灰分沉积对柴油机微粒捕集器再生影响分析*

侯献军 王清森 徐 雷

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1) 武汉 430070)(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2) 武汉 430070)



灰分沉积对柴油机微粒捕集器再生影响分析*

侯献军1,2)王清森1,2)徐 雷1,2)

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)武汉 430070)(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)武汉 430070)

针对壁流式柴油机微粒捕集器再生工作过程，使用GT-Suite软件建立DPF一维再生模型.分析DPF再生过程中灰分的生成机理,以及初始灰分层在DPF进口通道的沉积位置和沉积形状对再生性能的影响.结果表明，灰分沉积在进口通道堵头处会减小DPF有效过滤长度，增大再生过程的温度，减小再生过程的压降.初始灰分沉积量越高，灰分在进口通道上的沉积形状对再生最高温度的影响越大；厚度沿DPF轴向线性减小的灰分沉积形状，对再生期间的压降影响最大.

柴油机;微粒捕集器;灰分沉积;仿真

0 引 言

与汽油机相比，柴油机排气中的HC，CO，CO2排放量低，主要排放物是微粒物质(particulate matter，PM)和NOx.PM表面能吸附SO2及其他污染物，被人体吸入后极易造成损害[1].目前，柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)被公认是控制柴油机PM排放后处理中最有效的装置.

但是当DPF使用一段时间后，随着PM的累积，DPF的排气背压会逐渐上升，导致燃油消耗率增加，因此必须在适合的时机进行再生.再生过程结束后，在DPF过滤通道内会有一定量的残留物质，这些物质被称为灰分.Bodek等[2]通过试验研究证明DPF中的灰分物质主要来源于润滑油和燃油中的添加剂，柴油机内部各零部件磨损，以及排气系统被腐蚀后脱落的残渣.Sappok等[3]通过装有DPF的车辆在道路上实际测量试验中发现，随着测试车量运行里程的增加，DPF通道内沉积的灰分缓慢增加，并影响DPF的再生控制策略.龚金科等[4]基于DPF过滤壁面内灰分沉积的规律和形态，运用球状单元填充床多孔介质物理模型，建立了DPF过滤壁面内灰分深床沉积数学模型，根据该模型研究了DPF过滤壁面捕集单元尺寸和渗透率随灰分沉积量的变化规律，以及DPF压降随深床沉积灰分质量的变化规律.杨阳等[5]利用AVL Boost软件，建立了柴油机DPF的数值模型，模拟计算了灰分含量、灰分分布系数以及灰分渗透率对DPF捕集再生性能的影响.文献[6]利用GT-Suite软件建立了柴油机DPF仿真模型和整车仿真模型，以整车工作状态为约束条件进行了捕集器与整车的匹配研究.

与DPF相关的数值模型，以及软件仿真模型大部分都是建立简化的DPF一维模型，并且假设再生过程中生成的灰分在DPF过滤通道以及通道堵头上均匀沉积.在DPF实际再生时，不同的再生方式会影响灰分的生成和沉积位置，此外灰分的分布还受排气流量、排气氧的体积分数、排气中微粒物沉积量的影响[7].Sappok等[8]通过DPF的灰分加载试验发现，绝大部分的灰分沉积在DPF进口通道的堵头处，但是沿着过滤体进口通道轴向方向厚度不断变化的灰分层的沉积也不能忽略.

文中分析DPF再生过程中灰分的生成机理以及灰分层在DPF过滤通道的沉积位置和沉积形状对DPF再生性能的影响.

1 仿真模型的建立

运用GT-Suite软件建立壁流式DPF一维再生仿真模型见图1，包括排气气流的输入和输出、压降输出、温度输出以及微粒物和灰分的输出.仿真模型将DPF过滤通道简化为单一形式的方形进、出通道结构.为了便于对比分析DPF再生过程中方形进口通道内不同位置的温度、微粒层和灰分层厚度等参数的变化趋势，从方形进口通道的入口到堵头处依次均匀选取6个数据采集点，见图2.

图1 DPF仿真模型示意图

图2 DPF过滤通道及采样点分布图

建模选取的DPF特征参数见表1.

表1 DPF特征参数

2 DPF再生过程的仿真分析

DPF再生过程仿真的初始条件设定如下：过滤体初始温度585 K，排气气流质量流量337 g/s，排气中氧的体积分数11%，模拟计算时长200 s，排气最高温度为721 K.再生过程中方形进口通道内不同采样点处的温度和微粒层厚度变化见图3～4.

图3 再生过程中进口通道内温度变化

由图3可知，DPF再生过程中进口通道内的温度经历了预热—升温—降温—稳定4个过程，并且从进口通道的入口到堵头处各采样点的温度变化时机和幅度是不同的.这是由于发动机排气气流首先由DPF进口通道进入并沿着通道流动，再生时通道入口处的微粒最先达到起燃温度，通道堵头处的微粒最后达到起燃温度；通道前端微粒燃烧释放的热量随着排气的流动向通道堵头处传输，所以堵头处的温度出现最高值.

