柴油机微粒捕集器内灰层对其热再生的影响

柴油机微粒捕集器内灰层对其热再生的影响

柴油颗粒采集装置（dpf）是目前最有效的颗粒后处理处理装置之一。谷物颗粒采集装置的主要技术特征是采集和再生。国内外科学家对颗粒采集装置的研究主要集中在过滤结构的优化、采集性能、内流和温度场分布的特征、压缩降的特征、颗粒运动沉积规律和再生技术的应用上。近年来，随着微型收获机的应用和普及，油耗和耐久性问题引起了人们的关注。在微粒捕集器工作过程中,影响其耐久性能的主要因素包括灰烬堵塞、过滤体热损伤、再生催化剂失效以及过滤体的机械损伤.在微粒捕集器再生过程中,过滤体处于高温和热冲击的恶劣环境中,过高的再生温度会导致过滤体材料熔融,过大再生热应力容易致过滤体破裂,因此,过滤体通常选择耐高温和抗热应力的材料.新型耐高温、抗热应力材料(SiC)的出现在一定程度上解决了过滤体容易热损伤的问题,但是如果出现不可控的再生过程,则SiC过滤体同样会因为承受较大的热负荷和热冲击而熔融或者裂损.针对微粒捕集器再生时过滤体的热损伤问题,研究者基于Bissett早期建立的零维热再生模型对微粒捕集器的再生热损伤进行了深入研究.在此基础上,Haralampous等建立了微粒捕集器的二维热再生模型,并研究了微粒捕集器入口温度、过滤体内碳烟分布以及沉积量对过滤体温度梯度分布的影响;Lee和Yu等通过一维和二维的热再生模型研究了不同再生条件下过滤体长径比、孔隙率、排气流速、孔道宽度以及碳烟沉积量等对微粒捕集器热响应时间和再生特性的影响,分析了排气氧浓度、微粒沉积量等对微粒起燃特性的影响,并分析了一维和二维再生模型的计算精度,结果表明二者的计算结果非常接近;Galindo等通过在轴向和径向上离散多孔介质壁面,建立了耦合孔道内的流场特性的微粒捕集器再生热传导模型,并验证了模型的合理性.综上,国内外研究者通过数值模拟方法对微粒捕集器的热再生过程进行了大量细致的研究,并通过试验验证了再生模型的合理性.然而随着微粒捕集器再生过程的不断循环,微粒中不能通过再生过程清除的不可燃灰烬会在过滤体入口孔道壁面和末端不断累积,形成一层致密的灰烬层,使得过滤体压降增加,并对微粒捕集器的再生过程存在着一定的影响.目前,国外相关学者研究了灰烬物质的来源及物化特性,并通过微粒捕集器加速老化台架研究了沉积灰烬对微粒捕集器流动阻力的影响,Schejbal等在建立的DPF再生模型中考虑了灰烬层对排气流动特性的影响,而事实上,微粒再生时灰烬层对排气的流动及传热过程都会存在很大的影响.笔者考虑沉积灰烬层在微粒捕集器热再生过程中对排气流动及传热特性的影响,通过数值模拟的方法研究灰烬沉积状态下过滤体内碳烟在各种不同条件下的热再生过程,分析不同碳烟和灰烬沉积量下过滤体内再生温度的变化规律,为微粒捕集器的耐久性研究以及再生控制提供理论指导.1孔道内的能量控制体模型模型以Bissett建立的热再生模型为基础,取1/4面积的进气和出气孔道作为研究对象,如图1所示,位置1~4分别表示轴向z方向相对过滤体长度L的相对位置.微粒捕集器的再生是一个具有多孔介质壁面的孔道内气体流动和碳烟颗粒燃烧的传热传质过程,模型考虑了沉积灰烬层对气体流动特性以及壁面固态热平衡状态的影响,图2为壁面能量控制体.模型主要假设:1)过滤体内气体停留时间非常短暂,处于准稳态过程;2)忽略过滤体进气孔道内排气状态在径向上的变化;3)忽略过滤壁面温度梯度在径向上的变化;4)沉积的排气微粒为纯碳微粒.1.1气体质量守恒方程由质量守恒定理可知,图1所示过滤体进出口孔道控制体内的气体质量变化量等于多孔介质壁面渗流进入进出口孔道控制体内的气体质量,因此,过滤体孔道内气相质量守恒方程为式中:i=1表示入口孔道,i=2表示出口孔道;ρi为排气密度;ui为排气速度;ρw和uw分别表示壁面排气密度和速度;di为孔道宽度,d2等于初始孔道宽度d0,而d1会因为灰烬和碳烟颗粒沉积于进口孔道壁面而发生改变,即式中:ws为碳烟颗粒层厚度;wa为灰烬层厚度.1.2单位时间控制z方向的电量考虑孔道内气体压力和表面切向摩擦力的作用,根据动量守恒定律可知,单位时间控制体内z方向的动量变化是由控制体内z方向压力的变化以及z方