李奕聞,范憲濤,楊培興,白書戰(zhàn)*

1.山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250061;2.山東宇洋汽車尾氣凈化裝置公司,山東聊城 252100

0 引言

柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性好、可靠性及熱效率高,但其尾氣中含有NOx、HC、顆粒物(particulate matter,PM)等大量有害污染物,危害人體健康和自然環(huán)境。為嚴(yán)格控制柴油機(jī)污染物排放,歐VI、國六排放標(biāo)準(zhǔn)不僅要求PM排放降低50%,還新增了對粒子數(shù)量(particle number,PN)的限制。柴油機(jī)顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)技術(shù)是目前降低顆粒物排放的主要機(jī)外技術(shù)手段。DPF一般采用壁流式蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu),通過在載體上涂覆貴金屬涂層,以過濾方式有效降低顆粒物排放。DPF中累積的積碳有助于提高DPF捕集效率,但孔道內(nèi)捕集的顆粒物不斷增加,使柴油機(jī)混合氣分布不均勻、排氣背壓增大,造成發(fā)動機(jī)動力性與經(jīng)濟(jì)性降低。因此,為提高DPF的工作性能、延長其使用壽命,當(dāng)DPF內(nèi)積碳達(dá)到一定限值時,必須將顆粒物進(jìn)行周期性清除,這一過程為DPF再生[1]。積碳可利用氧化反應(yīng)去除,發(fā)生氧化反應(yīng)的起燃溫度為775～875 K,而柴油機(jī)排氣溫度一般為520～770 K。根據(jù)積碳氧化所需能量的來源,DPF再生方式分為利用外界能量進(jìn)行的主動再生和利用柴油機(jī)自身能量進(jìn)行的被動再生[2-3]。

合理的DPF再生能夠提高柴油機(jī)運(yùn)行效率和燃油經(jīng)濟(jì)性,再生時機(jī)取決于對穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況下DPF內(nèi)部積碳量的準(zhǔn)確預(yù)測。傳統(tǒng)的積碳量預(yù)測方法為通過試驗(yàn)標(biāo)定和基于壓降構(gòu)建積碳量估算模型。目前,運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測DPF內(nèi)部積碳量的研究較多。本文中,主要分析不同參數(shù)對DPF孔道內(nèi)顆粒沉積分布特性的影響,研究影響DPF再生性能的因素和積碳量預(yù)測方法,為優(yōu)化DPF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及完善再生技術(shù)提供參考。

1 DPF內(nèi)顆粒沉積分布

1.1 沉積機(jī)理

DPF通過孔道內(nèi)的多孔介質(zhì)過濾體使排氣顆粒沉積在多孔介質(zhì)中,沉積機(jī)理主要包括布朗擴(kuò)散、攔截捕集、慣性碰撞、重力沉降、熱泳作用和靜電感應(yīng)。若尾氣中的極性碳?xì)浞肿犹幱谶^熱狀態(tài)[4],或等離子體和電場不存在時[5],靜電力可以忽略;若孔道內(nèi)部視為溫度近似不變的區(qū)域,僅考慮顆粒捕集時,熱泳力可忽略不計(jì)[6]。因此,在研究排氣顆粒沉積特性時主要考慮4種機(jī)理:1)布朗擴(kuò)散。在氣體分子熱運(yùn)動的影響下,排氣顆粒物做布朗運(yùn)動,偏離排氣氣流的運(yùn)動軌跡流線,被多孔介質(zhì)過濾體捕集。2)攔截捕集。排氣顆粒的直徑大于或等于孔道內(nèi)部過濾體的孔隙直徑時,無法通過過濾體而被捕集。3)慣性碰撞。排氣通過過濾體孔隙時,氣體在收縮壓力的影響下改變運(yùn)動軌跡,但顆粒的質(zhì)量遠(yuǎn)大于氣體,仍保持原流線方向以致碰撞到過濾體上而被捕集。4)重力沉降。受到重力作用的顆粒與過濾體壁面接觸后被捕集。通常排氣顆粒粒徑小于20 μm時,可以忽略重力作用對顆粒沉積的影響。

顆粒沉積過程可以分為4個階段:1)第1階段,顆粒在微孔內(nèi)部沉積,沉積高度為0,可稱為深床期;2)第2階段,堆積在微孔處的顆粒逐漸變成“長樹”形態(tài),沉積高度呈線性迅速增長,可稱為長樹期;3)第3階段,各“顆粒樹”互相連接,沉積高度增長漸緩,可稱為搭橋期;4)第4階段,在整個多孔陶瓷表面形成顆粒層,沉積高度以小于第2階段的增長率進(jìn)行線性增長,可稱為顆粒層期[7]。目前有關(guān)壁流式載體顆粒沉積的試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究中,將沉積過程主要分為深床捕集與煙餅層捕集。

