柴油机颗粒捕集器不规则六边形孔道结构压降特性研究

李小华，程静峰，岳广照

柴油机颗粒捕集器不规则六边形孔道结构压降特性研究

李小华1，程静峰1，岳广照2

（1. 江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013；2. 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

为了提高柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）的压降特性和碳烟承载量，该文提出了一种不规则六边形孔道结构，并利用AVL-Fire软件建立其三维模型，针对不同排气流量，排气温度，碳烟负载以及灰分堆积情况对DPF压降特性进行数值分析，并与四边形孔道结构进行对比。结果表明：在不同排气流量条件下，建立的数学模型模拟值与实际试验值相对误差处于2.54%～5.69%之间，计算值和试验值的数值差异较小，变化趋势一致；在同等排气流量和排气温度条件下，不规则六边形孔道结构DPF的压降特性优于四边形孔道结构；不同碳烟加载方式会影响DPF压降特性，递减分布压降最高，递增分布压降最低，且不同分布方式下不规则六边形孔道结构具有更低的压降；灰分在DPF内部以层状方式分布对压降影响较大，以尾端方式分布对压降影响较小；不规则六边形孔道DPF具有更陡峭的碳烟过滤效率曲线和更低的压降曲线，表明其能有效地提高碳烟及灰分承载能力，其中碳烟捕集效率上升时间同比降低34%；不同灰分堆积方式下，不规则六边形孔道结构有更小的DPF压降和更高的碳烟承载量，该文可为优化DPF结构，降低DPF压降，减小DPF再生频率提供参考。

数值分析；颗粒；压降；柴油机颗粒捕集器；孔道结构；灰分堆积方式

0 引 言

柴油机因其高热效率、良好的燃油经济性而具有吸引力[1]。然而过高的颗粒物（particulate matter，PM）排放已经成为制约柴油机发展的重要因素[2]。柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）是最有效的降低柴油机颗粒物排放的后处理装置[3]，捕集效率超过90%[4-5]。DPF通过将排气中的颗粒物捕集在壁面上来实现清除颗粒的目的[6]，但颗粒物累积会引起排气背压过高、发动机燃油经济性变差等问题，因此需要对充满颗粒物的DPF进行周期性再生。由于排气中灰分等不可燃成分会随着周期性再生积累在DPF内部，造成排气背压上升速率加快、颗粒物承载能力下降[7]。探寻在高碳烟负载、高灰分比例条件下降低DPF压降和提高颗粒物承载量是目前研究的重点之一。

改变DPF孔道结构是降低DPF压降和提高颗粒物承载量的有效方式。国内外学者针对不同孔道结构DPF的压降特性进行了广泛研究，但多集中于非对称孔道和对称孔道对DPF压降的影响规律，关于新孔道结构的研究较少。李志军等[8]探究了孔道结构参数对非对称孔道和对称孔道压降交点的影响，结果表明压降交点随孔密度、壁厚和长径比的增加而增加。彭美春等[9]运用建模仿真方法进行DPF孔道流场分析，以压降优化为目标进行DPF孔道结构优化。Ogyu等[10-11]研究了不同孔道形状DPF的压降特性，发现提高DPF进口孔道开口率可以降低高负载情况的压降。本文基于上述研究成果，运用数值计算方法建立不规则六边形孔道DPF模型，结合排气流量、排气温度、碳烟加载量及分布方式、灰分沉积量及分布方式等参数探究不规则六边形孔道结构DPF的压降特性，进而为优化DPF结构、降低DPF压降、减小DPF再生频率提供参考。

1 数学模型

基于壁流式DPF的流动特性，建立DPF压降的数学模型，在进行数值分析前需要进行如下条件设置：1）假设颗粒物成分中仅包含碳烟；2）将气体在DPF内的流动视作层流；3）假设DPF内部壁面渗透率和传热系数无差异。进行条件限制后，分别从进出口孔道气相守恒、动量守恒和压降守恒3个方面对DPF压降特性进行建模分析。

1.1 气相守恒方程

DPF进出口气体流动模型基于一维稳态连续性方程和动量方程建立，其中入口和出口孔道中气相的稳态连续性方程为[12]

