陳貴升，李 青，陳春林，盧申科，呂 譽，沈穎剛，黃 震

（1.昆明理工大學，云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500； 2.云南菲爾特環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆ッ?650300）

前言

壁流式柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）的捕集效率可達90%以上，是目前公認最有效的柴油機排放顆粒物凈化裝置［1-2］。但隨著顆粒物在DPF內部不斷累積，會導致發(fā)動機排氣背壓升高，影響發(fā)動機和DPF的性能［3］。為減小因顆粒物沉積對柴油機和DPF性能的影響，須對DPF內部碳煙進行連續(xù)性或周期性氧化再生。催化型柴油機顆粒捕集器（catalyzed diesel particulate filter，CDPF）通過在過濾體表面涂覆催化劑，降低了顆粒物氧化反應活化能［4］，使顆粒物在較低溫度條件下實現(xiàn)連續(xù)性的氧化再生。

隨著DPF內部顆粒物不斷氧化再生，部分不可燃成分將會殘留下來形成灰分［5］。由于灰分無法通過氧化再生的方式進行清除，DPF整個生命周期內絕大多數(shù)時間都伴隨著灰分［6-7］。美國環(huán)保署規(guī)定的重型柴油車DPF最小清灰間隔里程數(shù)為24.1萬 km［8］。Chiara等［9］提出了一種控制導向的CDPF再生模型，通過集成控制方法調整控制質量和能量方程，大大降低了CDPF的工程開發(fā)和設計周期。Zhang等［10］通過試驗的方法定量評估了灰分對重型柴油車DPF相關油耗的影響。Sappok等［11-12］通過試驗觀測了灰分的成分，并對不同灰分量下，灰分分布系數(shù)（即孔道末端的灰分堵頭占總灰分的比例）進行了數(shù)據擬合。Gaiser等［13］認為隨著灰分量的增加，載體的最佳幾何形狀將朝著更長的方向變化。Heibel等［14-15］在發(fā)動機試驗臺架通過對燃油摻混高灰分機油的方式，研究了灰分對對稱和非對稱結構DPF壓降特性的影響。Jiang等［16］采用數(shù)值方法對DPF灰分沉積和捕集過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)沉積在壁面的層狀灰分有利于提高捕集效率，而孔道末端的灰分堵頭會減小捕集面積，從而降低捕集效率。

以上對DPF的結構、壓降特性和再生特性的研究已經比較全面，但每項研究工作大多僅對DPF的其中一種性能開展研究，很少對DPF多項性能進行綜合考慮，且其研究的載體各項技術參數(shù)相對落后。目前，面向國六的DPF已經朝著高目數(shù)、薄壁和非對稱結構的方向發(fā)展，且需要催化劑涂覆。本文中采用最新面向國六的CDPF搭建柴油機加裝后處理的試驗臺架，對比研究了不同結構CDPF對發(fā)動機性能的影響和碳煙對CDPF壓降特性的影響，并通過數(shù)值模擬研究了灰分量和灰分分布形態(tài)對CDPF再生特性的影響規(guī)律，為國六柴油機的CDPF工程開發(fā)和選型提供一定的理論依據。

1 臺架的搭建和模型構建與驗證

為方便模型計算與收斂，在計算過程中對數(shù)值模型作如下假設：

（1）將排氣視為理想氣體，假設所有排氣顆粒物粒徑相同且均勻分布；

（2）忽略膠黏區(qū)域，載體材料視為絕熱。

1.1 試驗臺架

試驗對象為D30TCI電控高壓共軌柴油機（國六排放），其主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 D30TCI柴油機主要參數(shù)

試驗中采用的柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）為400目的堇青石載體，其催化劑涂覆量為 706.29 g／m3（20 g／ft3），配比為 0.78。試驗用CDPF載體具體參數(shù)見表2。

表2 CDPF主要參數(shù)

