车用柴油机微粒捕集器碳载量分布及影响 因素研究＊

郭瑞瑞

（许昌学院电气（机电）工程学院，河南 许昌 461000）

引言

在工程机械领域中，柴油机一方面凭借着动力性强、经济性好和可靠性高的优势被广泛接受，另一方面其排放的尾气微粒中存在较高的碳烟（Dry Soot）、可溶性有机物（Soluble Organic Fraction， SOF）、无机物和金属物质等，这些物质对人体健康和大气环境质量的危害也在一定程度上限制了柴油机的发展。面对排放法规对微粒数量和浓度的双重限制，进气中冷、推迟喷油提前角等机内净化技术在降低排放上遭遇到瓶颈，排放后处理技术成为了研究焦点[1]。微粒捕集器(DPF，Diesel Particulate Filter)是目前公认的最有效和具有良好商用前景的柴油机排放后处理技术。

1 DPF 净化机理

在柴油机尾气中的颗粒物的各组成部分中，可溶性有机物不仅生成量少且在排气温度下会发生氧化，硫酸盐的生成量也很少，所以DPF 捕集的颗粒物成分实际上主要是碳烟。DPF 中起过滤作用的关键部件是过滤体，目前商用较多的类型是多孔介质壁流式蜂窝陶瓷过滤体，如图1 所示。在柴油机工作时，含有多孔介质的DPF 将对微粒产生拦截、碰撞及扩散等效果，最终使得微粒沉积在介质内部实现过滤净化的效果[2]。然而，DPF 技术的核心问题为压降、碳烟捕集及再生过程。这主要是因为随着车辆运行时间和里程的增加，DPF内捕集、积累的碳烟量相应增加，DPF 前后的压差将会增加，致使发动机出现排气不畅、新鲜进气量不足，车辆出现燃油经济性和动力性下降、污染物排放加剧等一系列不利状况。因此当内部碳烟积累到一定程度时应被清除干净即实现DPF过滤体的再生。再生的原理是当积累的碳载量达到设定上限值时微粒被氧化并以CO2和N2排入大气中。

图1 壁流式DPF 的工作原理

再生时中，如果DPF 一定时间内再生次数过少，微粒累积过量，载体内部碳载量过大，将引起再生温度及内部温度场发生变化，陡峭的温度梯度易造成过滤体产生裂缝；如果DPF 一定时间内再生次数过多，过滤体内部积累碳载量偏少，则会使车辆产生额外的燃油消耗。因此，确定过滤体内的碳载量的多少目前大多数DPF 再生研究的控制的关键。基于无法对实际运行的车辆直接称重DPF 过滤前后的碳载量，目前均是采用间接法获取，主要有根据压降、根据行驶时间、根据行驶里程、根据总的耗油量这四个思路。其中，基于压降判断碳载量的方法应用最为普遍。因此本文同样选择DPF 前后的压差值为依据，建立压降与碳载量的数学模型，并结合碳烟捕集机理对DPF 碳烟捕集过程与影响因素进行分析，为研究DPF 的性能与管理提供有效的理论依据。

2 DPF 压降和碳载量计算的数学模型

利用碳载量的计算思路是由压力传感器测得DPF 前后的压力差值，并根据实测压力差值与灰分体积产生的压力差系数相乘得修正后的压力差，最后废气体积流量与总压差的函数关系计算碳载量[3]。本研究所采用的DPF 的压降模型是基于Darcy 定律中对多孔介质压降的定义[4]。排气流经DPF时，其压降组成主要包括进口气流收缩产生的压降、出口膨胀产生的压降、经过进出口孔道产生的压降、经过滤饼层和多孔介质壁面层产生的压降等。其中，进口收缩、出口膨胀和灰分层产生的压降占总压降的比例很小予以忽略不计。压降的数学模型为：

