含氧量对颗粒捕集器热再生过程的影响

周一闻, 汤 东*, 缪晓峰, 钟祥麟

(1. 江苏大学汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013; 2. 中国汽车技术研究中心有限公司, 天津 300300)

与汽油机相比, 柴油机的动力更强、油耗更低, 具有广泛的应用领域．然而,柴油机排放的污染物对环境和人类健康会造成极大危害[1-2]．颗粒物是柴油动力车的主要排放物之一,也是其产生黑烟的原因．除提升燃油品质外, 减少颗粒物排放的主要方法是改进尾气后处理系统, 其中使用柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)被证明是最为有效的方法, 其对颗粒物的过滤效率可达95%以上[3]．但在DPF使用过程中,颗粒物的累积会导致壁面渗透率下降,进而产生较高的排气背压,影响发动机的动力性能, 因此有必要在O2或NO2气氛下对捕集的颗粒物进行氧化,提高DPF的工作效率[4-5]．热再生是最为常见的DPF再生方法,众多学者对该再生过程的影响因素进行了研究: Lee等[6]提出一种单通道数值模型预测DPF内的热量传递, 研究了过滤体直径、孔密度、碳烟累积量对热响应和再生特性的影响; Fu等[7]采用4种两方程湍流模型分别计算旋流燃烧器和多孔介质中的回流特性以及速度、压力和湍流动能的分布; Yu等[8]使用两相双通道模型预测DPF入口气体温度和颗粒引燃时间的限制．根据前人的研究结果,DPF热再生过程的三要素可概括为温度、氧含量和沉积碳烟密度．本文拟采用数值模拟的方法, 针对不同氧气体积分数条件下DPF热再生过程中的流场和碳烟密度分布进行研究, 并分析氧气含量和温度对DPF热再生效果的协同作用, 以期为实现DPF的有效再生提供理论和实验基础．

1 DPF模型的建立及验证

1.1 再生流动系统控制方程

图1 DPF通道内的流动模型Fig.1 Flow model of inside channel in DPF

1.2 氧化反应机理

图2 DPF压降模拟值及试验值对比Fig.2 Simulation value and measurement value of pressure drop of DPF

基于碳烟氧化反应的化学反应动力学建立过滤体再生模型．碳烟氧化反应为C+(1-fCO/2)O2→fCOCO+(1-fCO)CO2, 其中fCO是CO选择系数．再生过程中的反应速率k=ATexp(-ET/T), 其中AT是反应频率因子,ET是反应活化温度,T是过滤体温度．在碳烟氧化反应中, O2的体积分数与动力学参数具有定量关系, 频率因子和活化温度之间存在明显的动力学补偿效应[9], 根据文献可获得不同氧气体积分数下的频率因子和反应活化温度[10]．

1.3 模型验证和主要计算参数

压降是评价DPF性能的重要指标,对柴油机在负荷为75%, 转速分别为2 700, 3 600 r·min-1下工作时DPF的压降特性进行测试, 以验证DPF模型的准确性．图2为DPF压降模拟值和试验值对比结果．由图2可知, 试验误差在7%以内, 说明所建立的DPF模型较准确, 可通过该模型进行DPF热再生过程分析．热再生模型计算过程中所采用的主要参数如表1所示．

表1 DPF热再生模型计算所用的主要参数

2 热再生过程的场分布

2.1 通道内流速

图3给出了2种氧气体积分数下DPF入口和出口通道流速随时间变化的情况．由图3(a)(b)可见, 入口通道径向横截面上中心偏下方的流动速度较大,越靠近通道边缘处的流动速度越小;入口通道轴向横截面上的流速从前向后逐渐减小,在入口通道末端迅速降为0．这是因为受上游管道形状限制及重力、摩擦阻力等因素的影响,排气进入DPF时为非均匀流体, 随着气体的充分流动, 流速差异逐渐减小; 由于过滤体两端为交替堵孔结构,气体流动至入口通道末端时受到阻碍,轴向气流速度趋向于0[11]．由图3(c)(d)可见, 出口通道径向横截面上的流速分布与入口通道类似; 出口通道轴向横截面上的气流速度逐渐增大,在出口处达到最大值,这是因为在出口处静压力转变为动压力, 使该处的气流速度增大．对比图3(a)～(d)可知,富氧再生环境主要影响入口通道内的流速分布情况:相同再生时刻下,φ(O2)=0.21的入口通道流速比φ(O2)=0.11的流速小,轴向速度分布更均匀．这是因为受较高的氧气体积分数影响,被氧化的累积碳烟更多,滤饼层厚度减小,进而导致通道截面积增大,相同流量对应的通道流速较小．上述结果表明,富氧再生环境有助于实现DPF内入口通道气体的均匀流动．

图3 不同O2体积分数下的DPF入口和出口通道流速分布Fig.3 Inlet and outlet velocity distribution of DPF at different O2 fractions

2.2 过滤体壁面渗流速度

图4 不同O2体积分数下的DPF过滤体壁面渗流速度变化Fig.4 Wall velocity distribution of DPF at different O2 fractions