1.2 不同參數(shù)對顆粒沉積特性的影響

分析入口流速、粒徑、灰分沉積量、過濾體結(jié)構(gòu)等對DPF孔道內(nèi)顆粒沉積分布規(guī)律的影響,對提高DPF內(nèi)壁面處顆粒物的碰撞概率與再生效率、縮短DPF再生周期、優(yōu)化再生控制策略并改進(jìn)DPF結(jié)構(gòu)有重要意義。

1.2.1 入口流速

文獻(xiàn)[8]通過仿真研究了顆粒數(shù)為5 000 、不同DPF入口流速時顆粒在單元體上的沉積形貌,結(jié)果如圖1所示。 由圖1可知:入口流速越大,單元體表面沉積的顆粒數(shù)量越少;入口流速為2.83、5.09 m/s時,在單元體表面上可以觀測到顆粒鏈;入口流速較大使顆粒與單元體表面發(fā)生碰撞時出現(xiàn)反彈,迎風(fēng)面上沉積的顆粒數(shù)量減少,側(cè)面與背面較多。入口流速的變化改變DPF孔道內(nèi)流場分布,影響顆粒的運(yùn)動軌跡和顆粒在多孔介質(zhì)過濾體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的沉積。文獻(xiàn)[9-11]表明:當(dāng)顆粒粒徑相同時,入口流速對顆粒沉積分布的影響較大;當(dāng)入口流速不變時,顆粒粒徑對顆粒沉積分布的影響較小;粒徑越大,顆粒的沉積位置越靠近孔道末端。

1.2.2 顆粒粒徑

文獻(xiàn)[8]研究當(dāng)通過的粒子數(shù)為5 000、入口流速為2.83 m/s時,不同粒徑的顆粒在單元體上的沉積如圖2所示。由圖2可知:單元體表面的顆粒層厚度隨粒徑的增大而增大,在顆粒層外表面形成了豐富的樹狀顆粒鏈。

a)粒徑為1.0 μm時主視圖 b)粒徑為1.5 μm時主視圖 c)粒徑為2.0 μm時主視圖

文獻(xiàn)[12]將孔道平分為4段(S1、S2、S3、S4),分別統(tǒng)計(jì)各段在不同入口流速u0、粒徑下的顆粒沉積數(shù)量,結(jié)果如表1所示。由表1可知:u0=1 m/s時,孔道壁面處沉積的不同粒徑顆粒分布較為均勻;u0=3、6 m/s時,顆粒逐漸在靠近孔道中、后段處沉積。文獻(xiàn)[12]定量分析了有效顆粒群(非沉積顆粒)的均方位移(能實(shí)時計(jì)算孔道中顆粒群位置分布),結(jié)果表明:有效顆粒群的均方位移隨入口流速的增大而增大,這與文獻(xiàn)[9-11]的研究結(jié)果一致:相較于粒徑,入口流速對孔道內(nèi)顆粒沉積分布的影響更大。

表1 不同區(qū)段的顆粒沉積數(shù)目統(tǒng)計(jì)

1.2.3 灰分沉積量

文獻(xiàn)[13]研究沉積溫度為20 ℃、沉積速度為0.05 m/s時,灰分沉積量分別為0、1、2、4、8 g/L對DPF壓降、煙餅層厚度的影響,結(jié)果如圖3所示。

a)DPF壓降 b)煙餅層厚度圖3 沉積溫度為20 ℃、沉積速度為0.05 m/s時5種不同灰分沉積量對DPF壓降、煙餅層厚度的影響

由圖3可知:隨著灰分沉積量的增大,初始壓降增大,煙餅層階段的開始時間(曲線上圓圈位置)逐漸提前;灰分沉積量為2 g/L可視為過濾體的新過濾層,類似于形成了雙層過濾機(jī)制,能有效降低過濾壓降。文獻(xiàn)[14]發(fā)現(xiàn)灰分粒徑較大時有利于顆粒沉積,相當(dāng)于“覆膜”作用。

1.2.4 過濾體結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[15]計(jì)算分析過濾體孔隙率對DPF通道進(jìn)口顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、出口顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、捕集效率、通道尾部背壓、通道整體背壓的影響,結(jié)果如表2所示。由表2可知:隨多孔介質(zhì)過濾體層孔隙率的增加,過濾體捕集效率降低、背壓減小,這是由于多孔介質(zhì)過濾體層的微孔直徑增大,對顆粒物過濾效果減弱,顆粒物沉積數(shù)量減少,導(dǎo)致氣流受到的流動阻力減小。

