蒲云飛，孟忠偉

(1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，成都 610100;2.西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610039)

1 前 言

柴油機(jī)由于具有較高的熱效率和經(jīng)濟(jì)性，較低的CO2排放等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于運(yùn)輸業(yè)中，但是其顆粒物排放量大，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[1]。嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)就要求有效的、可靠的技術(shù)以減少顆粒物排放[2]。從控制技術(shù)上來(lái)看，僅靠柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化和改善燃油品質(zhì)已經(jīng)難以滿足目前的排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。目前，滿足“國(guó)Ⅳ”排放法規(guī)的柴油機(jī)都普遍需要采用后處理技術(shù)，并且未來(lái)更嚴(yán)格的排放法規(guī)將對(duì)后處理技術(shù)提出更高的要求[4]。

柴油機(jī)顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)是降低柴油機(jī)排氣顆粒物的重要手段[5]，也是目前后處理技術(shù)中商業(yè)應(yīng)用前景最好的技術(shù)之一[6]。其中，壁流式DPF由于其交錯(cuò)式的結(jié)構(gòu)，具有極高的捕集效率(物理捕集柴油機(jī)顆粒[7]，顆粒捕集效率常常高于95%[8-9])而得到了廣泛的應(yīng)用。

在過(guò)濾機(jī)制方面，Masoudi[10]，Murtagh[11]等人基于實(shí)驗(yàn)過(guò)濾壓降曲線把過(guò)濾過(guò)程分為深床過(guò)濾階段，過(guò)渡階段和表面過(guò)濾階段三階段。在顆粒層的過(guò)濾效率方面，Yang[12]等人利用實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的顆粒物研究單通道DPF的過(guò)濾效率，結(jié)果表明DPF對(duì)粒徑在80 nm以下以及200 nm以上的顆粒有極高的捕集效率。此外，基于格子玻爾茲曼方法，Yamamoto等人模擬研究了顆粒物的流動(dòng)、沉積以及利用X射線CT圖像研究了顆粒的沉積，結(jié)果表明過(guò)濾壓降的分布取決于非均勻孔隙結(jié)構(gòu)，并且在高的排氣背壓下，氣體流動(dòng)在很大程度上改變了顆粒物的沉積。在燃燒模擬上，添加NO2可以有效促進(jìn)顆粒物的氧化[13～15]。Bensaid[16]等人通過(guò)模型計(jì)算得到在過(guò)濾通道內(nèi)，顆粒物跟隨氣流通過(guò)不均勻壁面反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了顆粒物在DPF本身內(nèi)部沉積的不均勻性。同時(shí)通過(guò)FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope，場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，顆粒沉積厚度在軸向通道內(nèi)分布不均勻，并且在通道中間處最小；此外，根據(jù)氣流在通道入口處的分布，顆粒沉積行為受通道徑向位置很大的影響[17]。在DPF顆粒的沉積過(guò)程方面，Karin[18]等人利用顯微可視化對(duì)DPF微孔中顆粒物的捕集以及再生的研究結(jié)果表明DPF的顆粒捕集和氧化行為強(qiáng)烈依賴于DPF表面孔隙的微觀結(jié)構(gòu)，尤其再生時(shí)顆粒層先被氧化燃燒，而微孔里的顆粒物最后燃燒。Daido[19]，Choi[20]等學(xué)者通過(guò)CCD照相機(jī)和顯微鏡可視圖像直接觀察到在過(guò)渡階段，眾多的顆粒沉積在DPF微孔周圍并向外擴(kuò)散至通道的其余部分，這可能是由于顆粒最初沉積在微孔中，最終形成顆粒“丘陵”[20]。孟忠偉利用激光位移傳感器研究了顆粒沉積厚度隨時(shí)間的變化關(guān)系，基于顆粒沉積厚度，提出可將典型的三階段過(guò)濾中的過(guò)渡階段分為長(zhǎng)樹階段、搭橋階段[21]。