向的摩擦力引起的,其动量守恒方程简化为式中:pi为孔道内的压力;μi为排气黏度.1.3流、壁面的对流传热引起的安全问题进出口孔道内气相能量的变化是由气流流动、壁面渗流以及壁面的对流换热引起的,图1所示控制体内其能量守恒方程可简化为式中:cg为排气的比热容;h为孔道内排气气流与孔道壁面的对流换热系数.1.4碳烟颗粒层和过滤壁面的积分法在进出口孔道相同的轴向位置上,进气孔道的控制体与出气孔道的控制体之间的压力差主要是由于过滤壁面、沉积灰烬层以及碳烟颗粒层的流动阻力造成的,基于灰烬和碳烟颗粒层的沉积形态,二者可以近似作为多孔介质层,根据达西定律并考虑碳烟颗粒层再生过程中的变化,可知碳烟层导致的进出口孔道间的压差变化同理,由于灰烬沉积层和过滤壁面不会随着再生进行而改变,根据达西定律可知进出口孔道之间的灰烬层和过滤壁面的压差方程Δpa与Δpw之和为式中:ksoot、kash和ks分别表示碳烟颗粒层、灰烬层和过滤壁面的渗透率;ws、wa和w分别为碳烟层、灰烬层和过滤壁面厚度;μw为壁面排气黏度.因此,相同的轴向位置上进出口孔道之间的压差变化为1.5模拟结果与试验测量的契合度Koltsakis等研究发现考虑纯碳颗粒燃烧过程为非完全氧化反应时,模拟计算的结果更加接近试验测量值,即式中:β为碳烟颗粒氧化反应的完全系数,根据Koltsakis等的研究发现,其值取0.8时,模拟结果与试验值的吻合度最好.1.6碳烟颗粒的生物活性在氧化反应的作用下,碳烟微粒会逐渐减少,根据质量守恒定律和碳烟颗粒的化学反应机理得式中:ρs为碳烟微粒层的堆积密度;MC和分别为碳和氧气的摩尔质量;为反应速率的指前因子;E为反应活化能;Sp为碳烟颗粒的比表面积;为排气中氧浓度;R为普适气体常数;Tw为过滤壁面温度.1.7碳烟颗粒氧化燃烧释放热量的计算根据能量守恒定律可知单位时间内过滤壁面控制体(图2)内聚集的热量为进出口孔道内气流与固态区域对流换热净导入控制体的热量、净导入控制体的传导热量以及碳烟颗粒氧化燃烧释放热量的总和,即式中:ρa为灰烬层的堆积密度;ρb为过滤壁面多孔介质密度;cs、ca和cb分别为碳烟、灰烬以及过滤壁面的比热容;λs、λa和λb分别为碳烟、灰烬以及过滤壁面的导热系数;Qreact为碳烟氧化反应放热量;Hconvect为净流入控制体的对流换热量;As、Aa和Ab分别为碳烟和灰烬颗粒层以及过滤壁面在控制体内的面积.式中:ΔH为碳烟氧化反应生成焓,其值与β有关.2计算条件和过程2.1民国初年在再生初始时刻,过滤壁面温度和进出口孔道温度相等,碳烟颗粒层厚度为初始厚度.式中:ws_0为碳烟颗粒层初始厚度.2.2流量qf的定义在进口孔道入口处,气流温度和气流质量流量等于上游排气温度Tf和上游排气质量流量Qf,即由于进口孔道末端被堵塞且假设与外界环境绝缘,即在出口孔道末端,由于其与外界大气相通,其压强等于大气压力patm和出口孔道气流膨胀引起的压力损失pexp之和.同样,出口孔道前端被堵塞且假设与外界环境绝缘,即2.3耦合进排气孔道上述建立的碳烟微粒热再生模型是一组复杂的非线性偏微分方程,其计算流程如图3所示.首先,基于设定的计算空间域x为0~L,时间域t为0~tmax,以及空间步长Δz和时间步长Δt,耦合进排气孔道的气相质量守恒方程、动量守恒方程和压差方程,对其进行离散建立k(k=1)时刻的离散方程,并求解可得到进排气孔道内排气初始状态(压力场和速度场);再生开始时,以k时刻的排气状态为条件,耦合进出口孔道气相能量、碳烟质量以及壁面固态能量守恒方程,计算过滤体内碳烟颗粒层和温度场的变化;然后继续迭代k=k+1,判断再生是否结束,如果再生继续则重新计算碳烟层和温度场的变化.3热再生试验为了验证计算模型的合理性,将计算模型的计算结果与Mayari等进行的碳烟颗粒热再生试验结果进行对比,其中模型验证计算的排气状态参数以及过滤体参数等均来源于Mayari等热再生试验的条件参数.图4为沉积了10,g/L碳烟颗粒的微粒捕集器在排气流量为14,g/s、氧浓度为10%的排气状态下,当温度达到600,℃时热再生的计算和试验结果对比.从图4中可以看出,模型计算值与试验值的变化趋势基本相同,且计算模型的峰值温度与试验峰值温度比较接近,其误差小于5%.