表2 不同過濾體孔隙率對進(jìn)出口顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、捕集效率、通道尾部背壓、通道整體背壓的影響

此外,增大壁面滲透率可以增大深床過濾階段孔道內(nèi)顆粒沉積分布的不均勻性,煙餅層厚度的增加可以降低顆粒分布的不均勻性[16-17]。

綜上,DPF內(nèi)顆粒沉積分布特性受入口流速、顆粒粒徑等參數(shù)的影響,顆粒沉積也同樣影響多孔介質(zhì)過濾體結(jié)構(gòu)的孔隙率、滲透率等參數(shù)。顆粒沉積分布特性影響DPF再生溫度場、壓降特性以及捕集效率。由于排氣中存在多種組分,顆粒間的相互理化作用復(fù)雜,目前對DPF內(nèi)顆粒沉積的數(shù)值模擬研究中采用簡化模型,忽略了溫度對顆粒沉積效率的影響、孔道內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、實(shí)際道路應(yīng)用中多種激振信號形成的隨機(jī)振動對微觀下DPF通道內(nèi)顆粒團(tuán)聚與破碎的影響,因此,應(yīng)進(jìn)一步研究振動狀態(tài)下多參數(shù)對微通道內(nèi)顆粒沉積或溫度場分布的影響。

2 DPF內(nèi)積碳量的預(yù)測方法

DPF內(nèi)積碳量估算的準(zhǔn)確性對于提高再生完全性、保障工作安全、減少再生頻率及建立高效的再生控制策略具有重要意義。

目前,在DPF積碳量的研究中,普遍利用MATLAB/Simulink平臺搭建碳煙加載模型,但對積碳量估算模型標(biāo)定的方法各不相同:文獻(xiàn)[18]基于臺架試驗(yàn)取得的穩(wěn)態(tài)工況與穩(wěn)態(tài)加載過程的DPF壓降對模型進(jìn)行標(biāo)定;文獻(xiàn)[19]提出了一個新型的由改進(jìn)的堇青石組分組成的催化型柴油機(jī)顆粒捕集器(catalyst diesel particulate filter,CDPF)概念,該CDPF沒有涂層,積碳量和壓降近似線性關(guān)系,積碳量可以直接由壓降確定;文獻(xiàn)[20]采用了離線方式進(jìn)行積碳量仿真模型的標(biāo)定及優(yōu)化,該方法可以提高標(biāo)定效率、減少整車試驗(yàn)時間及標(biāo)定工作,但標(biāo)定難度未降低;文獻(xiàn)[21]采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測積碳量,通過迭代優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)自動標(biāo)定,試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,該方法提高了標(biāo)定精度、縮減了標(biāo)定時間,且預(yù)測的積碳量平均偏差為0.11 g/L,滿足實(shí)際工程要求。

在某些工況或?qū)嶋H車輛運(yùn)行中,基于壓差估算積碳量或利用多工況試驗(yàn)標(biāo)定積碳量的方法,很難準(zhǔn)確預(yù)測瞬態(tài)下DPF內(nèi)的積碳量。近年來,運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法估算積碳量的研究越來越多,該方法預(yù)測精度較高,但用以驗(yàn)證的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,而且能預(yù)測的柴油機(jī)污染物單一[22]。

3 DPF再生性能

3.1 DPF再生方法

DPF主動再生技術(shù)主要有噴油助燃、電加熱和微波加熱等,被動再生技術(shù)主要有催化劑輔助再生、燃油添加劑催化再生和連續(xù)再生等[23]。目前國內(nèi)外主要采用的再生技術(shù)有助燃再生、加熱再生和催化再生[23]。

噴油助燃再生技術(shù)需要將DPF與氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)配套使用。文獻(xiàn)[23]通過在DOC前噴射柴油,借助氧化反應(yīng)放出的熱量提高排氣溫度,研究發(fā)現(xiàn)該助燃方法不僅能快速實(shí)現(xiàn)再生,還能減小二次污染排放量;文獻(xiàn)[24]運(yùn)用缸內(nèi)次后噴(late post injection,LPI)的主動再生方法,提高排氣中HC含量,使其在DOC內(nèi)氧化放熱,滿足DPF再生溫度需求;文獻(xiàn)[25]對比研究缸內(nèi)遠(yuǎn)后噴(與LPI類似,但在噴射時間上略有不同)與排氣管噴油的再生性能,發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)遠(yuǎn)后噴的再生時間較長且HC泄露較多;文獻(xiàn)[26]采用電加熱技術(shù)進(jìn)行DPF再生,發(fā)現(xiàn)再生后各工況下的DPF過濾效率均超過88%,這與潔凈狀態(tài)下DPF的過濾效率基本一致,且再生后排氣背壓變化不大,但實(shí)現(xiàn)再生過程所需的時間比DOC助燃方法長。