在上述文獻(xiàn)中，研究者們分析了DPF顆粒沉積過(guò)程的過(guò)濾機(jī)理，并使用模擬或者直接觀察研究了顆粒層的厚度、結(jié)構(gòu)、分布以及顆粒的沉積過(guò)程等。然而，僅就定性的分析了相關(guān)內(nèi)容，而未進(jìn)行定量的分析。

本文基于搭建的DPF沉積過(guò)程可視化裝置系統(tǒng)，利用DK4A柴油機(jī)研究了DPF內(nèi)顆粒的沉積過(guò)程，包括：顆粒沉積厚度、過(guò)濾壓降隨時(shí)間變化關(guān)系以及過(guò)濾壓降隨顆粒沉積厚度變化關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 可視化裝置

實(shí)驗(yàn)室搭建的可視化裝置系統(tǒng)如圖1所示。柴油機(jī)顆粒流通過(guò)真空泵抽吸流經(jīng)DPF沉積可視化裝置主體結(jié)構(gòu)，并在DPF切片(60 mm×30 mm單層壁面，通過(guò)將DPF載體切割加工而成)上沉積。使用2D激光位移傳感器(基恩士LJ-G080， 650個(gè)測(cè)點(diǎn)均勻直線分布，測(cè)量寬度40 mm，測(cè)量精度1 μm)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)在線測(cè)量顆粒在DPF上的沉積高度；使用數(shù)字壓力表(測(cè)量間隔2s，測(cè)量精度10 Pa)測(cè)量DPF切片兩端過(guò)濾壓降，并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；使用質(zhì)量流量控制器(量程20 L/min)控制通過(guò)DPF切片的空氣流量，以確保過(guò)濾速度≤0.15 m/s，同時(shí)實(shí)現(xiàn)定流量過(guò)濾；在質(zhì)量流量控制器前端加裝三級(jí)空氣濾清器過(guò)濾水分以及穿透主體結(jié)構(gòu)DPF切片的小粒徑顆粒物，防止進(jìn)入質(zhì)量流量控制器導(dǎo)致?lián)p壞。對(duì)主體段和采樣管進(jìn)行加熱保溫，溫度設(shè)定為200℃。

圖1 可視化裝置系統(tǒng)Fig. The visualized filtration testing system

圖2 可視化裝置系統(tǒng)主體段Fig.2 The main section of the visualized filtration testing system

可視化裝置系統(tǒng)主體段結(jié)構(gòu)如圖2所示，激光通過(guò)可視化窗口對(duì)DPF載體切片上沉積的顆粒層厚度進(jìn)行測(cè)量，DPF切片可從主體段上取出。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

本文采用的DPF載體為國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的堇青石壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體(CPSI=100)，參數(shù)如表1所示。使用DK4A柴油機(jī)作為實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)，選取的實(shí)驗(yàn)工況為如表2所示。為保證排氣顆粒流濃度穩(wěn)定，在恒定工況進(jìn)行采集，采集前后需要使用AVL煙度計(jì)對(duì)顆粒濃度進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證濃度均勻。

表1 實(shí)驗(yàn)用DPF參數(shù)Tab.1 The parameters of DPF

表2 DK4A柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 The experimental parameters of DK4A

注：柴油機(jī)顆粒物可溶性有機(jī)物質(zhì)(SOF)含量是采用真空干燥法獲得。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)在線實(shí)時(shí)記錄顆粒沉積厚度、過(guò)濾壓降，即可得到顆粒沉積厚度、過(guò)濾壓降隨時(shí)間的變化關(guān)系以及過(guò)濾壓降隨顆粒沉積厚度變化關(guān)系。由于DPF的壁面過(guò)濾速度一般不超過(guò)0.05 m/s，實(shí)驗(yàn)選取0.02 m/s的過(guò)濾速度，對(duì)應(yīng)DPF切片通過(guò)流量為1.8 L/min。