分別對柴油機在兩種不同結構的新鮮態(tài)CDPF載體條件下進行外特性試驗，對比分析不同CDPF對柴油機性能的影響，同時分析柴油機外特性條件下新鮮態(tài)CDPF的壓降特性。

為研究碳載量對CDPF和柴油機性能的影響，首先對CDPF進行碳煙積累，碳煙加載試驗在柴油機轉速1 400 r／min、轉矩105 N·m工況下進行，將CDPF入口溫度控制在250℃以下，以防止碳煙進行被動再生，影響積碳效率。分別將各載體碳煙累積到 2、4、6和8 g／L后，進行外特性試驗。

1.2 數(shù)學模型

采用CFD軟件構建了顆粒捕集器三維熱力學模型。為探究CDPF在再生過程中載體內不同位置的溫度變化情況，在載體軸向與中心位置徑向處分別等距選取5個數(shù)據采集點，徑向和軸向相鄰兩點間距離分別為28和32 mm，如圖1所示。點3為軸向與徑向上的重合點，故共有9個溫度測點。

在吸引更多人加入老年護理行業(yè)方面，各國政府和企業(yè)都使出了渾身解數(shù)。甚至解決問題的思路也相當一致，那就是：一方面從外部引進人才，一方面采取各種激勵措施吸引本國勞動力。

圖1 CDPF載體溫度測點分布位置圖

CDPF再生反應過程中，主要是氣固兩相的表面反應。再生反應模型的方向是基于沿碳煙層積累的氣相連續(xù)性方程和沿碳煙層厚度方向的物質守恒方程［17］：式中：MGj為氣體j的摩爾質量；S為氣體組分種類數(shù)目；R為發(fā)生化學反應的總數(shù)目；wg，j為氣體j的質量分數(shù)；vij為第i項反應中氣體j的化學反應系數(shù)；ri（yg，Ts）為第 i項的摩爾反應速率。

由于本文中研究的CDPF為被動再生，故采用C-O2-NO-NO2反應模式，共涉及5個化學反應：其中排氣中的NO在催化劑涂層中Pt元素的作用下，通過式（7）反應再次生成NO2繼續(xù)氧化碳煙顆粒，而NO與NO2之間的可逆反應也被考慮。

1.3 模型驗證

模型可靠性主要取決于化學動力學和反應機理，載體物理結構不會影響模型計算準確性。因此，本文中CDPF捕集和再生模型在300目高孔隙率對稱結構CDPF條件下進行驗證。

捕集模型驗證在柴油機1 800 r／min、100%負荷工況下進行，其排氣質量流量為288 kg／h，排氣溫度為700 K，排氣顆粒物濃度為5×10-4，初始碳載量為0。再生模型在捕集模型的基礎上進行驗證，再生試驗在 CDPF初始碳載量 4 g／L、柴油機 2 000 r／min、100%負荷工況下進行，其排氣質量流量為350 kg／h，排氣溫度為730 K，排氣顆粒物濃度為5×10-4。

圖2為CDPF捕集過程和再生過程的壓降模擬值與試驗值的對比。由圖可見，模擬值與試驗值很好吻合，表明模型精度滿足計算要求，可用于對真實CDPF工作特性的預測。

圖2 CDPF捕集與再生過程壓降的模擬值與試驗值對比

2 不同結構CDPF對柴油機性能的影響

傳統(tǒng)的DPF載體孔結構采用均勻的進出口孔道結構，稱為對稱孔道結構；而通過改變進／出孔徑比例大小，使進口孔徑大于出口孔徑，則為非對稱孔道結構（asymmetric cell technology，ACT）。柴油機排氣背壓會直接影響柴油機動力性與經濟性，而CDPF的結構和流通特性會直接影響排氣背壓。在柴油機外特性工況下，針對新鮮態(tài)對稱與非對稱結構CDPF的壓降特性進行了試驗分析。