文獻(xiàn)[27]使用環(huán)烷酸鈰溶劑促進(jìn)沉積顆粒物燃燒,實(shí)現(xiàn)燃油催化再生,通過對DPF的再生平衡溫度、壓降特性和燃燒灰燼等進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)環(huán)烷酸鈰溶劑不僅明顯降低了顆粒的著火點(diǎn),實(shí)現(xiàn)有效再生,還增強(qiáng)了DPF的顆粒儲備能力,提高了過濾體捕集效率。文獻(xiàn)[28-29]研究了某鐵基型燃油添加劑FBC對再生性能的影響,發(fā)現(xiàn)FBC可降低再生溫度,能夠有效提高DPF的被動再生效率。

3.2 降怠速對DPF再生溫度場的影響

在再生過程的初始階段,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速迅速降至怠速(drop-to-idle,DTI),此時排氣流量大幅減小,已開始的氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量無法及時被氣流帶走,DPF內(nèi)存在較大的溫度梯度和較高的峰值溫度,極易導(dǎo)致過濾體損壞和催化劑失效[30]。因此,研究DPF在DTI再生工況時的性能,判定載體安全再生的極限積碳量和極限再生溫度,對再生標(biāo)定及載體匹配選型有一定的參考價值[31-32]。

文獻(xiàn)[30]開展臺架對比試驗(yàn),通過調(diào)控排氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)(簡稱氧控)控制DTI再生過程,研究不同再生方式對載體溫度的影響,不同DTI再生方式試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同DTI再生方式試驗(yàn)結(jié)果對比

由表3可知:相比DTI再生,積碳量相同時,氧控DTI再生可有效降低載體內(nèi)峰值溫度,積碳量為9 g/L時氧控DTI再生載體峰值溫度僅升高80 ℃。在保障載體再生溫度安全的條件下氧控DTI再生可以拓寬積碳量閾值并延長再生周期,但導(dǎo)致柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化,排放大量二次污染物,還需要對其進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

為確定DPF載體再生安全的極限積碳量、極限溫度,文獻(xiàn)[31-32]進(jìn)行了DTI再生試驗(yàn),研究不同積碳量下DTI再生的溫度分布,通過對比DTI再生后載體的過濾效率與載體狀態(tài)判定積碳量的上限。文獻(xiàn)[31]研究發(fā)現(xiàn):在積碳量為8、10 g/L時進(jìn)行DTI再生不會燒損DPF載體,DPF過濾效率高達(dá)97%;在積碳量為12 g/L、溫度為600 ℃時進(jìn)行DTI再生,載體內(nèi)部峰值溫度超過1 500 ℃,載體損壞, DPF過濾效率降低至87.3%。文獻(xiàn)[32]分析積碳量為9、10、11 g/L時的DTI試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)積碳量為11 g/L時DTI再生后的PM、PN排放均不滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求,且載體內(nèi)部開裂。眾多研究表明,積碳量為11 g/L是DPF載體安全再生的上限。

基于DTI再生試驗(yàn),文獻(xiàn)[33]采用內(nèi)?？刂品椒?設(shè)計(jì)一種前饋控制律和反饋控制律相結(jié)合的新型DPF再生溫度控制策略,并在實(shí)際駕駛循環(huán)的瞬態(tài)條件進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:在熱再生的初始階段,溫度超調(diào)小于5%,跟蹤誤差保持在目標(biāo)再生溫度的±15 ℃以內(nèi),有利于DPF安全、高效熱再生。

3.3 影響DPF再生性能的因素

現(xiàn)階段,對DPF再生的研究集中在再生控制策略與再生機(jī)理2方面,通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬仿真分析DPF載體結(jié)構(gòu)參數(shù)、來流參數(shù)、物理化學(xué)反應(yīng)等對再生性能及顆粒物排放的影響,為優(yōu)化DPF再生性能提供理論參考和試驗(yàn)依據(jù)[34]。