图4给出了不同O2体积分数条件下过滤体壁面渗流速度随时间变化的分布情况．由图4可见, DPF过滤体径向横截面中心偏下方的壁面渗流速度较大, 越靠近边缘,渗流速度越小,这与入口气流速度分布不均和入口壁摩擦阻力等因素有关; DPF过滤体轴向横截面首尾两端的壁面渗流速度较大,而中心处的渗流速度较小, 这是由于入口通道截面突然变窄,气体无法及时流出,部分气流通过过滤体壁面流入出口通道, 导致过滤体前端的壁面渗流速度增大, 随着气流的充分流动,壁面渗流速度逐渐减小,而气流到达孔道末端时,只能通过渗透壁面进入出口通道,故壁面渗流速度明显上升[12]．对比2种O2体积分数条件下的壁面渗流速度可见: 当t=100 s时, 2种条件下的壁面渗流速度分布情况类似, 这是因为体系刚刚达到再生温度,再生速率没有明显差异;随着再生过程进行,φ(O2)=0.21时的壁面渗流速度比φ(O2)=0.11时的小, 这是因为富氧条件下的再生效率更高,过滤壁的渗透率更高,轴向上的渗流速度分布更均匀．另外,再生过程中过滤体底部的渗流速度有所增大,这主要是因为随着再生过程的进行,过滤体径向中心偏下方的壁面渗透率显著增加,部分气体流经壁面向四周扩散,而扩散中心离过滤体底部更近,气体扩散至过滤体底部后聚集在该处,形成更大的渗流速度．

2.3 碳烟密度

图5给出了2种氧气体积分数条件下过滤体内的碳烟密度分布情况．如图5所示, 再生过程的前100 s内, 过滤体内的碳烟密度较高,因为此时温度还未达到碳烟氧化温度;随着再生过程的进行,轴向中心处的碳烟密度明显降低,同一径向横截面上的碳烟密度分布不均,这是由于轴向中心处的气流速度最大,热量传递最快,导致中心处的碳烟最先被氧化;另一方面,再生气流最先达到出口端面中心,边缘处的再生气流流速较慢, 也造成了过滤体出口端面碳烟密度的不均匀分布．对比2种氧气体积分数条件下的碳烟密度分布可见,富氧环境下的再生效率明显更高:再生过程进行400 s后,富氧条件下出口端中心处的碳烟已充分氧化,仅边缘处还有少量碳烟;而在相同时间内φ(O2)=0.11条件下的再生过程还未充分完成,孔道内仍有一定量的碳烟．

图5 不同O2体积分数下的DPF碳烟密度分布Fig.5 Soot density distribution of DPF at different O2 fractions

3 再生效果分析

为了解O2体积分数与温度对DPF热再生效果的协同作用, 笔者对不同再生条件下DPF壁面峰值温度及再生效率进行研究．

3.1 过滤体壁面温度

实际工作中, DPF过滤体末端往往沉积有大量碳烟,热再生时会产生高温和较大的热应力,若温度超过过滤体材料的熔点则会造成DPF的热失效．图6给出了不同氧气体积分数和再生温度条件下的DPF过滤体壁面峰值温度．由图6可见,当再生温度低于860 K时,氧气体积分数对DPF壁面峰值温度的影响较小,这是因为此时温度还未达到碳烟颗粒的燃点;随着温度的上升,氧气体积分数开始影响过滤体壁面温度,当温度为880～900 K时,壁面峰值温度随氧气体积分数的增大迅速升高．总之, 提升氧气体积分数可以显著提高碳烟的高温氧化特性．这主要是因为随着氧气体积分数的增加,碳烟颗粒表面与氧气的接触面积增加,进而提升了反应速率,壁面峰值温度也有所上升．

3.2 再生效率

若DPF的再生时间过长,会影响过滤体的使用寿命．图7是不同氧气体积分数和再生温度条件下DPF的再生时间(省略超出DPF材料耐受温度范围和时间过长的点)．如图7所示, 随着再生温度升高, DPF的再生时间明显缩短,效率明显提高．另一方面, 当φ(O2)<0.21时, 增加氧气体积分数可以明显缩短再生时间, 提高再生效率; 当φ(O2)>0.21时, 氧气体积分数对再生效率的影响会减小,这是由于氧气足够时,碳烟表面吸附的氧气量达到饱和,氧气量对氧化反应速率的影响减弱[13]．综上所述, 温度对DPF的热再生效率起主导作用,氧气体积分数起辅助作用;适当提高再生温度和氧气浓度有助于提高再生效率和延长过滤体的使用寿命．

图6 不同氧气体积分数和再生温度条件下的DPF过滤体壁面峰值温度Fig.6 Wall peak temperature of DPF at different O2 fractions and regeneration temperature

图7 不同氧气体积分数和再生温度条件下DPF所需的再生时间Fig.7 Regeneration time of DPF at different O2 fractions and regeneration temperature