3.1 顆粒沉積厚度隨時(shí)間變化關(guān)系

DK4A柴油機(jī)顆粒沉積厚度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖3所示，圖中顯示了隨機(jī)選取的650個(gè)測(cè)點(diǎn)中的2個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。在不同的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)上，由于DPF的孔隙結(jié)構(gòu)分布不均，將會(huì)影響到深床過(guò)濾階段，同時(shí)顆粒沉積厚度也會(huì)不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同過(guò)濾時(shí)間下，選取任意兩試驗(yàn)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)其顆粒沉積厚度會(huì)有差值，最大差值20 μm。圖3中的2個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，在過(guò)渡階段開始時(shí)，顆粒物開始在DPF表面沉積，顆粒沉積厚度迅速增加以至于激光位移傳感器可以測(cè)定顆粒沉積厚度。在此之前，顆粒物沉積在DPF微孔內(nèi)，從而無(wú)法通過(guò)激光位移傳感器測(cè)定顆粒沉積厚度。

圖3 DK4A顆粒沉積厚度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 The particle layer thicknesses of DK4A over time

選取實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1作為示例用以說(shuō)明顆粒沉積厚度隨時(shí)間變化關(guān)系。在深床過(guò)濾階段，顆粒物在DPF微孔沉積內(nèi)，顆粒沉積厚度不能被激光位移傳感器檢測(cè)到，所測(cè)量的顆粒沉積厚度幾乎為零。過(guò)渡階段的初期，顆粒物仍然沉積在DPF微孔上，但顆粒沉積厚度被檢測(cè)到，并與加載時(shí)間呈現(xiàn)迅速的接近似線性增加。之后，更多的顆粒物開始沉積在微孔周圍并向外延伸，類似各微孔上的顆粒物開始連線搭橋，因此顆粒沉積厚度緩慢增長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)“平臺(tái)”現(xiàn)象。最后，顆粒物在顆粒層表面上沉積，顆粒沉積厚度近似線性的持續(xù)增加。根據(jù)不同顆粒沉積厚度，顆粒沉積過(guò)程被劃分為四個(gè)階段，如圖3所示，并且可以發(fā)現(xiàn)，該結(jié)果同文獻(xiàn)[17]的結(jié)果類似，進(jìn)一步證明了實(shí)驗(yàn)的正確性。此外，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)DPF載體，在階段Ⅳ開始時(shí)，顆粒層厚度在20 μm左右。

實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1在階段Ⅰ的時(shí)間長(zhǎng)于實(shí)驗(yàn)點(diǎn)2，并且在其他階段也不同，這是由于DPF的孔隙結(jié)構(gòu)分布不均造成的。理論上，應(yīng)該有一些實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在過(guò)濾階段期間不會(huì)沉積顆粒物，但實(shí)際上每一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均可以測(cè)得一定的顆粒沉積厚度，這是因?yàn)榧す恻c(diǎn)的直徑為80 μm(在參考距離)，即80μm直徑激光點(diǎn)測(cè)定區(qū)域中的顆粒物厚度是指該區(qū)域中顆粒物沉積最高點(diǎn)的厚度。在極限情況下，如果某一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)沒(méi)有微孔，那么直到在階段Ⅳ開始，顆粒沉積厚度才可以被測(cè)定。于是，每間隔500 s對(duì)650個(gè)測(cè)量點(diǎn)中處于深床過(guò)濾階段的點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3。由表3可知：在前1 000 s，接近90%的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均處于深床過(guò)濾階段；隨著時(shí)間的增加，部分實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)入過(guò)渡階段，此時(shí)處于深床過(guò)濾階段的點(diǎn)明顯減少；在接近4 000 s處，深床過(guò)濾階段的點(diǎn)已不足10 %。說(shuō)明在大部分測(cè)量點(diǎn)進(jìn)入過(guò)渡階段時(shí)，仍有部分點(diǎn)沒(méi)有進(jìn)行顆粒沉積。

表3 深床過(guò)濾階段的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)Tab.3 The number of experimental points in the deep bed filtration stage