對DPF再生性能影響因素的相關(guān)研究中,文獻(xiàn)[35-36]建立了DPF再生模型,分析孔隙率、排氣流量等參數(shù)對再生過程中壓降、溫度的影響,發(fā)現(xiàn)排氣流量增大能加快再生反應(yīng),較小的孔隙率提高再生性能;文獻(xiàn)[37]發(fā)現(xiàn)載體材料對DPF再生性能影響較大,載體材料為SiC的DPF在再生初始階段熱損失較高,載體材料為鈦酸鋁的DPF再生時CO排放較低,載體材料為堇青石的DPF再生時壓降增大;文獻(xiàn)[38]研究發(fā)現(xiàn),帶有緩沖區(qū)域的載體結(jié)構(gòu)承受的熱應(yīng)力相對較小,更有利于DPF的再生;文獻(xiàn)[39]建立了非熱等離子體技術(shù)的DPF再生系統(tǒng)模型,研究殘余灰分對DPF再生的影響,通過觀測再生除碳質(zhì)量和峰值溫度判定再生效果,結(jié)果表明,灰分的增加使除碳質(zhì)量上升,但其達(dá)到完全再生和峰值溫度的時間延長。

關(guān)于顆粒特性對DPF再生性能影響的相關(guān)研究中,文獻(xiàn)[34]發(fā)現(xiàn)粒徑相同的碳黑的比表面積越大,DPF再生效率越高,相較于碳黑,柴油機(jī)顆粒的起燃點(diǎn)較低、再生效率較高;文獻(xiàn)[40]發(fā)現(xiàn)再生過程中產(chǎn)生的氣體和顆粒物主要集中在快速再生周期,優(yōu)化再生溫度、保持低流動再生有利于提升再生性能,減少顆粒物排放;文獻(xiàn)[41]進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn),研究CDPF在發(fā)動機(jī)怠速時的主動再生性能,發(fā)現(xiàn)怠速再生階段存在快速氧化期,顆粒物在此階段快速燃燒,控制入口溫度鋸齒形上升,可避免過濾體內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度,再生效率達(dá)到90.55%。

綜上所述,調(diào)節(jié)DPF再生入口溫度或采用催化再生的再生效率都較高;DTI再生時積碳量的上限為11 g/L;較大的排氣流量、較小的孔隙率和適宜的殘余灰分量等都有利于再生。但目前還沒有更為成熟的、能綜合考慮顆?；瘜W(xué)反應(yīng)及熱應(yīng)力、氣-固耦合傳熱、傳質(zhì)等因素的DPF再生模型,已有模型的局限性不能詳細(xì)描述DPF的再生反應(yīng)過程,應(yīng)結(jié)合DOC開展研究,或建立單通道模型分析應(yīng)力和應(yīng)變。

4 結(jié)束語

對DPF再生技術(shù)進(jìn)行總結(jié),分析不同參數(shù)對DPF內(nèi)顆粒沉積分布特性的影響,對準(zhǔn)確預(yù)測積碳量方法以及影響DPF再生性能的因素進(jìn)行探究,提出了可行的微觀通道內(nèi)顆粒沉積與再生技術(shù)研究方向,得到如下結(jié)論。

1)相較于粒徑,入口流速更能決定孔道內(nèi)顆粒沉積分布;合適的灰分沉積量能有效降低過濾壓降,且較大的灰分粒徑有利于沉積過程;壁面滲透率越大,顆粒分布越不均勻,但煙餅層厚度的增加可以降低顆粒分布的不均勻性。

2)雖然自動標(biāo)定法能準(zhǔn)確預(yù)測積碳量,縮短標(biāo)定周期,但是其還不能對柴油機(jī)全污染物進(jìn)行預(yù)測,需要大量的實(shí)際工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷優(yōu)化標(biāo)定。

3)載體結(jié)構(gòu)參數(shù)、來流參數(shù)、物理化學(xué)反應(yīng)、降怠速再生等都對DPF再生性能產(chǎn)生影響。

4)研究DPF內(nèi)顆粒沉積特性或再生技術(shù)的新思路為:考慮多種激振信號耦合的隨機(jī)振動對DPF內(nèi)微觀層面上顆粒團(tuán)聚、破碎的影響,分析其對DPF內(nèi)流場及顆粒沉積分布的影響;建立詳細(xì)的微通道計(jì)算模型,盡量結(jié)合DOC開展研究并考慮全面的顆粒化學(xué)反應(yīng),準(zhǔn)確模擬再生反應(yīng)過程;綜合考慮多參數(shù)對再生性能的影響,開發(fā)更簡單可靠、成本更低的再生技術(shù)。