将式（1）根据体积、密度与质量的关系进行转换后求得滤饼层上PM 质量数学模型为：

式（2）中的三个系数公式如下：

式中：ΔPwall为壁面压降；ΔPcake为滤饼层压降；ΔPinlet为进口孔道压降；ΔPoutlet为出口孔道压降；α 为孔道宽度；ω为壁面厚度；ωc为滤饼层厚度；μ 为气体动力学粘度；F 为摩擦因数，一般取28.45；Q 为排气流量；Vtrap为DPF 载体体积；k 为壁面渗透率；kcake为滤饼层的渗透率；L 为孔道长度。

对于新鲜的DPF 载体，初始进行碳烟加载的时，入口通道壁面上碳烟层还未形成，此时ωc为0，且压降ΔP 仅与壁面渗透率k 有关，后期累积加载时压降与滤饼层厚度ωc和滤饼层渗透率kcake均有关。

3 DPF 碳烟捕集过程与影响因素分析

本文所研究的DPF 相关结构参数如表1 所示，采用堇青石过滤体，并通过与文献资料实验数据进行对比对模型相关参数修正[5]，结果对比如图2 所示，进而对DPF 的捕集过程、压降与碳载量的关系以及灰分和温度等参数对捕集的影响进行分析。

表1 DPF 有关参数

图2 DPF 压降随碳载量变化的仿真和试验结果对比

3.1 DPF 碳烟捕集过程研究

DPF 碳烟捕集过程主要有两个，包括起始阶段的深床过滤和累积加载后的滤饼过滤阶段。在深床过滤阶段，此时过滤体内碳载量较少，且被多孔介质壁面捕集的碳烟造成壁面微孔孔径减小，渗透率也降低。研究表明[4，5，6]，虽然此阶段过滤的碳烟质量只占很少一部分，但对过滤体进出口总压降的贡献最大。随着微粒沉积的增多，DPF 逐渐进入到滤饼过滤阶段，该阶段主要为碳烟在碳烟层堆积，总压降缓慢增加且与加载时间基本上呈线性关系，累积量占据了碳烟质量80-90%以上。也有学者进行了进一步研究[7，8]，深床过滤期，由于壁面渗透率沿着排气流方向减小，最终碳烟分布在过滤体分布不均匀，呈现出前端少后端多的的特点。但进入滤饼过滤阶段后，此分布不均匀性逐渐降低。捕集过程也与排气流量有关，当排气流量大时，DPF 捕集过程中没有明显的深床捕集阶段，迅速进入滤饼捕集阶段。

3.2 DPF 碳烟捕集影响因素分析

DPF 碳烟的捕集和分布受到灰分、温度、孔道结构与孔道密度等因素的影响。

（1）经过多次的加载和再生后，需要考虑灰分沉积对DPF 捕集的影响[9]。过滤体壁面出现灰分沉积，一方面使DPF过滤体较易进入滤饼捕集阶段，另一方面会减小过滤体有效过滤长度、增大压降；另外还会使再生微粒燃层厚度增加，过滤体温度梯度加大，且沉积量越多则温度上升越明显。

（2）进口温度对碳烟的分布和捕集也产生影响[8]。在一定温度范围内，随着温度的上升，深床过滤阶段压降上升速率加快，积累的碳烟量也减少。但温度升高，滤饼层碳烟分布形状基本不变，但碳烟层厚度呈先减小后趋于平稳。

（3）碳烟捕集与孔道结构和孔道密度有关[7]。改变DPF孔道的几何形状，可以提高碳烟承载量、降低再生频率。研究表明，相比于对称孔道，非对称孔道具有更大的入口截面积，因而在碳烟层厚度相同时，非对称孔道的绝对碳载量更大。六边形孔道比四边形孔道具有更好的碳烟捕集能力和碳 烟承载量。孔道密度通过影响进气流速进而影响碳烟沉积。在进气量相同的情况下，孔密度的减小相当于增加了孔道宽度，导致气流与孔道的摩擦阻力减小，从而气流的流动均匀性更好。

4 展望

在实际运行过程中，柴油机DPF 的碳烟积累和再生过程是不断反复进行的，碳烟累积过程中DPF 碳载量初始值为上次再生过程中剩余的碳载量，使得DPF 再生后出现偏差累积，且长时间运行后偏差越来越大。因此，后期研究和应用中应防止该现象的发生，以满足DPF 实际应用要求。