圖3為柴油機原機和加裝不同結構CDPF后柴油機的動力性和經濟性對比。加裝CDPF后柴油機轉矩和進氣流量均有所下降，有效燃油消耗率和渦后溫度有所升高。這是因為柴油機加裝CDPF后排氣背壓上升，泵氣損失增加，進氣流量下降，導致轉矩下降，有效燃油消耗率和渦后排溫增加。由于試驗所用的CDPF為新鮮態(tài)載體，非對稱CDPF出口孔徑縮小造成的壓降升高占主導地位，因此，加裝非對稱結構CDPF的柴油機進氣流量低于對稱結構，有效燃油消耗率和排氣溫度高于對稱結構。

圖3 不同結構CDPF對柴油機性能的影響

圖4 為不同碳載量下，不同結構CDPF壓降對比，兩種結構CDPF的壓降均隨著碳載量的增加而增加。與對稱結構CDPF相比，非對稱結構CDPF的壓降在碳載量較高時（碳載量≥6 g／L）整體上低于對稱結構，非對稱結構CDPF壓降在碳載量較低時（碳載量＜6 g／L）高于對稱結構。這是因為非對稱結構CDPF的入口孔徑較大，碳載量較大時，會導致碳煙層厚度變薄，壓降降低；碳載量較低時，非對稱結構CDPF由于出口孔徑減小而增加的壓降占主導地位。此外，非對稱結構CDPF在高轉速時的壓降隨著碳載量的增加而明顯降低，這與李志軍等［18］的模擬結果一致。

圖4 不同碳載量下CDPF壓降隨轉速的變化

3 灰分對CDPF再生特性的影響

CDPF生命周期內絕大多數(shù)工作時間都伴隨著灰分，灰分沉積在進口通道不僅會影響CDPF壓降和捕集特性，還會對再生產生較大影響?；曳至繉Σ煌慕Y構CDPF的影響也不同，本節(jié)中對碳載量為6 g／L時，灰分對不同結構CDPF再生特性的影響進行了研究。表3為模型初始邊界條件，定義灰分分布系數(shù)d為壁面灰分量mlayer占總灰分量mall的比例，即 d＝mlayer／mall。

表3 CDPF邊界條件

圖5為碳載量為6 g／L、灰分分布系數(shù)為1時，不同灰分量下CDPF再生壓降與再生溫度變化對比。載體孔道內有灰分沉積時，CDPF再生壓降和溫度均高于無灰分沉積的載體，且隨灰分量增加而升高。這是由于灰分沉積在過濾壁面上，降低了孔道壁面的滲透率，且隨著灰分量的增加，灰分層變厚，氣體的流通阻力越大，導致壓降升高。同時，碳煙再生過程中燃燒釋放的熱量大量傳遞給灰分層，灰分層熱容量和熱阻均增加，導致再生溫度升高。相同灰分量下，非對稱CDPF壓降和壁面最高溫度均低于對稱結構，這是由于非對稱結構增大了進口孔道的表面積，降低了孔道內灰分的厚度，使壓降降低，同時降低了灰分的熱容量和熱阻，從而降低了載體再生溫度。隨著灰分量的增加，對稱結構CDPF的再生壓降與溫度升高幅度更大。

圖5 不同灰分量下CDPF再生壓降和溫度變化

載體內無灰分沉積時，不同結構CDPF再生過程中碳載量變化和顆粒再生速率的差異性較小，當載體孔道內有灰分沉積時，CDPF再生速率升高，剩余碳載量較少，如圖6所示。再生期間剩余碳煙量隨灰分量升高而降低，碳煙再生速率隨灰分量增加而升高?；曳至康陀?2.5 g／L時，非對稱孔道再生碳載量與碳煙氧化速率高于對稱孔道；灰分量高于12.5 g／L時，由于非對稱結構CDPF較大的進口孔道面積使碳餅層和灰分層變薄更加明顯，導致碳煙再生速率和再生碳載量降低。

