柴油机颗粒捕集器热再生的影响因素研究*

汤 东，刘 阳，刘 胜，周一闻，刘 宁，王 力

（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013）

前言

柴油机有着较高的燃油经济性和较好的动力性与耐久性，广泛应用于重型货车，但其微粒排放较高，是大气中的微粒物主要来源之一［1－2］。柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）是目前公认的降低柴油机 PM、PN排放最有效的手段之一［3－4］。但随着 DPF捕集颗粒逐渐增多，柴油机背压会相应上升，进而影响柴油机的动力性和经济性，因此需要通过氧化沉积的碳烟来进行再生［5－7］。目前，国内外学者对实现DPF安全、稳定的热再生进行了很多研究。Zheng等研究了热冲击对捕集器内部温度场分布和微粒层燃烧特性的影响规律［8］，李志军等建立了催化型微粒捕集器（CDPF）的数值模型，分析了过滤体孔道形状、壁面渗透率、碳烟渗透率等对DPF压降特性以及主动再生频率的影响［9］。Yu等为两种受限再生模式预测峰值温度制定了简单的标准，为DPF设计和具有较低峰值再生温度的运行条件提供了理论指导［10］。关于气体环境对碳烟氧化反应的影响，李传东等用热重分析仪对O2／NO2下柴油机碳烟氧化过程进行了试验研究，发现不同气体组分在不同阶段对碳烟氧化反应起主导作用［11］。徐小波等研究了DPF再生时最高壁面温度等热再生性能［12］。不同结构参数的DPF再生时会造成碳烟分布、气体流动规律和传热效率的差异，进而影响再生效率和再生稳定性［13］。影响DPF主动再生的主要运行参数包括再生加热温度、沉积的碳烟量、气体流量和氧浓度等。本文中采用控制变量法研究了DPF结构参数和再生运行参数对再生过程的影响，从壁面峰值温度、最大温度梯度、再生时间等角度分析不同现象背后的规律。

1 DPF再生仿真建模与模型验证

1.1 DPF再生仿真建模

DPF再生过程中，涉及到的控制方程如下。

质量守恒：

式中：i＝1为入口通道，i＝2为出口通道；ρi为通道内气流密度；vi为通道内的气流流速；ρw为穿过过滤壁面的气流密度；vw为气流的过滤速度；Di为通道的宽度；z为轴向方向。

动量守恒：

式中：pi为通道内的气体压力；μi为动力学黏度；α为无量纲的摩擦阻力系数。

能量守恒：

式中：Ti为通道内的气体温度；hi为过滤壁的热传导系数；cg为气体比热容；Tw为过滤壁的气体温度。

达西压降定律：

式中：kp为颗粒物的渗透率；ks为过滤壁面的渗透率。

考虑到热反应动力学，在以下全局机理的基础上构建碳烟氧化和过滤器再生模型。

碳烟氧化反应：

式中fCO为CO选择系数。

上述反应的碳烟氧化率为

式中：Kthm为反应的速率常数；Sp为材料的表面积；ρw为气相密度；Yo为O2的质量分数；MC为碳烟的摩尔质量；Mo为氧气的摩尔质量。

热反应速率如下：

式中：A为反应频率因子；E为反应活化能；T为过滤体温度。

运用GT-Power建立DPF的再生燃烧模型，如图1所示，主要包括进出气口、DPF、再生反应模块、峰值温度计算、碳烟转化率计算等。再生反应模块包括滤饼层反应和壁内碳烟反应。模型还设置了温度梯度的计算，为再生结果分析提供不同的角度。

图1 DPF再生模型

1.2 模型验证

在柴油机的实际运行过程中，工作状态不断变化，为减少其他因素的干扰，采用离线再生的方法进行DPF的热再生试验［14］。该方法使用捕集过的DPF过滤体装入再生系统进行再生，实现对环境条件的准确控制。

试验前DPF先在一台非道路186FA单缸柴油机上进行碳烟加载，以获得一定碳载量的DPF进行离线再生试验，试验用DPF技术参数见表1。DPF加载过程以柴油机2 700 r／min、75%负荷工况下，进行多次碳烟加载以得到相同碳累积量下的过滤体。离线再生试验布置图如图2所示，图中进气为O2／N2混合气，试验前先通入N2气体，将管道内原有的空气排出。通过调节气瓶阀门和流量计改变进气配比，入口处的氧浓度由氧传感器采集。在试验过程中，通过温度控制的气体加热器将进气加热到858 K，以达到再生所需的温度，试验总进气流量为1 400 L／min，通过压差计得到再生过程中压降数据。