此外，對(duì)于實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1和2，是隨機(jī)選取的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，但其趨勢(shì)并不能代表所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均有相同的趨勢(shì)。針對(duì)于此，對(duì)650個(gè)測(cè)量點(diǎn)中出現(xiàn)“平臺(tái)”現(xiàn)象的點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。

表4 階段Ⅲ的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)Tab.4 The number of experimental points in stage Ⅲ

由表4表明：650個(gè)測(cè)量點(diǎn)中有138個(gè)測(cè)量點(diǎn)會(huì)明顯出現(xiàn)“平臺(tái)”現(xiàn)象，417個(gè)測(cè)量點(diǎn)沒(méi)有明顯的“平臺(tái)”現(xiàn)象，其余實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不能明確判斷，但仍處于這兩者之間。由此，對(duì)于實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1和2，其沉積過(guò)程是普遍存在的。對(duì)于未出現(xiàn)“平臺(tái)”現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，可能是由于顆粒在此處于緩慢增長(zhǎng)。

眾多文獻(xiàn)表明，顆粒沉積過(guò)程分成三個(gè)階段，而通過(guò)本文研究顆粒沉積過(guò)程可分成四個(gè)階段，即將先前確定的過(guò)渡階段可以進(jìn)一步分為兩個(gè)階段，如圖4所示。(Ⅰ)在深床過(guò)濾階段，顆粒沉積在DPF微孔內(nèi)并堵塞微孔，DPF表面沒(méi)有顆粒沉積。(Ⅱ)在顆粒長(zhǎng)樹階段，在DPF微孔被顆粒物堵塞之后，顆粒物仍沉積在DPF微孔上，最終在DPF表面上以形成顆?！皹洹钡募海藭r(shí)，可以通過(guò)激光位移傳感器測(cè)量外部突出的部分作為顆粒沉積厚度。由于由微孔占據(jù)的表面面積是整個(gè)DPF表面的小部分，因此，該顆?！皹洹钡念w粒沉積厚度速率比在整個(gè)表面上增加得更快。(Ⅲ)在顆粒搭橋階段，顆粒物開始在微孔附近沉積并向外延伸，所以顆?！皹洹钡母叨仍黾泳徛踔镣Ｖ乖鲩L(zhǎng)。因此，通過(guò)上述，過(guò)渡過(guò)濾階段就可再分成階段Ⅱ與階段Ⅲ。(Ⅳ)在表面過(guò)濾階段，顆粒“樹”連接階段完成后，顆粒物開始在顆粒層上沉積，并覆蓋整個(gè)DPF表面。此階段的顆粒沉積厚度呈線性增加，但增長(zhǎng)率較階段Ⅱ小。并且可以發(fā)現(xiàn)，該結(jié)果同文獻(xiàn)[16-17]的結(jié)果類似，進(jìn)一步證明了實(shí)驗(yàn)的正確性。

圖4 顆粒沉積過(guò)程Fig.4 The deposition process of particles

3.2 過(guò)濾壓降隨時(shí)間、顆粒沉積厚度變化關(guān)系影響研究

DK4A柴油機(jī)過(guò)濾壓降隨時(shí)間變化關(guān)系如圖5所示，而通過(guò)顆粒沉積厚度與過(guò)濾壓降，可得到過(guò)濾壓降隨顆粒沉積厚度的變化關(guān)系，如圖6示。由圖5、圖6可知：過(guò)濾壓降隨時(shí)間變化關(guān)系呈典型的三階段變化關(guān)系，即深床過(guò)濾階段、過(guò)渡階段、表面過(guò)濾階段。而過(guò)濾壓降隨顆粒沉積厚度的增長(zhǎng)同樣呈現(xiàn)典型的三個(gè)階段變化。深床過(guò)濾階段，顆粒在DPF內(nèi)部沉積，其沉積厚度值不變且近似為0，但過(guò)濾壓降呈現(xiàn)快速上升；表面過(guò)濾階段，隨顆粒層厚度的增加，過(guò)濾壓降呈線性增加；過(guò)渡階段，是深床過(guò)濾階段向顆粒層過(guò)濾階段的過(guò)渡，壓降隨顆粒層厚度的增加呈非線性變化關(guān)系。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)：深床過(guò)濾階段壓降增長(zhǎng)率比表面過(guò)濾階段增長(zhǎng)率大，這是因?yàn)樵谏畲策^(guò)濾階段，顆粒僅在微孔內(nèi)沉積，而在表面過(guò)濾階，顆粒物在整個(gè)DPF表面進(jìn)行沉積。