式中ρ,1为入口孔道气相密度，kg/m3；ρ,2为出口孔道气相密度，kg/m3；为轴向坐标，m；v,1为入口孔道气体速度，m/s；v,2为出口孔道气体速度，m/s；A,1为入口孔道横截面积，m2；A,2为出口孔道横截面积，m2；v,1为入口孔道壁流速度，m/s；v,2为出口孔道壁流速度，m/s；P,1为入口孔道横截面的湿周周长，m；P,2为出口孔道横截面的湿周周长，m。

1.2 动量守恒方程

入口和出口孔道中气相的稳态动量守恒方程为

式中P,1为入口压力，kPa；P,2为出口压力，kPa；1为入口孔道摩擦系数；2为出口孔道摩擦系数；为流体动力学黏度，kg/(m·s)。

1.3 总压降守恒方程

DPF总压降由载体壁面压降、碳烟深度过滤压降和碳烟滤饼层压降构成。进行再生操作时，灰分等不可燃成分随周期性再生沉积在DPF孔道，对DPF整体压降产生较大影响，因此模型需要考虑灰分滤饼层压降。由达西定律可知，进出口的总压降守恒方程为[13-14]

式中F,1为载体入口孔道几何因子；F,2为载体出口孔道几何因子；1为进口孔道直径，m；2为出口孔道直径，m；δ为壁面厚度，m；δ为碳烟深度过滤层厚度，m；δ为灰分滤饼层厚度，m；δ为碳烟滤饼层厚度，m；k、k、k、k为壁面、碳烟深度过滤层、灰分滤饼层和碳烟滤饼层渗透率，m2；∆为压降，下标、、、分别代表壁面、碳烟深度过滤层、灰分滤饼层和碳烟滤饼层，kPa。

2 仿真模型建立及验证

2.1 模型建立

DPF为前后交替封堵的孔道结构[15]，气流由入口孔道流入，经DPF壁面从出口孔道流出，孔道结构决定DPF的捕集效率。本文建立不规则六边形孔道结构DPF，并与四边形孔道结构DPF进行对比，图1为四边形孔道与不规则六边形孔道结构对比。表1为DPF的结构参数。图2为建立的DPF一维模型，为保证计算精度使用六面体网格，数量为103 662，使用AVL-Fire软件对整个模型进行区域划分并设置边界条件。

图1 四边形孔道与不规则六边形孔道对比

表1 DPF结构参数

图2 DPF网格模型

2.2 仿真模型验证

为保证模型的准确性，需要对DPF数值计算模型进行验证。验证试验选用的柴油机为6缸，涡轮增压中冷发动机，设定的排气流量范围为0.1～0.3 kg/s，排气温度为500 K。由于DPF壁面渗透率等部分结构参数无法直接测量，模拟中根据相关文献选取壁面渗透率5×10-13m2，碳烟堆积密度为100 kg/m3，碳烟渗透率5×10-14m2[16-17]，设定碳烟及灰分沉积量均为0。试验数据通过安装在DPF出入口位置的压差传感器采集。

3 结果与分析

3.1 模型验证结果

图3显示了验证试验期间DPF压降模拟值与试验值对比。由图可知，在0.1和0.3 kg/s工况下模拟值和试验值数据误差相对较大，分别为5.69%和4.32%；在0.15～0.25 kg/s工况下数据误差较小，处于2.54%～3.64%之间。这是由于在怠速工况和全负荷工况下，发动机燃烧不充分，颗粒物排放增多，排气中微粒对压降影响作用增大，导致数据误差增加。经分析对比，模拟值和试验值的最大误差为5.69%，考虑到试验用DPF经多次再生后灰分沉积的原因，认为建立的压降模型准确可靠，可以反映DPF压降的实际情况。

图3 验证试验下DPF压降模拟值与试验值对比

3.2 模拟结果

发动机运行过程中，运行工况复杂多变，需要探究不同工况下DPF的压降特性，在此以改变排气流量和排气温度表示工况变化。进行试验时，用A表示四边形孔道结构DPF，用B表示不规则六边形孔道结构DPF。

