柴油机微粒过滤器压降的数值计算与试验验证

李硕，安伟

(江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122)

0 引言

随着汽车保有量的增加，其对大气污染的分担率也随之增加[1]。柴油机排气中的主要污染物是氮氧化物(NOX)和微粒(PM)，尤其是微粒排放，对人体的危害已广为人知[2]。研究表明，采用机内控制技术改进后的柴油机能很大程度地减少颗粒物的排放量，但其产生的超细颗粒物数量反而增加了，而颗粒物越细，对人体危害越大。柴油机微粒过滤器(diesel particulate filter ,DPF)可以弥补机内控制技术的不足，是最适合商用化的颗粒物排放控制技术[3]。材料与再生是DPF应用的难点，而柴油机微粒过滤器再生时机的判断是DPF后处理系统应用的关键。本文对壁流式柴油机微粒过滤器的压降进行了分析、建模与试验研究，研究结论对实现基于模型的再生时机判断有重大意义。

1 壁流式柴油机微粒过滤器压降分析与建模

1.1 空载壁流式柴油机微粒过滤器压降模型

过滤压降是评价过滤体性能的重要指标之一[4]。排气流经过滤体时的压力损失主要包括：气体流入和流出过滤体时由于截面变化引起的压降，进出口通道的摩擦阻力引起的沿程压降，以及多孔介质过滤壁面的流动阻力引起的压降，如图1所示。所以空载壁流式微粒过滤器的总压降ΔPclean可以表示为：

ΔPclean=ΔPin&out+ΔPin&outchannel+ΔPwall

(1)

图1 空载压降组成示意图

当废气流过壁流式过滤体时，会发生不同的流动现象。当湍流气流接近过滤体前端面相间堵孔的小孔时，由于气流流道的收缩，气流中的小尺度漩涡会在进气孔附近剥落，形成流动阻力；同样，当出气孔道内的气流离开过滤体时，减速膨胀至整个过滤体横截面，此时也有可能产生流动分离，形成小尺度漩涡[5]。由此引起的过滤体进、出口处的压力损失为[6]：

(2)

式中：ρ为流体密度；ξ在 0.2～0.85之间，是进出口处的局部损失系数之和，与DPF孔密度和雷诺数有关；μ为过滤体孔道进口处的气流速率，与气体体积流量有关。

假设进入过滤体的气体体积流量为Q，则过滤体进口孔道处的气流速率u可由式(3)求出：

(3)

(4)

式中：D是过滤体外部直径；σ是过滤体孔密度；a为过滤体小孔的宽度；w是过滤体孔道壁面厚度，如图2所示。

另外，当废气分别沿着进气孔道和出气孔道流动时，由于孔道壁面的摩擦阻力，产生的压降为[7]：

(5)

式中：μ为气流的动力黏度，由温度T决定；F=28.454，为摩擦系数；L为DPF孔道的有效长度，由于封堵段长度较小，可以忽略，这里取过滤体总长度，如图2所示。

气流的动力黏度μ可由下式计算[6-7]：

μ=8.32×10-15×T3-2.96×10-11×T2+6.24×10-8×T+2.31×10-6

(6)

最后，整个过滤体压降最重要的组成部分是当气流流过小孔的多孔介质壁面时造成的， 这一部分压降可由达西定律给出[7]，为：

(7)

(8)

(9)

式中：k0为干净过滤体孔道壁面的渗透率；uw为气体通过过滤体孔道壁面时的平均渗流速度；N为过滤体入口孔道数目。

ΔPin&out与ΔPin-&outchannel和ΔPwall相比属于较小量，但是随进气流量增加，其所占比例也随之增加，计算时仍然不可忽略。所以，空载壁流式微粒过滤器的总压降可由式(10)计算：

(10)

其中VDPF为过滤体总体积。

(11)

1.2 负载壁流式柴油机微粒过滤器压降模型

如图3所示，当壁流式微粒过滤器中捕集的微粒形成滤饼层以后，其总压降ΔPload由以下几项构成：

ΔPload=ΔPwall+ΔPsoot+ΔPinchannel+ΔPoutchannel+ΔPin&out

(12)

其中由滤饼层的流动阻力引起的压降：

(13)

图3 负载压降组成示意图

其中：ks为滤饼层的渗透率；ws为滤饼层厚度，如图4所示。

图4 负载结构参数示意图

微粒滤饼层的形成将减小过滤体进气孔道的有效宽度，需要对进气孔道由摩擦阻力产生的压降进行修正[8]：

a·=a-2ws

(14)

(15)

式中：a·为过滤体进气孔道有效宽度；u·为过滤体进气孔道的有效气体流速。修正后，因为进气孔道摩擦阻力而引起的压降为：

(16)