圖5 過(guò)濾壓降隨時(shí)間變化關(guān)系(過(guò)濾速度=0.02 m/s)Fig.5 The pressure drop over time(The filtration velocity=0.02 m/s)

圖6 DK4A過(guò)濾壓降隨顆粒沉積厚度的變化關(guān)系(過(guò)濾速度=0.02 m/s)Fig.6 The relationship between the pressure drop and the particle thickness of DK4A(The filtration velocity=0.02 m/s)

3.3 過(guò)濾速度對(duì)DPF過(guò)濾壓降影響

DPF的壁面過(guò)濾速度一般不超過(guò)0.05 m/s，但為了研究過(guò)濾速度對(duì)DPF過(guò)濾壓降影響，通過(guò)擴(kuò)大過(guò)濾速度范圍，進(jìn)而得到不同過(guò)濾速度下的過(guò)濾壓降如圖7所示，并且其壓降增長(zhǎng)率如表5所示。由圖7可知：隨著過(guò)濾速度的增加，顆粒物沉積量隨著時(shí)間的推移而增加，過(guò)濾壓降增加；在DPF顆粒沉積過(guò)程中，過(guò)濾壓降在深床過(guò)濾和過(guò)渡階段急劇增加，在表面過(guò)濾階段，過(guò)濾壓降與過(guò)濾時(shí)間呈線性關(guān)系；但是過(guò)濾壓降不與過(guò)濾速度成冪指數(shù)為2平方關(guān)系，而是冪指數(shù)大于2，因?yàn)檩^高過(guò)濾速度下，顆粒層密度更大。因此，較高的過(guò)濾速度將導(dǎo)致在過(guò)濾過(guò)程中，顆粒層的過(guò)濾壓降增加更快。

注：為比較不同過(guò)濾速度下顆粒層壓降的增加速率，圖中扣除了DPF壁面過(guò)濾壓降，將初始?jí)航到y(tǒng)一設(shè)定為0 Pa。圖7 不同過(guò)濾速度下的過(guò)濾壓降Fig.7 The pressure drop under different filtration velocity

過(guò)濾速度(m/s)0.020.030.050.100.15壓降增長(zhǎng)率(Pa/s)0.0540.122 20.345 41.415 43.152 7

4 結(jié) 論

基于DPF沉積過(guò)程可視化裝置，研究了DK4A柴油機(jī)顆粒的沉積過(guò)程，包括：顆粒沉積厚度、過(guò)濾壓降隨時(shí)間變化關(guān)系以及過(guò)濾壓降隨顆粒沉積厚度變化關(guān)系。研究結(jié)果表明：

4.1 顆粒沉積厚度隨時(shí)間的變化可以分為了四個(gè)階段，即：深床過(guò)濾階段、長(zhǎng)樹階段、搭橋階段以及表面過(guò)濾階段；其中，長(zhǎng)樹階段與搭橋階段實(shí)際上是對(duì)應(yīng)典型三階段中的過(guò)渡階段。

4.2 過(guò)濾壓降隨時(shí)間以及過(guò)濾壓降隨顆粒沉積厚度均呈典型的三階段變化關(guān)系。此外，對(duì)于該實(shí)驗(yàn)DPF載體，在表面過(guò)濾階段開始時(shí)，顆粒層厚度在20 μm左右。

4.3 在表面過(guò)濾階段，過(guò)濾壓降不與過(guò)濾速度成冪指數(shù)為2平方關(guān)系，而是冪指數(shù)大于2。