3.2.1 不同排气流量下压降特性对比

研究不同排气流量下不规则六边形孔道结构与四边形孔道结构的压降特性，设定排气流量分别为0.15、0.2、0.25和0.3 kg/s，排气温度为600 K，由于温度未达到DPF内碳烟的起燃温度[18-20]，因此不考虑DPF内部碳烟的氧化反应。图4为碳烟量分别为0、3、6 g/L时，2种孔道结构的压降随排气流量的变化。在碳烟量为0时，随着排气流量增加，四边形孔道DPF由1 860 Pa上升至3 960 Pa，不规则六边形孔道DPF由1 230 Pa上升至2 750 Pa，2种孔道结构的DPF压降均线性增加。原因是随着排气流量增加，单位时间内进入DPF内部的气体体积增加，流速上升增加了孔道内的沿程压降，导致总体压降增加。不规则六边形孔道结构压降低于四边形孔道结构，且随着排气流量增加，2种孔道结构的压降差值增大。这是由于排气流量增加，气流流速增加，较大的开孔率对流速的减缓效果更加明显。

当碳烟量为3 g/L时，四边形孔道DPF由2 673 Pa上升至5 540 Pa，不规则六边形孔道DPF由2 040 Pa上升至4 335 Pa，当碳烟量为6 g/L时，四边形孔道DPF由3 827 Pa上升至7 749 Pa，不规则六边形孔道DPF由3 090 Pa上升至6 392 Pa。2种结构DPF的压降变化趋势与洁净状态一致，但压降差值增加。DPF压降的产生可能归功于2个因素，分别是气体轴向流动和达西流动，气体轴向流动由孔道尺寸和长度决定；达西流动由渗流面积和壁厚决定[21]。当碳烟量小于3 g/L时，由于碳烟加载量小，此时气体轴向流动产生的压降起主导作用。不规则六边形孔道结构DPF在与四边形孔道结构总流通面积一致的前提下进口孔道开孔率同比提升33%，更大的开孔率降低了气体的流速，造成气体轴向流动的沿程压降降低，且随着排气流量增加，较大开孔率带来的压降降低效果更加明显。当碳烟量为6 g/L时，不规则六边形孔道结构具有更大的湿周周长，在相同碳烟捕集量下滤饼层更薄，能够有效降低达西流动造成的压降，进一步降低总体压降，使得与四边形孔道DPF的压降差值增加。结合以上分析，不规则六边形孔道结构DPF压降小于四边形孔道结构的变化趋势不受影响，因此，在不同排气流量下不规则六边形孔道结构的压降性能优于四边形孔道结构。

注：A为四边形孔道结构DPF；B为不规则六边形孔道结构DPF；0、3、6为碳烟量，g·L-1；排气温度为600 K，下同。

3.2.2 不同排气温度下压降特性对比

研究不同排气温度下不规则六边形孔道结构与四边形孔道结构的压降特性，设定入口排气温度分别为400、500、600和700 K，排气流量为0.2 kg/s。图5为碳烟量分别为0、3、6 g/L时，2种孔道结构的压降随排气温度的变化。由图5可知，在碳烟量为0时，随入口排气温度增加，四边形孔道DPF由1 324 Pa上升至3 239 Pa，不规则六边形孔道DPF由906 Pa上升至2 169 Pa，压降和压降升高速率均增加。这可能是由于温度上升，气体蕴含能量增加，气体运动加剧增加了气体的黏度，流动阻力增加；同时，温度升高使得气体密度减小，气体体积流量增加，流速加快导致DPF孔道内沿程压降升高。不规则六边形孔道拥有更小压降，且随着排气温度增加，2种孔道结构的压降差值增大。

注：排气流量为0.2 kg·s-1。

当碳烟加载量为3和6 g/L时，压降随排气温度的升高而增加，且不规则六边形孔道结构拥有更小的压降，说明不规则六边形孔道结构具较小压降的特性不受的影响，进一步证明不规则六边形孔道结构比四边形孔道结构具有更优的压降性能。

通过以上分析，可知排气流量或排气温度增加均会造成气体流速升高，导致沿程压降升高。在发动机实际运行时，发动机工况变化复杂，排气流量、排气温度频繁改变，在同等条件下不规则六边形孔道结构能够显著降低DPF压降，提升发动机排气性能。