图4中进口通道内各采样点的微粒层厚度在DPF再生时急剧下降，由于再生过程中进口通道内的温度从通道入口到堵头处各采样点依次达到各自的最高值，所以各点的微粒层厚度也依次下降，再生结束后各点的微粒层厚度为零，DPF完全再生.

图4 再生过程中进口通道内微粒层厚度变化

图5为DPF再生过程中进口通道堵头处沉积的灰分层厚度随时间的变化曲线.由图5可知，整个再生过程中生成的灰分逐渐沉积在通道堵头处，沉积厚度不断增大，再生结束后稳定.

康与之《卜算子·潮生浦口云》是一首哲理词。通篇借潮与人表达无限与有限的深刻道理。上阕写潮起潮落乃自然现象，并非潮水自身的有意之举，就如人来了又离去一样。下阕笔锋一转，写古今长亭、短亭，迎了多少人，送了多少人，就算老尽这些东西南北各处来往之人，亭下的潮水也依旧如故。诗人借助潮水的无限存在来揭示人类生命的有限。结句可谓画龙点睛之笔，辞尽意不尽，使读者回味无穷。

图5 再生过程中堵头处灰分层厚度变化

图6为DPF再生过程中进口通道过滤壁面上灰分层沉积厚度随时间的变化曲线，变化趋势与灰分沉积在通道堵头处相似.

图6 再生过程中过滤体壁面上灰分层厚度变化

当DPF再生完成时，进口通道堵头处灰分层厚度加大，使得通道的有效过滤长度减小，相同条件下沉积在通道内的微粒物的量会减少，降低了DPF的过滤性能.进口通道的有效过滤长度变化见图7.

图7 再生过程中进口通道有效过滤长度变化

3 灰分沉积对DPF再生性能的影响分析

3.1 灰分沉积位置的影响

将初始灰分在DPF内的沉积分为以下4种情况：(1)洁净的DPF过滤体，无灰分沉积；(2)150 g的灰分沉积在进口通道过滤壁面；(3)75 g的灰分沉积在进口通道过滤壁面上和75 g的灰分沉积在进口通道堵头处；(4)质量150 g的灰分沉积在进口通道堵头处.

图8为以上4种情况下DPF再生时压降的变化曲线.由图8可知，在DPF再生过程中，过滤体压降是随着再生温度的上升而增大，并达到最高值，随后迅速下降并趋于稳定.有灰分初始沉积的DPF过滤体的压降大于洁净过滤体，初始灰分沉积在进口通道壁面处的压降最大.

图8 初始灰分沉积位置对DPF再生时压降的影响

过滤体压降总体的变化趋势是因为随着DPF再生过程的进行，过滤体内的微粒达到起燃温度并开始缓慢燃烧，释放出大量的热量，使过滤体得压降增加.当微粒燃烧完毕时，再生过程结束，过滤体温度和压降下降并稳定.

由于DPF再生时过滤体内有微粒物存在，初始灰分沉积在过滤体进口通道过滤壁面上使过滤体微孔孔径变小，减小了通道的渗透率，使通过微粒层的气流阻力增加，从而过滤体压降增大；微粒的沉积厚度越大，过滤体的压降越大.

图9为初始灰分沉积位置对再生时温度的影响.由图9可知，在相同微粒质量沉积的情况下，初始灰分沉积在过滤体进口通道堵头时，减小了通道的有效过滤长度，过滤体进口通道壁面上微粒层的厚度显著变小，压降相应变小，同时加剧了再生微粒燃烧过程，使得过滤体进口通道内的温度的最高值最大，增大载体温度梯度，对过滤体的再生不利；达到温度最高值的时机提前.

图9 初始灰分沉积位置对再生时温度的影响

3.2 灰分沉积形状的影响

为便于分析初始灰分层在过滤体进口通道内沿着轴向方向厚度变化(即相同灰分沉积量下，沉积形状变化)对DPF再生性能的影响，假定过滤体进口通道堵头处无灰分沉积.在进口通道过滤壁面上相同灰分沉积量下，灰分沿着过滤体轴向沉积的形状可简化等效为图10的4种形状.灰分沉积量为20 g/L时，灰分层平均分布时的厚度约占洁净过滤体入口通道宽度的11%.灰分层采用波浪式分布时，分布3个波峰，波峰值约占洁净过滤体入口通道宽度的22%，波谷为0.灰分层厚度线性减小时，在通道入口处的灰分厚度约占洁净过滤体入口通道宽度的22%，通道堵头处灰分层厚度为0，灰分层厚度线性增加时情况相反[9].

图10 灰分沉积形状变化

图11～12为不同的初始灰分沉积量条件下，4种不同灰分初始沉积形状对DPF再生过程中压降和进口通道内温度最高值的影响变化情况.由图11可知，随着沉积量的减小，分别沉积4种形状灰分层的DPF再生过程中的压降值逐渐接近.图12中过滤体进口通道内的温度最高值随着初始灰分沉积量不同的变化趋势与图11中压降的变化趋势相同.原因是初始灰分沉积量越小，过滤体进口通道上的不同形状的灰分沉积层的厚度就越小，形状差别也越小，越趋近于平均分布.因此灰分沉积量越低，初始灰分在过滤体通道上的沉积形状对DPF的再生性能的影响越小.

