侯獻(xiàn)軍，馬 義，彭輔明，顏伏伍

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院;現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

前言

柴油機(jī)微粒捕集器(DPF)的關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾體的再生，再生結(jié)束后殘留在DPF內(nèi)部不能燃燒的部分稱為灰分，約占微粒質(zhì)量的0.5% ～1%，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況［1］。灰分主要由硫酸鹽、磷酸鹽和其它鈣、鋅、鎂的氧化物等組成，其來(lái)源主要包括兩個(gè)方面:一是來(lái)源于潤(rùn)滑油中的添加劑，這些添加劑在氣缸內(nèi)主要起到清潔、防氧化和防腐蝕等作用［2－4］;二是來(lái)源于燃油添加劑，其目的在于再生過(guò)程中降低顆粒物著火點(diǎn)［5－6］。沉積在DPF中的灰分一方面會(huì)減少DPF的有效過(guò)濾面積，降低其過(guò)濾效率;另一方面會(huì)增加排氣流動(dòng)阻力，改變過(guò)濾體壓降對(duì)微粒沉積的敏感性，使再生控制系統(tǒng)不能對(duì)再生狀況作出正確的判斷［7］。本文中利用 GT－Power軟件建立柴油機(jī)微粒捕集器主動(dòng)再生一維仿真模型來(lái)分析灰分的沉積過(guò)程及其對(duì)捕集器過(guò)濾特性和再生過(guò)程的影響。

1 模型簡(jiǎn)介

壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體的再生過(guò)程非常復(fù)雜，本質(zhì)上是一個(gè)具有多孔介質(zhì)壁面的孔道內(nèi)氣體流動(dòng)和微粒燃燒的傳熱傳質(zhì)問(wèn)題，其研究涉及流體力學(xué)、傳熱學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科的內(nèi)容。GTPower軟件提供的DPF一維再生模型將DPF過(guò)濾通道簡(jiǎn)化為單一方形的進(jìn)出通道結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在過(guò)濾體通道內(nèi)依次設(shè)置5個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)來(lái)分析再生時(shí)的溫度和微粒質(zhì)量等參數(shù)的變化情況(Z/L=0.0表示載體入口，Z/L=1.0表示出口)。圖2為所建立的GT－Power主動(dòng)再生仿真模型，DPF的基本參數(shù)如表1所示。

表1 DPF基本參數(shù)

2 模型驗(yàn)證

再生仿真入口邊界條件:氣流質(zhì)量流量為180g/s，排氣最高溫度為873K，過(guò)濾體初始溫度為573K，氣流氧濃度為10%，碳煙加載密度為12g/L，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為500s。圖3和圖4分別為再生過(guò)程中載體壁面溫度與過(guò)濾體壓力損失和微粒層厚度隨時(shí)間的變化曲線。

從圖3和圖4可見(jiàn)，再生提溫初期，過(guò)濾體整體處于預(yù)熱狀態(tài)，過(guò)濾體壓力損失因溫度的上升而逐漸升高，隨著DPF的提溫，載體入口端先達(dá)到PM起燃溫度，使PM開(kāi)始緩慢燃燒(100s)，燃燒放出的熱量沿軸向向后傳遞，將中后端大量PM引燃(150s)，致使載體溫度急劇升高，壓力損失迅速下降，隨著PM的繼續(xù)燃燒，壓力損失和載體溫度總體下降并趨向穩(wěn)定。還可以發(fā)現(xiàn)，載體后端的PM燃燒速度最快，最高溫度(1 385K)出現(xiàn)在后端，PM劇烈燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大溫度梯度，可能導(dǎo)致載體產(chǎn)生裂紋。