3.2.3 不同碳烟加载量下压降特性对比

DPF的工作原理为碳烟物理沉积，本文探究2种孔道结构的碳烟沉积特性和压降特性。在模拟时，设定排气流量为0.2 kg/s，排气温度为600 K，颗粒物浓度为0.000 5 kg/kg废气，碳烟过滤效率参照文献[22-23]所建立的过滤体捕集模型进行计算。

图6为2种孔道结构的碳烟过滤效率随时间的变化。由图6可知，0～200 s范围内，不规则六边形孔道相比于四边形孔道具有更大的颗粒捕集效率和曲线斜率；200 s之后，2种孔道结构的碳烟捕集效率均达到100%。为比较2种孔道结构的碳烟捕集能力，本文以碳烟过滤效率达到90%所消耗时间为评价参数[24]。不规则六边形孔道结构碳烟过滤效率达到90%所用的时间为46 s，四边形孔道结构所用时间为68 s。不规则六边形孔道结构的过滤效率曲线斜率更大，同时间内可以捕集更多的碳烟。

图6 2种孔道结构的碳烟过滤效率

图7为2种孔道结构的压降随碳烟加载量的变化，从图7可知，DPF的压降上升过程由2部分构成[25]，临界值为3 g/L左右。当碳烟加载量小于3 g/L时，碳烟捕集处于深床过滤阶段，DPF压降迅速上升且上升速率放缓。这是因为在深床过滤阶段碳烟量增加使得气体过滤孔径变小，壁面孔隙率和渗透性下降，流动阻力增大。当深床过滤接近饱和时，碳烟捕集向滤饼过滤过渡，壁面孔隙率和渗透性趋于稳定，使得DPF压降上升速率趋于平稳。当碳烟加载量大于3 g/L时，碳烟捕集处于滤饼过滤阶段，在此阶段内滤饼层厚度持续增加且过滤压降占主导地位，但壁面渗透率几乎不变，压降呈线性增加。对图7中2种孔道结构的压降曲线进行对比，发现不规则六边形孔道结构压降低于四边形孔道结构，且压降差值随碳烟加载量增加而增大。

图7 2种孔道结构的压降随碳烟加载量的变化

图8为2种孔道结构的碳烟厚度随碳烟加载量的变化。由图8可知，深床过滤阶段2种孔道结构的碳烟厚度几乎相同，但不规则六边形孔道具有较大的入口面积，对排气速度具有降低作用，使得其压降较小。随着碳烟加载量增加，滤饼层开始形成，过滤压降占据主要地位，不规则六边形孔道结构由于具有更大的承载面积，碳烟滤饼层更薄，滤饼层厚度的增加速率更小，且进一步降低DPF压降，因此压降差值增大。结合以上分析，在不同碳烟加载量下，不规则六边形孔道结构保持较小的压降和压降上升速率，证明不规则六边形孔道结构具有更优的碳烟捕集性能和压降特性，能有效降低再生频率。

图8 2种孔道结构的碳烟厚度随碳烟加载量变化

3.2.4 不同碳烟加载方式下压降特性对比

国内外研究通常假设碳烟在DPF孔道均匀平铺[26-27]，但实际应用中运行工况和再生不均匀等因素会导致碳烟在孔道中分布不均匀[28]。本文建立3种碳烟加载方式来研究2种孔道结构在不同碳烟负载方式下的压降性能，图9为碳烟加载方式的结构图。

图10为碳烟量为3 g/L时不同碳烟负载方式下2种孔道结构的压降随时间的变化。由图10可知，0～90 s内不同碳烟加载方式下压降快速增长且增长速率下降，2种孔道结构压降差值较小；90 s之后压降呈线性增长，不规则六边形孔道结构的压降和压降增长速率低于四边形结构，压降差值逐渐增加。不同碳烟加载方式压降的大小关系为：递减分布>均匀分布>递增分布。为了探究不同碳烟加载方式影响DPF压降的原因，本文提取入口孔道速度来分析。