图11 灰分沉积形状对DPF再生最大压降的影响

图12 灰分沉积形状对再生时温度最高值的影响

图13～14分别为初始灰分沉积量为20 g/L，在4种不同初始灰分沉积形状下，DPF再生过程中进口通道内温度变化图和压降变化图.可以看出DPF在较大的初始灰分沉积量下，灰分层厚度线性减小的过滤体在再生过程中，进口通道内的温度最高值明显低于沉积其他灰分形状的过滤体，而过滤体的压降值明显高于沉积其他灰分形状的过滤体.

图13 不同初始灰分沉积形状再生时壁面温度变化

图14 不同初始灰分沉积形状再生时DPF压降变化

由图13～14可知，随着DPF初始灰分沉积量的增加，厚度线性减小的灰分层在过滤体进口通道入口处的厚度大，相对于洁净的过滤体，通道入口处的宽度变小，发动机排气气流流经过滤体通道入口时产生的摩擦阻力增加，从而使得过滤体的压降增加.由于进口通道入口阻力的增加，排气气流进入通道后的流动速度变缓，通过微粒层的气流速度降低，再生过程中微粒燃烧释放的热量向堵头处传导较慢，导致过滤体通道内温度的最高值相应的减小.因此初始灰分沉积量越大，厚度线性减小的初始灰分层对DPF再生期间压降和最高温度的影响越大.

4 结 论

1) DPF再生过程中过滤体进口通道内的温度从通道入口到堵头处依次升高.

2) 在有微粒物沉积时灰分沉积在过滤体进口通道壁面上会增大压降，但再生温度最高值较低；灰分沉积在进口通道堵头处会减小有效过滤长度，使压降变小，再生温度最高值较大.

3) 初始灰分沉积量越高，初始灰分的沉积形状对DPF的再生期间的壁面最高温度、压降影响越大.

4) 厚度沿过滤体轴向线性减小的初始灰分层对DPF再生期间的压降影响最大.

[1]刘双喜，邵忠英，高继东，等．燃油硫含量对轻型柴油车颗粒物排放的影响研究[J]．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2010，34(5)：940-943．

[2]BODEK B, WONG V. The effects of sulfated ash phosphorous and sulfur on diesel aftertreatment systems-A review[C]. SAE Paper,2007：19-22.

[3]SAPPOK A, WONG V. Ash effects on diesel particulate filter pressure drop sensitivity to soot and implications for regeneration frequency and DPF control[C]. SAE Paper,2010：8-11.

[4]龚金科，陈韬,鄂加强，等.柴油机微粒捕集器灰烬深床沉积压降特性[J].内燃机学报,2013(4):354-359.

[5]杨阳，李志军，焦鹏昊，等.灰分对柴油机DPF捕集再生性能的数值模拟研究[C].高等学校工程热物理第十六届全国学术会议,2013(1):23-27.

[6]侯献军，陈旷，杜松泽，等．柴油机微粒捕集器与整车匹配研究[J]．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2015，39(5):1045-1048．

[7]ISHIZAWA T, YAMANE H, SATOH H， et al. Investi-gation into ash loading and its relationship to dpf regeneration method[C]. SAE Paper,2009:28-31.

[8]SAPPOK A, WONG V. Ash effects on diesel particulate filter pressure drop sensitivity to soot and implications for regeneration frequency and dpf control[C]. SAE Paper，2010:8-11.

[9]WANG Y J, WONG V, SAPPOK A, et al. The sensitivity of dpf performance to the spatial distribution of ash inside dpf inlet channels[C]. SAE Paper，2013:15-18.

Effect of Ash Deposition on the Regeneration of Diesel Particulate Filter

HOU Xianjun1,2)WANG Qingsen1,2)XU Lei1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

A one-dimensional regeneration model of diesel particulate filter (DPF) simulating the regeneration process by wall-f1ow filter is established based on the GT-Suite software. Simulation is conducted to investigate the ash generation and the influence of initial ash location and shape in the process of DPF regeneration. The results show that the ash depositing in the plug of inlet channel can reduce the effective length of filter, increase the temperature and reduce the exhaust back pressure in the process of regeneration. When the initial amount of ash deposition is higher, the ash deposition shape on the inlet channel has a greater effect on the highest temperature of regeneration. The ash deposition, whose thickness decreases linearly with the axial line, has the maximum effect to the pressure drop in the process of regeneration.

diesel engine; diesel particulate filter (DPF); ash deposition; simulation

2016-08-15

*湖北省自然科学基金重点项目资助(2013CFA104)

TK422 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.002

侯献军(1973- )：男，博士，教授，主要研究领域为汽车及发动机CAD/CAE，发动机排放控制及电控技术