼层碳烟厚度变化Fig.11 Change trend of soot mass retained in soot cake under different concentration of NO₂

3.5 长径比对碳烟分布的影响

在发动机和微粒捕集器匹配的过程中, 需要根据发动机的排量确定过滤体的体积^[10]。单独改变过滤体的长度或者直径, 会使其体积发生改变, 所以这里并不给出单一改变长度或者直径的影响, 而是保持过滤体体积不变的情况下研究长径比对碳烟分布的影响。图12和图13是排气温度为330 ℃, 排气流量为0.245 m³/s, 氧体积分数为13.67%, NO₂体积分数为33× 10^-6, 孔密度为200 cpsi时, 过滤体的体积保持17 L不变, 长径比分别为0.5、0.8、1.1、1.4、1.7和2.0时碳烟分布的变化情况。

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	图12 不同长径比下壁面积累碳烟质量浓度变化Fig.12 Change trend of soot mass retained in wall under different length/diameter ratio

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	图13 不同长径比下滤饼层碳烟厚度变化Fig.13 Change trend of soot mass retained in soot cake under different length/diameter ratio

从图12可以发现, 壁面层积累碳烟质量浓度不随长径比的变化而变化, 因此认为由壁面层碳烟引起的那部分压降也不随长径比的变化而变化。长径比的增大, 意味着过滤体由短粗变为细长, 主要是对进出口孔道沿程阻力影响增大, 对壁面层积累碳烟引起的压降影响较小。

长径比对滤饼层碳烟厚度的影响如图13所示, 可以发现滤饼层碳烟厚度分布形状相比较于上面的分布发生了较大的变化。首先整体上是从均匀分布变为不均匀分布, 不过幅度较小; 随着长径比的增大, 后端的碳烟厚度明显增大, 而前端厚度不变, 最低点的厚度也减少。厚度最低点的位置基本不变, 位于x=0.31667~0.35范围内。长径比增大, 过滤体横截面减小, 流经孔道的速度增大, 滤饼层的速度分布沿轴向随着长径比的增大而趋于不均匀(如图14所示), 导致碳烟分布的不均匀。

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	图14 不同长径比下滤饼层碳烟渗流速度变化Fig.14 Change trend of wall velocity under different length/diameter ratio

3.6 进出口孔径比对碳烟分布的影响

未来微粒捕集器孔结构的发展方向是非对称结构, 即进出口孔径大小不相等。这种非对称的结构能够增大捕集器容纳灰分和碳烟的能力, 降低流动阻力, 提高捕集器的寿命。

图15和图16是排气温度为330 ℃, 排气流量为0.245 m³/s, 氧体积分数为13.67%, NO₂体积分数为33× 10^-6, 孔密度为200 cpsi, 过滤体的体积为17 L, 进出口孔径比分别为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5时碳烟分布的变化情况。如图15所示, 随着进出口孔径比的变化, 壁面层积累碳烟质量浓度变化很小, 可以认为进出口孔径比不影响深床过滤积累的碳烟量。

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	图15 不同进出口孔径比下壁面积累碳烟质量浓度变化Fig.15 Change trend of soot mass retained in wall under different inlet/outlet ratio

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	图16 不同进出口孔径比下滤饼层碳烟厚度变化Fig.16 Change trend of soot mass retained in soot cake under different inlet/outlet ratio

图16是在不同孔径比下滤饼层碳烟厚度变化情况。最低点的位置发生了相应的变化, 进出口孔径比为1.0时, x=0.35; 进出口孔径比为1.5时, x=0.11667; 随着进出口孔径比的增大, 碳烟厚度呈现出向前端移动的趋势。碳烟分布从整体上是由均匀分布变为不均匀分布, 后端碳烟厚度基本不变, 前端碳烟厚度随着进出口孔径比的增大而减小。进出口孔径比增大, 意味着进口孔径增大, 排气更容易沿着轴向流动, 导致前端的厚度降低, 最低点向前端移动。

3.7 孔密度对碳烟分布的影响

图17和图18是排气温度为330 ℃, 排气流量为0.245 m³/s, 氧体积分数为13.67%, NO₂体积分数为33× 10^-6, 孔密度分别为100、200、300、400、500和600 cpsi时碳烟分布的变化情况, 其他参数保持不变。由图17可以看出, 深床过滤积累的碳烟质量浓度随着孔密度的增加而增加, 并且增加的幅度不断减小, 对应的峰值升高。在体积不变的情况下, 孔密度增加, 也就是增加更多的孔道, 所以壁面层积累的碳烟增多, 但是孔密度过大, 会使得压力损失增大, 加工也存在困难, 所以孔密度的选择需要综合考虑这两方面的影响。

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	图17 不同孔密度下壁面积累碳烟质量浓度变化Fig.17 Change trend of soot mass retained in wall under different cell density

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	图18 不同孔密度下滤饼层碳烟厚度变化Fig.18 Change trend of soot mass retained in soot cake under different cell density