表1 DPF的主要参数

根据相关文献，再生反应活化能E的范围在120～170 kJ／mol，反应频率因子 A的变化范围为3.23×104～6.73×107s－1［15－16］，在 GT-Power软件中运用优化工具“Optimization”，进行对化学反应动力学参数的修正。碳烟反应的频率因子A变化范围较大，故选择频率因子的对数log A进行参数修正。

以不同氧浓度下再生过程中的压降数据作为参考量，将模拟值和试验值的误差平方和作为目标函数。进行若干次迭代计算，当目标函数达到最小值时得到优化结果。优化后最终得到碳烟氧化反应的活化能 E为147.27 kJ／mol，频率因子 A为1.56×106 s－1。图3为修正后的模型仿真压降与试验压降对比，说明优化后的模型能较好地反映该情况下的压降变化情况［17］。

2 DPF热再生影响因素分析

2.1 影响参数显著性分析

为研究DPF再生影响参数的显著性，采用试验设计分析法（DOE）对再生过程进行多组模拟，选取的试验设计抽样类型为拉丁超立方抽样（Latin Hypercube）。该方法采取分层抽样的方法，能够以较小的采样数量得到较高的采样精度［18－19］。图4为利用DOE模块分析得出的主要参数对再生过程的影响，图中以量化的数字代表每个试验因子的影响程度，数字的正负代表对再生特性起到正面或者负面作用，数字的大小代表该参数对目标影响力的大小。不同参数的影响值是整个变化范围内再生指标的最大预测值减去最小预测值的结果（其他所有参数固定在它们的平均值［20］。

由图4可知：运行参数对DPF再生性能影响程度整体大于结构参数；研究参数对壁面峰值温度的影响程度由大到小依次为初始碳烟量、加热温度、氧浓度、DPF直径、DPF长度、壁厚、孔道密度（CPSI）、入口流量；对最大温度梯度的影响程度由大到小依次为初始碳烟量、氧浓度、加热温度、DPF直径、壁厚、入口流量、CPSI、DPF长度；对再生持续时间的影响程度由大到小依次为加热温度、氧浓度、初始碳烟量、DPF直径、DPF长度、壁厚、CPSI、入口流量。运行参数中，加热温度、氧浓度和初始碳烟量的影响值相对较高，与壁面峰值温度和最大温度梯度呈正相关，与再生持续时间呈负相关。结构参数中，DPF直径和长度对壁面峰值温度和再生持续时间的影响较高。

图3 DPF仿真压降与试验压降对比

2.2 DPF结构参数对再生的影响

在研究结构参数对DPF再生特性的影响时，首先统一设置入口流量为45 kg／h，初始碳载量为10.8 g／L，加热温度为863 K，氧浓度为15%。根据2.1节参数显著性分析的结果，DPF直径和长度对壁面峰值温度和再生持续时间的影响较高，故将DPF长度和直径分为一组讨论。

图5所示为结构参数对DPF壁面峰值温度的影响。由图5（a）可知DPF产生的壁面峰值温度随过滤壁厚和CPSI的减小而增大。DPF壁厚和CPSI的减小，都会造成DPF孔道尺寸增加，单个孔道的碳载量增加，同时与再生气体接触面积增大，燃烧速度增快，因此造成了壁面峰值温度的增加。由图5（b）可知，随着DPF长度和直径的增加，产生的壁面峰值温度降低。这是因为相同的初始碳烟质量下，通道内的初始碳烟层厚度也会变小。再生过程中，长过滤体结构降低了对加热能量的利用率，使再生时的壁面峰值温度降低，当过滤体长度较小时，较为紧凑的结构设计不利于流动气体带走热量，产生了更高的壁面温度。

图4 主要影响参数

图5 结构参数对DPF壁面峰值温度的影响

图6所示为结构参数对DPF最大温度梯度的影响，壁面温度梯度是指沿DPF轴向两等温面的温差与距离比值的极限。由图6（a）可知最大温度梯度随DPF壁厚的增加而减小，改变CPSI对温度梯度的影响不明显。随着DPF壁厚的增加，过滤体通道变窄，通道内气体流速增加，能更迅速地将热量传递给低温壁面。并且随着载体壁厚的增大，壁面峰值温度降低，造成了载体最大温度梯度的降低。由图6（b）可知，增大过滤体长度和直径，产生的最大温度梯度降低。过滤体长度和直径的增加造成DPF总体积增大，过滤体的碳烟密度减小，通道内的碳烟层变薄，完全燃尽碳烟所需的能耗增加，最大温度梯度降低。