图9 碳烟加载方式

图10 不同碳烟加载方式下2种孔道结构压降随时间变化

图11为不同碳烟加载方式下2种孔道结构的入口孔道速度随时间变化。随着轴向位置增加，2种孔道结构的入口孔道速度均下降，然而不同的碳烟加载方式导致速度曲线形态不同。当碳烟以均匀方式加载时，入口孔道横截面恒定，气体流动过程中仅受孔道壁面的摩擦力，入口孔道速度均匀减小。当碳烟以递增分布方式加载时，入口孔道横截面随轴向距离减小，气体流动受到沿程摩擦阻力速度逐渐下降，但横截面积减小对气体有加速作用，导致入口孔道速度曲线下降斜率逐渐减小。当碳烟以递减方式加载时，入口孔道横截面随轴向距离增大，气体速度曲线在沿程阻力和扩口效应影响下下降斜率逐渐增加。DPF的沿程压降与气体速度有关，3种分布方式速度下降过程的不同导致同时刻同位置的速度关系为：递减分布>均匀分布>递增分布。由于碳层厚度较薄，对入口孔道速度的影响有限，速度差异较小导致3种分布方式的压降差值较小。此外，不规则六边形孔道结构DPF的入口孔道速度要明显小于四边形孔道，原因是其更高的开孔率降低了气体速度。结合以上分析，碳烟的不同分布方式对DPF的压降特性有一定影响，其中递减分布压降最高，递增分布压降最低，均匀分布居中，且不规则六边形孔道结构压降性能在不同分布方式下均优于四边形孔道结构。

图11 不同碳烟加载方式下2种孔道结构的入口孔道速度随轴向位置变化

3.2.5 不同灰分沉积下压降特性对比

柴油机的排气中含有灰分，灰分在孔道中沉积会影响DPF的压降特性。研究显示当车辆总行驶里程达到50 000 km时，DPF内灰分占总颗粒质量的50%；当车辆总行驶里程达到240 000 km时，DPF内灰分占总颗粒质量的80%[29]。探究灰分存在情况下2种孔道结构的压降特性，有利于准确地调整DPF再生时刻，降低再生频率。

不同的发动机运行状态会导致灰分沉积不均匀进而引起DPF压降和再生温度的变化。灰分的负载方式有2种：第1种是由入口孔道尾端轴向堆积，多发生于周期性再生过程；第2种是在入口孔道壁面层状堆积，多发生于高负荷连续再生过程[30]。Sappok等[29]研究了DPF入口孔道灰分分布的形成机制，结果表明在碳烟沉积初期孔道内气流通畅，灰分更多堆积在壁面；随着壁面灰分负载量增加孔径减小，气流速度增加使得灰分更多堆积在尾端。为探究不同灰分堆积方式下2种孔道结构的压降特性，本文引用Zhao等[31]建立的灰分分布比例因子来定义灰分堆程方式，比例因子的定义为

式中Ash,layer为壁面层状堆积灰分量，g/L；Ash,total为DPF内部灰分总负载量，g/L。=0表示灰分全部堆积在入口孔道尾端；=1表示灰分全部堆积在孔道壁面；介于0和1之间表示同时包含2种堆积方式。为了降低数据点密度，增加图像可读性，本文选取=0、0.5、1共3种分布因子。进行模拟时，根据Sappok等[32]的相关研究设定排气流量为0.2 kg/s，排气温度为600 K，灰分堆积密度为500 kg/m3，灰分渗透率为m2。图12显示了不同灰分堆积方式下2种孔道结构的压降随碳烟加载量变化。由图12可知当灰分全部以尾端方式堆积时，压降曲线与无灰分装填曲线趋势一致，但是压降上升斜率较高，原因是灰分在尾端形成堵塞段降低了入口孔道的有效长度，使得碳烟沉积厚度增加。当灰分全部以层状方式堆积时，由于灰分形成滤饼层阻碍深床过滤进行，碳烟捕集将直接由滤饼过滤开始，导致压降曲线线性上升。当同时包含2种负载方式时，压降变化介于二者之间。因此，在相同灰分负载量下，不同分布方式的压降大小关系为：层状分布>层状+尾端分布>尾端分布。

注：为灰分分布比例因子。

Note:is ash distribution scale factor.