从图18可以看出, 滤饼层碳烟厚度发生了较大的变化。当孔密度较小时, 碳烟分布较为均匀, 随着孔密度的增大, 滤饼层碳烟分布的不均匀性变大, 更多的碳烟分布在孔道的两端, 有呈中间对称的趋势, 可以从图中孔密度为600 cpsi时的碳烟分布看出。从图18还可以发现, 随着孔密度的增大, 碳烟厚度的最低点发生了相应的变化, 在100 cpsi时, x=0.0833; 200 cpsi时, x=0.31667; 300 cpsi时, x=0.41667; 400 cpsi时, x=0.45; 500 cpsi时, x=0.4833; 600cpsi时, x=0.4833; 厚度最低点呈现随着孔密度的增大而逐渐向后移动的趋势。排气流量不变的情况下, 孔密度增大, 进入单个孔道的流量减少, 所以滤饼层碳烟厚度整体下降; 孔密度增大, 进出口孔道直径减小, 气体流速变大, 流经滤饼层的速度分布越加不均匀, 导致滤饼层的碳烟分布不均匀。因此, 孔密度不仅影响滤饼层碳烟分布最低点位置, 而且影响碳烟分布形状。

4 结论

(1)催化型微粒捕集器的碳烟分布特点如下:壁面层的碳烟质量浓度在最开始急剧上升到某一峰值后缓慢减少; 滤饼层的碳烟分布呈现两端高(后端厚度略高于前端)、轴向x=0.3左右的位置最低的分布特性。

(2)随着温度、排气流量、氧和NO₂体积分数的增大, 壁面积累碳烟质量浓度减少, 其中温度的影响最大。温度、氧和NO₂体积分数基本不改变滤饼层碳烟分布; 排气流量会改变最低点位置, 该位置随着排气流量的增大逐渐向前端移动。

(3)长径比和进出口孔径比对壁面积累碳烟量基本无影响; 随着孔密度的增大, 壁面积累碳烟量减少。滤饼层碳烟分布随着结构参数的增大而趋向于不均匀分布, 其中孔密度的影响最大。长径比对最低点位置无影响; 随着进出口孔径比增大, 最低点位置向前端移动; 随着孔密度增大, 最低点位置向后端移动。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献列表

[1]	Resitoglu I A, Altinisik K, Keskin A. The pollutant emissions from diesel-engine vehicles and exhaust aftertreatment systems[J]. Clean Technologies and Environmental Policy, 2015, 17(1): 15-27. [本文引用:1]
[2]	帅石金, 唐韬, 赵彦光, 等. 柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J]. 汽车安全与节能学报, 2012, 3(3): 200-217. Shuai Shi-jin, Tang Tao, Zhao Yan-guang, et al. State of the art and outlook of diesel emission regulations and aftertreatment technologies[J]. Journal of Automotive Safety and Energy, 2012, 3(3): 200-217. [本文引用:1]
[3]	Hesterberg T W, Long C M, Bunn W B, et al. Health effects research and regulation of diesel exhaust: an historical overview focused on lung cancer rick[J]. Inhalation Toxicology, 2012, 24: 1-45. [本文引用:1]
[4]	Hesterberg T W, Long C M, Sax S N, et al, Particulate matter in new technology diesel exhaust (NTDE) is quantitatively and qualitatively very different from that found in traditional diesel exhaust (TDE)[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2011, 61(9): 894-913. [本文引用:1]
[5]	Guan B, Zhan R, Lin H, et al. Review of the state-of-the-art of exhaust particulate filter technology in internal combustion engines[J]. Journal of Environmental Management, 2015, 154: 225-258. [本文引用:1]
[6]	李志军, 杨士超, 焦鹏昊, 等. 催化型微粒捕集器主被动再生性能数值模拟[J]. 农业机械学报, 2014, 45(5): 37-43. Li Zhi-jun, Yang Shi-chao, Jiao Peng-hao, et al. Computational investigation in active and passive regeneration characteristics of catalytic particulate filte[J]. Transactions of the Chinese Society for Agriculture Machinery, 2014, 45(5): 37-43. [本文引用:1]
[7]	马荣, 何超, 李加强, 等. NO₂对柴油机微粒捕集器再生特性的影响机理[J]. 车用发动机, 2013(3): 71-74. Ma Rong, He Chao, Li Jia-qiang, et al. Influence of NO₂ on DPF regeneration characteristics[J]. Vehicle Engine, 2013(3): 71-74. [本文引用:1]
[8]	Wu G J, Kuznetsov A V, Jasper W J. Distribution characteristics of exhaust gases and soot particles in a wall-flow ceramics filte[J]. Journal of Aerosol Science, 2011, 42(7): 447-461. [本文引用:1]
[9]	Bisset E J. Mathematical model of the thermal regeneration of a wall-flow monolith diesel particulate filte[J]. Chemical Engineering Science, 1984, 39: 1233-1244. [本文引用:2]
[10]	Konstand opoulos A, Kostoglou M. Periodically reversed flow regeneration of diesel particulate traps[C]∥SAE Paper, 1999-01-0469. [本文引用:3]
[11]	Haralampous O A, Koltsakis G C. Back-diffusion modeling of NO₂ in catalyzed diesel particulate filters[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2004, 43(4): 875-883. [本文引用:1]
[12]	Konstand opoulos A, Kostoglou M, Skaperdas E, et al. Fundamental studies of diesel particulate filters: transient loading, regeneration and aging[C]∥SAE Paper, 2000-01-1016. [本文引用:2]
[13]	刘洪岐, 高莹, 姜鸿澎, 等. NO₂扩散作用对催化型微粒捕集器再生的影响[J]. 农业机械学报, 2016, 47(12): 354-360, 366. Liu Hong-qi, Gao Ying, Jiang Hong-peng, et al. Effects of NO₂ diffusion on catalyst diesel particulate filter regeneration[J]. Transactions of the Chinese Society for Agriculture Machinery, 2016, 47(12): 354-360, 366. [本文引用:1]
[14]	Mohammed H, Lakkireddy V, Johnson J, et al. An experimental and modeling study of a diesel oxidation catalyst and a catalyzed diesel particulate filter using a 1-D 2-Layer model[C]∥SAE Paper, 2006-01-0466. [本文引用:1]
[15]	Bensaid S, Marchisio D L, Fino D, et al. Modelling of diesel particulate filtration in wall-flow traps[J]. Chemical Engineering Journal, 2009, 154(1-3): 211-218. [本文引用:1]