(17)

假设DPF内过滤捕集到的颗粒物质量都均匀分布在滤饼层，而且碳烟颗粒物在过滤体进气孔道内是均匀分布的，也就是说微粒形成的滤饼层在整个进口孔道壁面上是均匀分布的，那么DPF内过滤捕集到的颗粒物质量ms可以表示为：

ms=4NL(a-ws)wsρps

(18)

其中ρps为颗粒物滤饼层的堆积密度。由于滤饼层厚度极小，无法通过无损检测得到，这里采用数值计算与试验数据匹配的方法获得。

计算模型的相关输入值可由试验给出。利用MATLAB建立数学计算模型，计算空载状况与不同气体流量条件下的压降值，计算稳定气体流量状况与不同碳载量条件下的压降值。

2 积碳试验和压降试验

通过积碳试验快速进行DPF积碳，使DPF积碳至目标碳载量以完成后续相应的DPF负载压降试验。试验以WP7.270E61型柴油机及选定的DPF后处理系统为研究对象。柴油机主要参数见表1，DPF主要参数见表2。

表1 柴油机主要技术参数

表2 试验用DPF主要参数

2.1 积碳试验方案

在柴油机试验台架(图5)上将DPF快速加载至一定碳载量，为缩短DPF积碳时间，需编制相应的积碳循环进行积碳。积碳循环需满足以下几点要求：1) 积碳循环应有一个较高的积碳梯度；2) 积碳循环中DPF内部温度要求在250 ℃以下；3) 低氮氧化物排放，高碳排放。为满足以上3点，取WHTC(world harmonized transient cycle，欧洲第6阶段排放标准中规定的测试发动机瞬态排放特性的试验循环[9])前1 200 s作为积碳循环，如图6所示。

图5 柴油机试验台架

图6 积碳循环选定图

积碳循环结束后对DPF进行称重，称重要求如下：

DPF需要在特定发动机工况下运行5 min，保证称重前DPF内部温度在150 ℃左右； 使用量程30 kg，精度1 g的电子秤； 将DPF水平放置于电子秤上；保证拆卸过程中DPF内部的颗粒物不能掉落；称重时等电子秤显示稳定后进行读数，记录3次，取平均值；积碳后的称重质量均值与空载DPF称重质量均值的差值即为积碳质量。称重完成后，将DPF封装段用行车或人工轻轻抬起，安装于后处理封装上，为负载壁流式微粒过滤器压降试验做准备。

2.2 压降试验方案

压降试验平台由滤清器，节流阀，电动鼓风机，电加热器，空气流量计，压差传感器，温度传感器，空载(或负载)DPF，数据采集系统等组成。试验中保持鼓风机功率不变，通过节流阀来控制空气流量，通过温度传感器反馈调节电加热器来调节空气温度，空气经由滤清器，节流阀，电动鼓风机，电加热器，进入DPF。空载压降试验中，根据设定算例，调节流量和温度到设定值，读取压降，记录流量和温度和压降值，进行3次，取平均值为试验值。负载压降试验中，保持空气流量稳定。该试验平台可用于研究不同流量或不同碳加载量下的DPF压降特性。

3 压降数值计算与试验结果分析

表3 压降模型验证条件

图7是选定过滤体压降在空载状况下随进气流量的变化曲线，由图7可以看出计算值和试验值的总体变化趋势一致，数值差异较小，而且两者的最大误差不超过5%，因此，建立的计算模型是正确的。

图7 空载压降随进气流量的变化曲线

图8是选定过滤体压降在负载状况下随碳载量的变化曲线，由图8可以看出计算值和试验值的总体变化趋势一致，数值差异较小，而且两者的最大误差不超过8%，因此，建立的计算模型是正确的。

两种压降的计算值和试验值的总体变化趋势一致，数值差异较小，而且两者的最大误差不超过8%，因此，建立的计算模型是正确的。

图8 负载压降随碳载量的变化曲线

4 结语

1) 建立了壁流式柴油机微粒过滤器的空载压降数学模型，通过试验对建立的数学模型进行了验证。结果表明，计算值和试验值的数值差异较小，变化趋势一致，建立的压降数学模型是正确的。

2) 可以利用空载压降数学模型研究DPF结构参数对压降性能的影响，压降与进气流量呈线性关系。

3) 建立了负载压降数学模型，并基于负载压降数学模型建立了碳载量计算模型。通过试验对建立的数学模型进行了验证。结果表明，计算值和试验值的数值差异较小，变化趋势一致，建立的压降数学模型是正确的。

4) 可以利用负载压降模型进行碳载量的计算，压降与碳载量近似呈线性关系，该模型可以实现基于模型的再生时机判断。

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