以上分析表明建立的再生仿真模型能準(zhǔn)確地反映捕集器再生過(guò)程，因此可用來(lái)對(duì)再生灰分沉積的影響進(jìn)行研究［8］。

3 再生灰分沉積的影響

3.1 灰分沉積對(duì)載體過(guò)濾特性的影響

圖5和圖6分別為再生過(guò)程中微粒與灰分質(zhì)量和灰分層厚度隨時(shí)間的變化曲線，由圖可見(jiàn)，隨著再生微粒的燃燒，微粒質(zhì)量不斷下降，而生成的灰分質(zhì)量(包括過(guò)濾體堵頭灰分和過(guò)濾表面灰分)持續(xù)上升。再生完成時(shí)，過(guò)濾面灰分質(zhì)量為1.03g;堵頭灰分質(zhì)量為0.44g，厚度增加至0.13mm，這相當(dāng)于載體有效過(guò)濾長(zhǎng)度的下降值。少量的灰分沉積可能對(duì)載體的整體過(guò)濾特性影響不大，但是當(dāng)沉積量達(dá)到一定程度時(shí)將大大減小過(guò)濾體有效過(guò)濾長(zhǎng)度，增大排氣背壓，從而降低載體過(guò)濾性能，如圖7所示。

3.2 灰分沉積對(duì)再生過(guò)程的影響

圖8為不同初始灰分沉積量條件下，載體軸向各部位的壁面溫度和微粒質(zhì)量變化的對(duì)比曲線。由圖8可見(jiàn)，再生過(guò)程中由于灰分的沉積，載體壁面溫度升高，且沉積量越多，溫度上升越明顯。Z/L=0.0，0.25，0.50和0.75各處在沉積量為18g/L時(shí)的最高溫度比沉積量為0g/L時(shí)分別上升29、105、59和38K。原因可能是堵頭灰分的沉積減少了過(guò)濾體有效過(guò)濾長(zhǎng)度，從而使過(guò)濾面微粒層的厚度變大，相同的載體軸向距離內(nèi)微粒質(zhì)量增多，燃燒反應(yīng)更加劇烈，導(dǎo)致該部分壁面溫度升高;而載體末端(Z/L=1.0)處，因堵頭灰分的占據(jù)且不能被氧化，沉積量為18g/L時(shí)的壁面最高溫度，反而比沉積量為0g/L時(shí)低。因此，大量的灰分沉積會(huì)加劇再生微粒燃燒過(guò)程，增大載體溫度梯度，對(duì)過(guò)濾體的再生不利。

3.3 灰分沉積對(duì)再生平衡點(diǎn)溫度的影響

DPF再生平衡點(diǎn)溫度(balance point temperature，BPT)是指微粒的沉積與被氧化的速度達(dá)到平衡的溫度，如圖9所示，給定入口排氣微粒質(zhì)量濃度為5×10－5，當(dāng)捕集器處于再生平衡點(diǎn)時(shí)(BPT=741.1K)，過(guò)濾體內(nèi)微粒質(zhì)量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，排氣背壓因微粒氧化生成的灰分而緩慢上升。圖10為不同灰分沉積量下再生平衡點(diǎn)溫度的變化情況，由圖可知，再生平衡點(diǎn)溫度隨灰分沉積量的增加而降低，原因可能是:(1)灰分沉積增加了過(guò)濾體壓力損失，使排氣流阻增大而減少了再生熱量的散失;(2)灰分沉積增大了微粒層厚度，加劇了微粒燃燒過(guò)程，降低了達(dá)到再生平衡所需的溫度。

4 結(jié)論

(1)再生過(guò)程中載體溫度由前端向后依次升高，最高溫度出現(xiàn)在載體后端，微粒由載體前端向后逐漸燃燒，后端微粒燃燒速度快于前端，微粒的劇烈燃燒會(huì)產(chǎn)生較大溫度梯度，可能導(dǎo)致載體產(chǎn)生裂紋。

(2)灰分沉積會(huì)減小過(guò)濾體有效過(guò)濾長(zhǎng)度，增大排氣背壓，從而降低載體過(guò)濾性能;另外還會(huì)加劇再生微粒燃燒過(guò)程，增大載體溫度梯度，沉積量越多則越明顯。

(3)再生平衡時(shí)排氣背壓因微粒氧化生成的灰分而緩慢上升，隨著灰分沉積量的增加，再生平衡點(diǎn)溫度下降。

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