由此表明,建立的热再生模型能较为准确地预测微粒捕集器的热再生过程.4最高温度差异在计算分析中,基于Lee和Konstandopoulos等的研究设定碳烟在排气温度到达576,℃时开始再生,表1为模型计算的过滤体参数及排气状态初始参数,其中计算初始排气温度为326.85,℃,50,s后排气温度开始升高,并在50,s后温度升高至576.85,℃.表2为模型计算所需的灰烬和碳烟颗粒层的物化参数,所有试验数据主要来源于文献[21-22].图5a为沉积了15,g/L碳烟颗粒的微粒捕集器在无灰烬沉积状态下再生过程中过滤体壁面温度随再生时间的变化规律;图5b和图5c分别为沉积了15,g/L碳烟颗粒的微粒捕集器在过滤孔道内累积了10和20,g/L灰烬颗粒的状态下再生过程中过滤体壁面温度随再生时间的变化规律.由图5可知,随着过滤体孔道内灰烬沉积量的增加,再生时过滤壁面的峰值温度会随之升高,且温度增加幅度随着灰烬沉积量的增加而变大;在无灰烬沉积的时候,过滤壁面再生温度峰值在750,℃左右,且轴向z方向上最高温度相差不大;当过滤体沉积灰烬量达到20,g/L时,虽然过滤体前部温度峰值只是略微增大,但在过滤体末端壁面再生温度峰值达到885,℃左右,再生时壁面温度明显增加.这主要是因为沉积的致密灰烬层增加了再生时的热传导阻力,不利于再生热量的扩散,使得温度升高,加速后端进气孔道内碳烟的氧化速率,从而使孔道后端再生峰值温度越来越高.图6为壁面碳烟颗粒沉积层厚度随再生时间的变化规律.在没有灰烬沉积的状态下,壁面末端的碳烟颗粒在419,s前后全部再生完毕,如图6a所示;而在10,g/L灰烬沉积状态下,壁面末端的碳烟颗粒在325,s前后全部再生完毕,再生时间明显减少,如图6b所示.对比图6a和图6b发现,在过滤体后端,碳烟层厚度在有灰烬沉积时降低的速率明显提高,而碳烟层厚度降低是由于碳烟氧化反应引起的,这说明在灰烬沉积状态下,碳烟颗粒的再生速率得到了提高,即相同时间内碳烟氧化反应产生的热量增加.图7为沉积了15,g/L碳烟颗粒的微粒捕集器在不同灰烬沉积量(0、5、10、15和20,g/L)下,过滤体进口孔道末端(位置4)过滤壁面碳烟沉积层厚度随再生时间的变化关系.当过滤体内沉积灰烬量为5,g/L时,碳烟层比无灰烬沉积时提早84,s完成再生,碳烟层降低的速率随着灰烬沉积质量的增加而增大,当沉积灰烬量达到20,g/L时,碳烟层比无灰烬沉积时提早154,s完成再生.图7的计算结果进一步说明,灰烬层的增加会导致碳烟再生时过滤壁面温度升高,促使过滤体后端碳烟再生加速,提高再生时壁面峰值温度.图中碳烟沉积层初始厚度不同是由于灰烬沉积导致进口孔道变窄,等量的碳烟颗粒在有灰烬沉积的进口孔道内沉积厚度会增加.图8为沉积了15,g/L碳烟颗粒的微粒捕集器再生时过滤体进口孔道内不同位置的气流速度随再生时间的变化关系.在碳烟再生过程中,排气流速先急剧减少,然后逐渐增加.这主要是因为碳烟再生使得壁面渗流阻力减少,壁面渗流速度增加,导致壁面后部进口孔道的流速减少,而随着再生的进行,后部进口孔道内的碳烟再生开始,该部分的壁面渗流阻力开始减少,孔道流速逐渐恢复正常.由于碳烟颗粒层再生后消失,进口孔道体积增加,从而会使得再生后进口孔道排气流速小于再生开始时孔道排气流速.综上,随着微粒捕集器再生不断循环,碳烟颗粒中夹杂的不可燃灰烬颗粒会沉积在进口孔道的过滤壁面上增加碳烟颗粒热再生时的热传导阻力,导致过滤体内再生温度升高,过滤壁面峰值温度也随之升高;同时,再生过程中进口孔道前端再生温度的升高会加快后端孔道内碳烟颗粒的氧化速率,使得再生温度进一步升高.由于沉积的灰烬颗粒在温度达到900,℃时容易发生烧结和融合,严重影响微粒捕集器的正常工作,因此,通过分析沉积灰烬的物化特性,利用微粒捕集器灰烬沉积状态下的热再生模型研究其再生特性能准确预测不同灰烬沉积量下过滤壁面的再生温度,为优化微粒捕集器再生控制策略提供理论指导.5碳烟再生时过滤体温度(1)微粒捕集器内沉积的灰烬层会增加碳烟颗粒再生时过滤体内热传导阻力,从而提高再生时过滤壁面峰值温度,且随着灰烬沉积量的增加,壁面峰值温度增加幅度增