圖7和圖8分別為CDPF徑向和軸向測量點再生溫度對比。再生過程中，載體溫度在徑向上呈中間高邊緣低的趨勢；載體溫度在軸向上呈現(xiàn)前端低，后端高的趨勢，且越靠近后端，溫度峰值出現(xiàn)越晚，對稱結構與非對稱結構的徑向和軸向溫度沒有明顯差異。這是因為徑向上載體邊緣由于向環(huán)境對流散熱，導致溫度低于中心溫度；碳煙均勻分布在孔道內，軸向上靠近載體前端的碳煙首先開始氧化，碳煙氧化釋放的熱量隨排氣流的作用向載體后端移動，導致后端溫度較高，后端碳煙氧化滯后，所以峰值溫度出現(xiàn)較晚。

圖6 不同灰分量下再生過程中碳載量和再生速率變化

圖7 CDPF徑向溫度分布

圖8 CDPF軸向溫度分布

4 灰分分布系數(shù)對不同結構CDPF再生特性的影響

不同灰分分布系數(shù)對CDPF再生特性影響也存在差異，本節(jié)中將對碳載量6 g／L、灰分量40 g／L時，不同結構型式載體的再生特性進行對比分析。

圖9為不同灰分分布系數(shù)下，再生壓降和溫度的變化。由圖可見，兩種結構CDPF再生壓降均隨灰分分布系數(shù)增加先下降再上升。這是因為隨著灰分分布系數(shù)增加，分布在壁面的層狀灰分增加，層狀灰分對壓降的貢獻更大，灰分分布系數(shù)增加至1時，所有灰分均累積在孔道壁面，減小了孔道直徑，導致壓降上升。非對稱結構CDPF再生壓降總體上低于對稱結構，載體再生溫度隨灰分分布系數(shù)增加略有下降。

圖9 不同灰分分布系數(shù)下再生壓降和溫度的變化

圖10 為不同灰分分布系數(shù)下，碳載量和碳煙再生速率的變化。由圖10（a）可見，結構對稱性對碳載量影響不大，而隨著灰分分布系數(shù)的提高，剩余碳載量有所減?。挥蓤D10（b）可見，CDPF再生過程中，再生速率先增后降；非對稱結構CDPF再生速率略低于對稱結構，而灰分分布系數(shù)對載體再生速率影響不大。

圖10 不同灰分分布系數(shù)下碳載量和碳煙再生速率的變化

圖11 非對稱結構CDPF再生壓降和溫度變化

圖11為不同灰分量下，非對稱CDPF再生壓降和再生溫度隨灰分分布系數(shù)的變化趨勢。灰分量越大，再生壓降越大，灰分量較小時，灰分分布系數(shù)再生壓降的影響較?。换曳至枯^大時，灰分對壓降的貢獻增加；而灰分及其分布系數(shù)對再生溫度的影響較小。非對稱結構的碳載量和氧化再生速率的變化如圖12所示。可以看出，灰分分布系數(shù)對碳載量和再生速率影響都較小；隨著灰分量的增加，殘余碳載量略有減小，而再生速率的峰值提高。

圖12 非對稱結構CDPF碳載量和碳煙再生速率的變化

圖13 為不同灰分分布系數(shù)下，非對稱CDPF不同位置的再生溫度變化。由圖13（a）可見，載體溫度在徑向上的分布呈中心高、邊緣低的趨勢，且灰分分布系數(shù)為1時的溫度比灰分分布系數(shù)為0時的稍低。須要特別指出的是點3的溫度與點2和點4很接近，說明載體溫度沿徑向的分布，僅在外邊緣處有較大的溫度梯度；而自點2或點4以內，甚至自半徑比點2稍大的位置以內，溫度就基本沒有變化，載體溫度沿徑向更細的分布規(guī)律有待今后進一步探究。由圖13（b）可見，載體軸向溫度呈前端低后端高的趨勢，至于灰分分布系數(shù)的變化，對頭尾兩端的測點的影響很小，而對中間3個測點而言，在再生的中期，灰分分布系數(shù)為1時的載體溫度比灰分分布系數(shù)為0時的載體溫度稍低，但隨著再生過程的延續(xù)，有趨同傾向。不論是沿徑向還是軸向，在某些測點上，灰分分布系數(shù)為1時的載體溫度比灰分分布系數(shù)為0時的載體溫度稍低的原因，可能是灰分分布系數(shù)大時，載體孔道壁面灰分少，碳煙再生釋放的熱量向環(huán)境傳遞的熱阻低，導熱率高，熱量向環(huán)境的傳遞快，最終導致載體溫度較低。