图12 灰分量为10 g·L-1时，不同灰分堆积方式下2种孔道结构的DPF压降随碳烟加载量变化

Fig.12 DPF pressure drop of 2 channel structures variation with soot loading at 10 g·L-1ash deposition

从图12可知，在同样灰分堆积方式下，得益于更大的开孔率和更优的碳烟承载能力，不规则六边形孔道结构压降明显小于四边形孔道结构。为了更加直观地对比不同孔道结构的碳烟承载量，本文以洁净DPF再生压降作为压降阈值衡量不同灰分堆积方式的碳烟承载量。假设洁净DPF在碳烟加载量为6.5 g/L时进行再生，将对应的压降值5 400 Pa设为压降阈值并做水平线，其与各压降曲线交点对应的横坐标即为碳烟承载量。当DPF内无灰分沉积时，不规则六边形孔道结构的碳烟承载量为8.5 g/L，比四边形孔道结构提高31%。当=0时，四边形孔道结构的碳烟承载量为5.67 g/L，不规则六边形孔道结构的碳烟承载量为7.71 g/L，2种孔道结构的碳烟承载量相较于洁净状态分别降低12.8%和9.2%，且不规则六边形孔道碳烟承载量比四边形孔道结构高36%。当=1时，四边形孔道结构的碳烟承载量为2.33 g/L，不规则六边形孔道结构的碳烟承载量为4.66 g/L，降低幅度分别为64.1%和45.2%，不规则六边形孔道碳烟承载量比四边形孔道结构高100%。当=0.5时，四边形孔道结构的碳烟承载量为3.86 g/L，不规则六边形孔道结构的碳烟承载量为6.14 g/L，降低幅度分别为40.6%和27.8%，不规则六边形孔道结构碳烟承载量比四边形孔道结构高59%。灰分以层状方式分布对压降影响最大，导致碳烟承载量大幅降低；以尾端方式分布对DPF压降影响最小。不规则六边形孔道结构在有灰分残留情况下比四边形孔道结构拥有更高的碳烟承载量。

图13表示碳烟量为0，=1时，2种孔道结构的压降随灰分量的变化，从上文分析中可知当灰分以层状方式堆积时对DPF压降影响最大，因此本文仅考虑=1情况下DPF的压降变化。由图13可知，DPF压降随着灰分量的增加呈线性增加，原因是当灰分以层状方式堆积时，负载量增加使得灰分厚度线性增加。在同一灰分负载量下，不规则六边形孔道结构的压降明显低于四边形孔道结构，且压降上升更慢。原因是不规则六边形孔道结构孔道湿周面积更大，增加同等灰分负载量，灰分层厚度增加较小，压差增加较慢。通过以上分析，在高灰分堆积的情况下，不规则六边形孔道结构能够降低排气背压，提高DPF的碳烟承载量。在实际应用中，应当优化再生策略和发动机工况排放，尽可能减少灰分的排放，对确定再生时刻，延长DPF使用寿命有重要意义。

注：灰分分布比例因子为1；碳烟加载量为0。

4 结 论

1）排气流量升高会导致柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）压降升高；压降随排气温度变化具有相似特性，温度越高，DPF压降越高。同等排气流量和排气温度条件下，不规则六边形孔道结构DPF压降特性优于四边形孔道结构。

2）不规则六边形孔道结构具有更优的碳烟捕集性能，主要体现在碳烟过滤效率升高较快，碳烟过滤效率达到90%所用时间低于四边形孔道结构。在滤饼过滤阶段，不规则六边形孔道结构的碳烟厚度增长率明显小于四边形结构，表明不规则六边形孔道结构碳烟承载能力较强。

3）不同的碳烟加载方式对DPF入口孔道气体速度和压降有一定影响；其中递减分布方式压降最高，递增分布方式压降最低，均匀分布方式压降介于二者之间。在不同碳烟加载方式下，不规则六边形孔道结构压降值均小于四边形结构。

4）不同的灰分堆积方式影响DPF的压降变化，其中灰分以层状方式分布时对DPF压降增长最大；以尾端方式分布时对DPF压降增长较小。当灰分分布因子为0、0.5、1时，不规则六边形孔道压降性能和碳烟承载性能明显优于四边形孔道结构。

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Pressure drop characteristics of irregular hexagonal channel diesel particulate filter