图7所示为结构参数对DPF再生持续时间的影响，再生持续时间设置为DPF内沉积碳烟消耗95%的用时。由图7（a）可知，随着CPSI和过滤壁厚增大，DPF的碳烟再生持续时间增加。CPSI和过滤壁厚增大，DPF孔道宽度变小，相同的碳载量情况下，沉积的碳烟厚度增大。同时，在再生初期阶段，高温再生气体使过滤体壁面温度逐渐增加至碳烟起燃温度，过滤体壁厚增加使壁面温度升至碳烟起燃温度的时间增加。结合图7（b）进行分析，DPF的长度和直径关于再生持续时间的交互作用要高于壁厚与孔密度之间的交互作用；DPF再生持续时间随载体直径和长度增大而增长。

图6 结构参数对DPF最大温度梯度的影响

图7 结构参数对DPF再生持续时间的影响

2.3 运行参数对再生的影响

研究运行参数对再生性能的影响时，统一设置过滤体CPSI为200，壁厚为0.35 mm，过滤体长度为152 mm，直径为118 mm。得到再生性能关于运行参数的响应面如图8和图9所示。

图8所示为DPF入口流量和加热温度对再生特性的影响。由图8（a）可知，DPF壁面峰值温度在入口流量为55 kg／h、加热温度为825 K处，为最小值850 K；在入口流量为25 kg／h、加热温度为883 K处取得最大值1 369 K。壁面峰值温度随气体加热温度的增加而明显提升，随入口流量的增加而略有降低。由图8（b）可知，最大温度梯度呈现出相同的变化趋势，产生的最小值和最大值分别为3 229和8 990 K／m。由图8（c）可知，气体加热温度对再生持续时间有很大影响，加热温度由820上升至880 K时，再生持续时间从966缩短到了70 s左右，且变化速率由快到慢。保持气体加热温度为820 K，再生持续时间随入口流量的增加上升至966 s；在最高加热温度880 K下，再生持续时间随入口流量增加从135缩短至75 s。

产生上述现象的原因在于：当气体温度较低时，DPF过滤体升温较慢，碳烟氧化速率较低；在较高的加热温度下，DPF过滤体内的碳烟快速达到起燃温度，燃烧的同时大量放热，使壁面温度在短时间内升高。当入口流量由小到大变化时，若气流温度较低，流速增加的同时会使过滤体内的对流换热加强，反应产生的热量不断流失，进而减缓碳烟燃烧过程；若整体气流温度较高，入口流量增加有助于再生初期过滤体温升时间的缩短，沉积的大量碳烟燃烧产生较高的壁面温度，而热量损失带来的影响较弱。

图9所示为DPF内碳烟质量和氧浓度对再生特性的影响。根据再生性能指标的分布发现，DPF再生过程中的壁面峰值温度和最大温度梯度随碳烟沉积量和再生气体氧浓度的增加而增加；初始碳烟质量取最大值时壁面峰值温度超过1 600 K，最大温度梯度超过15 000 K／m，高于DPF的正常工作要求范围。随着碳烟沉积量和氧浓度的增加，再生持续时间遵循“先急后缓”的下降趋势。作为DPF再生的主要反应物，碳烟质量和氧浓度的增加使燃烧过程更为剧烈，产生更多热量。沉积碳烟量增加到一定程度，受制于氧含量，对再生效率的促进作用有所减缓。

图8 入口流量和加热温度对DPF再生特性的影响

图9 碳烟质量和氧浓度对DPF再生特性的影响

3 结论

（1）对DPF再生参数的影响程度进行研究，运行参数对再生性能影响程度整体大于结构参数；运行参数中加热温度、初始碳烟量和氧浓度与壁面峰值温度和最大温度梯度呈正相关，与再生持续时间呈负相关。

（2）再生时的壁面峰值温度和再生速率随壁厚、CPSI的增加而降低；减小壁厚和孔密度CPSI在提高再生效率的同时，产生了较高的壁面峰值温度和最大温度梯度；在结构参数中，DPF长度和直径之间的交互作用最大；增加DPF的长度和直径能有效降低再生时的壁面温度，但会增加再生所需的能耗。

（3）再生过程中的壁面峰值温度和最大温度梯度随着再生加热温度和碳烟累积量的增加而增加，随着入口流量的增加而略有减小。在一定范围内提高再生气中的氧浓度有助于提高总体的再生速率和再生效率，但会产生较高的壁面温度。