圖13 不同灰分分布系數(shù)下非對稱結構CDPF不同位置的再生溫度變化

圖14 為不同灰分分布系數(shù)下，CDPF再生最大壓降和最高溫度隨灰分量的變化。由圖14（a）可見，總的變化規(guī)律是：CDPF再生最大壓降隨著灰分量的增大而加大，而隨著灰分分布系數(shù)的增大而減?。欢菍ΨQ結構的最大壓降明顯低于對稱結構，且其差異隨灰分量的增大而加大。由圖14（b）可見，非對稱結構的載體最高溫度，隨灰分量的加大，基本上呈線性關系升高；在灰分量小于13 g／L時比對稱結構稍高，而灰分量大于13 g／L后，卻明顯低于對稱結構，且非對稱結構的載體最高溫度基本不受灰分分布系數(shù)的影響。而對于對稱結構而言，其載體最高溫度，隨灰分量的加大，大致呈二次曲線關系升高，即其溫度的升幅隨著灰分量的增大而加大，但隨著灰分分布系數(shù)的增大，溫度升幅隨灰分量而增大的程度減弱。

圖14 不同灰分分布系數(shù)下，CDPF再生最大壓降和最高溫度隨灰分量的變化

圖15 為不同灰分分布系數(shù)下，CDPF最大再生溫度梯度和剩余碳載量隨灰分量的變化。由圖15（a）可見，整體上載體結構、灰分分布系數(shù)和灰分量均對CDPF最大再生溫度梯度影響不大，CDPF再生最大溫度梯度，大約從灰分量為0時的20.8℃緩慢地增大至灰分量為40 g／L的21.2℃；由圖15（b）可見，隨著灰分量的增加，再生后剩余碳載量下降，但對稱結構CDPF再生后碳載量低于非對稱結構，而隨著灰分分布系數(shù)增加，剩余碳載量減少。這是因為灰分分布系數(shù)較大時載體的溫度和熱容量更大，有利于碳煙氧化反應的發(fā)生，剩余碳載量減少。另外，因結構對稱性和灰分分布系數(shù)引起剩余碳載量的差異，隨著灰分量的增大而加大。

5 結論

圖15 不同灰分分布系數(shù)下，CDPF最大再生溫度梯度和剩余碳載量隨灰分量的變化

（1）CDPF會使柴油機動力性、經濟性略有下降，非對稱結構CDPF可減弱載體對柴油機性能的影響。載體孔道內碳煙累積會增大CDPF的壓降，非對稱結構CDPF可有效減小CDPF的壓降，且隨著碳載量增加，非對稱結構的優(yōu)勢更加明顯。

（2）灰分有利于降低載體向環(huán)境傳熱的導熱率，提高載體熱容量，有利于碳煙的氧化再生。CDPF再生過程溫度呈邊緣低中心高、前端低后端高的分布規(guī)律。

（3）沉積在載體孔道壁面的灰分對壓降的貢獻比沉積在孔道末端的灰分更大，但過度增加孔道末端的灰分會使灰分堵頭變大，降低孔道有效過濾長度，導致壓降急劇增加?；曳址植枷禂?shù)對碳煙氧化再生速率沒有太大的影響。

（4）載體結構、灰分分布系數(shù)和灰分量均對CDPF最高再生溫度梯度影響不大。隨著灰分量的增加，再生后剩余碳載量減少，對稱結構CDPF再生后碳載量均低于非對稱結構，且隨著灰分分布系數(shù)增加，剩余碳載量減少。