Li Xiaohua1, Cheng Jingfeng1, Yue Guangzhao2

(1. School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Diesel engines are widely used because of their high thermal efficiency and reasonable fuel economy. However, excessive particulate emissions (PM) of diesel engines have caused huge pollution to the environment. The diesel particulate filter (DPF) is the most efficient post-treatment device for reducing PM emissions. However, during the use of DPF, the increased soot loading or increased ash deposition after frequent regeneration might cause problems such as excessive exhaust back pressure. Therefore, reducing the DPF pressure drop and increasing the soot loading capacity under high ash ratio is important. In order to improve the DPF overall pressure drop characteristics and increase the soot loading capacity, this study proposed an irregular hexagonal channel diesel particulate filter (DPF) and established the mathematical model of DPF pressure drop. And the 3D computational models of irregular hexagonal channel DPF and quadrilateral channel DPF were built by AVL-Fire software. First, the DPF pressure-drop characteristic simulation test and bench test were carried out under different working conditions. The accuracy and effectiveness of the model were verified by comparing the experimental data. The diesel engine used in this study was a six-cylinder, turbocharged intercooled diesel engine equipped with a cordierite diesel particulate filter. The DPF used in the test had an outer diameter of 260 mm, a length of 270 mm, cells per single inch of 200, and a volume of 14.3 L. Then, different numerically analyzed tests were carried out to study the influence of exhaust flow rate, exhaust gas temperature, soot loading, and ash deposition on the pressure drop. At the same time, the results of the irregular hexagonal channel DPF were compared to those of quadrilateral channel DPF. The results showed that under different exhaust flow rate, the relative error between the simulated value and the experimental value was between 2.54% and 5.69%. The difference between the simulated value and the experimental value was small, and the change trend was consistent. The pressure drop of both channel structures increased with the increase of exhaust flow rate and exhaust gas temperature. Under the same exhaust flow rate and exhaust gas temperature conditions the irregular hexagonal channel DPF had lower pressure-drop value and smaller pressure drop rise rate, and the overall pressure-drop characteristics were better than the quadrilateral channel DPF. The irregular hexagonal channel structure DPF had a steeper soot filtration efficiency curve than quadrilateral channel during soot loading. The time taken for the soot filtration efficiency to reach 90% was shorter than that of the quadrilateral channel DPF. Different soot loading modes affected the DPF pressure-drop characteristics. The pressure drop of decreasing distribution was the highest, and the pressure drop of the incremental distribution was the lowest, the pressure drop of the uniform distribution was between the above two. Besides the irregular hexagonal channel DPF had a lower pressure drop in different distribution modes, which means it has a better soot loading mode adaptability. The ash deposited on inlet channel walls had a great influence on the pressure drop, and that deposited on the channel ends had less influence on the pressure drop. The irregular hexagonal channel DPF had a lower pressure drop curve under different ash distribution modes, which can effectively improve the soot and ash loading capacity. When the ash deposition was 10 g/L-1and the ash distribution factor was 0, 0.5, 1, the maximum pressure drop of the irregular hexagonal channel structure DPF were all decreased. Under the regeneration pressure threshold the soot loading capacity increased by 36%, 59% and 100%. When the ash deposition gradually increased, the pressure drop of DPF of both structures increased linearly. In a word, the proposed irregular hexagonal channel structure DPF significantly reduced the DPF pressure drop and increased the soot loading capacity, thus improving the DPF working efficiency, reducing the regeneration frequency and prolonging the DPF service life.

numerical analysis; particulates; pressure-drop; channel structure; ash deposition mode

李小华，程静峰，岳广照. 柴油机颗粒捕集器不规则六边形孔道结构压降特性研究[J]. 农业工程学报，2020，36(3)：63－70.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.008 http://www.tcsae.org

Li Xiaohua, Cheng Jingfeng, Yue Guangzhao. Pressure drop characteristics of irregular hexagonal channel diesel particulate filter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(3): 63－70. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.008 http://www.tcsae.org

2019-08-08

2019-12-10

移动源污染排放控制技术国家工程实验室开放基金项目（NELMS2018B04）

李小华，教授，博士，主要从事清洁生物质能源以及排气后处理研究。Email：lixiaohua@ujs.edu.cn.

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.008

TK42

A

1002-6819(2020)-03-0063-08