2015

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... 0 引言柴油发动机凭借其热效率高、燃油经济性好、CO₂排放低和可靠性高等特点^[1,2],广泛应用于各种动力装置,但是也带来了严重的环境问题 ...

2012

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... 0 引言柴油发动机凭借其热效率高、燃油经济性好、CO₂排放低和可靠性高等特点^[1,2],广泛应用于各种动力装置,但是也带来了严重的环境问题 ...

2012

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... 柴油机排放的微粒引发的雾霾天气,对人类健康存在较大威胁,特别是其作用机理尚未明确^[3,4] ...

2011

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... 柴油机排放的微粒引发的雾霾天气,对人类健康存在较大威胁,特别是其作用机理尚未明确^[3,4] ...

2015

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... 柴油机微粒捕集器(Diesel particulate filter, DPF)是目前降低微粒最有效、技术最成熟的后处理装置之一^[5],催化型微粒捕集器(CDPF)是指在过滤体孔道涂覆一层催化剂,一般为贵金属铂Pt,它的主要作用是将排气中的NO氧化为NO₂,提高NO₂的含量,利用其强氧化性,在温度低于300 ℃下能够氧化微粒,从而在发动机正常运转条件下实现连续被动再生^[6] ...

2014

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2013

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... NO₂辅助的被动再生可以实现氮氧化物和微粒的协同作用,再生过程中的温升较小^[7] ...

2011

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... 导致碳烟再生不均匀,局部温度过高,产生热应力,加速催化器的老化^[8] ...

1984

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... 1 数学模型本文建立的数学模型主要基于Bissett^[9]、 Konstandopoulos^[10]和Haralampous等^[11]提出的理论,示意图如图1所示 ...

... 1 控制方程孔道内气体质量守恒方程^[9,10,12] 为: ...

1999

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... 1 数学模型本文建立的数学模型主要基于Bissett^[9]、 Konstandopoulos^[10]和Haralampous等^[11]提出的理论,示意图如图1所示 ...

... 1 控制方程孔道内气体质量守恒方程^[9,10,12] 为: ...

... 5 长径比对碳烟分布的影响在发动机和微粒捕集器匹配的过程中,需要根据发动机的排量确定过滤体的体积^[10] ...

2004

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... 1 数学模型本文建立的数学模型主要基于Bissett^[9]、 Konstandopoulos^[10]和Haralampous等^[11]提出的理论,示意图如图1所示 ...

2000

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... 1 控制方程孔道内气体质量守恒方程^[9,10,12] 为: ...

... 3 NO₂辅助再生模型这里采用Konstandopoulos^[12]的两层模型,将滤饼层中与催化剂接触的那部分碳烟作为第一层,这一层中由于催化剂的存在,发生NO向NO₂的转化,第二层则是除去第一层后滤饼层剩下的碳烟 ...

2016

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... 第一层中产生的NO₂无法直接接触第二层的碳烟,这里认为第一层中生成大量的NO₂,与第二层形成浓度差,NO₂在浓度差的作用下反向扩散向第二层,进而氧化第二层中的碳烟^[13] ...

2006

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... 2 模型验证本文所研究的CDPF相关结构参数如表1所示,采用堇青石过滤体,相关参数与文献[14]一致,排气体积流量为0 ...

2009

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... 35范围内,这与文献[15]中的结论较为吻合,该位置不随温度的变化而变化,而且最后端的厚度高于前端 ...