过滤壁面内屑深床沉积规律及压降损失研究

过滤壁面内屑深床沉积规律及压降损失研究

发动机颗粒采集装置（dpf）被认为是叶片蜡处理装置的主要方法。在长期的微芯片工作中，过滤体孔道中的灰烬积累是导致微芯片性能恶化的主要原因之一。目前国外研究者主要通过试验来研究微粒捕集器内灰烬的沉积.Bodek通过试验研究证明微粒捕集器中的灰烬物质来源于润滑油添加剂、燃油添加剂、柴油机各零部件磨损以及排气系统的腐蚀,其中润滑油添加剂是灰烬的主要来源.Bardasz等的研究表明微粒捕集器中灰烬随着燃油消耗以及润滑油中灰分元素的增加而增加.基于此Manni和Aravelli等利用润滑油中S含量预测柴油机排气中灰烬含量,结果表明因为润滑油挥发性和消耗率的不同,使用润滑油中含硫物质难以准确预测柴油机排气中灰烬含量.Sappok等通过微粒捕集器车辆道路试验发现,随着微粒捕集器装车运行里程增加,过滤体入口通道内灰烬缓慢增加,沉积灰烬能影响微粒捕集器的再生策略.微粒捕集器的压降特性是影响微粒捕集器以及柴油机性能的一个重要参数,早期研究过程中,Konstandopouls在Bisset等的研究基础上根据多孔介质过滤体的结构特点建立了洁净状态下单通道压降模型,并在后来对其进行完善,建立了完整的微粒捕集器压降模型;随后,Mansour考虑了微粒滤饼沉积状态,建立了微粒捕集器负载微粒状态下的压降模型.在此基础上,Sappok等在考虑灰烬和微粒滤饼层的情况下对压降模型进行了修正,得到了再生状态下的压降模型.事实上,灰烬首先深床沉积于过滤壁面微孔内,深床沉积的灰烬会改变过滤体壁面孔隙率和渗透率,导致过滤壁面的流动阻力增加,因此为了更准确地研究微粒再生状态下的压降特性,需要在压降模型中考虑深床沉积的灰烬对微粒捕集器压降的影响.笔者基于球状捕集单元对多孔介质壁面填充床模型进行分层离散化,研究深床沉积灰烬对捕集单元尺寸以及壁面孔隙率和渗透率的影响,建立了考虑深床沉积灰烬对微粒捕集器压降影响的压降计算模型;最后运用该模型研究灰烬深床沉积阶段过滤体压降随灰烬沉积量的变化,并利用灰烬沉积加速台架试验验证了该模型的合理性.1多孔介质壁的物理模型和特性1.1充填单元结构模型Konstandoulos基于多孔介质过滤壁面的结构特性提出把过滤壁面简化成由球状单元组成的填充床多孔捕集介质.灰烬深床沉积阶段颗粒附着在捕集介质上,使得捕集介质尺寸增加,而捕集介质内球状单元结构特性并没有改变.因此取图1所示球状单元填充床作为研究模型,其中每个球状单元对应一个尺寸为dc的“捕集单元”,即式中:ε为壁面孔隙率;dpore为过滤壁面平均孔径.1.2过滤壁面表层渗透率模型柴油机排气中的灰烬颗粒夹杂在微粒中,并随微粒一起沉积于多孔介质过滤体内,当微粒再生时,灰烬颗粒在过滤体内二次沉积.再生过程中过滤体内温度升高,压强增大,灰烬颗粒热运动相对于流体拖拽力加强,使得灰烬二次沉积过程中壁面渗透深度相比于微粒的渗透深度减少.Karin等通过观测孔隙率和平均孔径分别为58%和15,µm的过滤壁面,发现绝大部分深床捕集的排气颗粒沉积在壁面表层孔隙中,颗粒随壁面深度增加而逐渐减少,最终在最大渗透深度的过滤壁面内颗粒约等于0.已有研究表明在超过最大渗透深度过滤壁面内沉积的少量颗粒对过滤壁面的渗流阻力不会有明显的影响.研究灰烬颗粒沉积过程和碳烟颗粒沉积过程有所不同,两者沉积的最大渗透深度也有差异,文献证实灰烬颗粒最大渗透深度在80~100,μm.灰烬深床捕集阶段结束后开始滤饼捕集,因此当深床捕集达到饱和状态时,过滤壁面表层渗透率会近似等于灰烬滤饼层的渗透率.基于此,在建立过滤体流动阻力模型之前,进行假设:1)忽略最大渗透深度范围外少量沉积灰烬对流动阻力的影响;2)过滤壁面灰烬最大渗透深度范围内灰烬质量分布遵守线性递减规律分布;3)当壁面表层渗透率等于灰烬滤饼层渗透率时,灰烬深床捕集阶段结束.2灰色深床吞咽数学模型2.1过滤壁面内灰深床沉积总质量的确定为了定量描述过滤壁面沉积灰烬质量的变化,图2根据初始捕集单元尺寸d0将灰烬最大渗透深度划分为n个空间域,从而能定量计算空间域内灰烬沉积质量,分析过滤壁面微观结构的变化.划分后的层域厚度Δy等于捕集单元初始尺寸d0,第i层域上t时刻的灰烬沉积质量为mslab(i,t),因此过滤壁面内灰烬深床沉积总质量在灰烬深床沉积过程中,过滤壁面内捕集单元的数量不变,每个层域过滤壁面内捕集单元的数量式中:Δy为过滤壁面层域厚度;L为过滤体长度;α为过滤孔道宽度;w为过滤壁面厚度;Vc为单个捕集单元体积.因此t时刻,第i层域上每个捕集单元上沉积的灰烬质量2.2壁面层域渗透率模型沉积在过滤壁面内部的灰烬被视为均匀地覆盖在捕集单元表面,从而使捕集单元直径dc增大.t时刻,第i层域过滤壁面内捕集单元直径式中:ρash为沉积于壁面内的灰烬材料密度.因为壁面层域孔隙率是随捕集单元直径变化,因此对应层域的孔隙率过滤壁面内捕集单元和孔隙率的变化会导致壁面渗透率k(i,t)发生变化,根据多孔介质内流体渗透理论可知壁面层域渗透率和孔隙率、捕集单元之间的关系为式中:f(ε)为Kuwabara流动模型定义的几何函数,即2.3灰渣灰滤饼层渗透率灰烬滤饼层渗透率决定了灰烬深床捕集阶段的饱和状态,研究灰烬深床捕集必须确定灰烬滤饼层渗透率.灰烬滤饼层孔隙率εash可以通过沉积灰烬材料密度ρash和堆积密度ρpacking求得,即根据多孔介质理论,灰烬滤饼层渗透率kash是孔隙率和组成颗粒粒径的函数,即式中:dp为灰烬滤饼层灰烬颗粒半径.2.4过滤体体积v既多孔介质壁面渗流阻力满足Darcy定律,过滤壁面的压降式中:μ为排气的动力黏度;Q为排气体积流量;Vtrap为过滤体体积;k0为洁净过滤壁面渗透率.在灰烬深床沉积过程中,过滤壁面灰烬最大渗透深度范围内壁面渗透率会随着空间和时间而变化.通过分析灰烬深床沉积规律,利用离散灰烬最大渗透深度壁面的方法对过滤壁面压降损失方程进行修正,得到灰烬深床沉积状态下过滤壁面压降特性修正式为2.5进气道入口和排气道出口流动面积突变灰烬深床捕集阶段中,过滤体的总压降主要包括:过滤壁面渗流阻力Δpwall,进排气道内部流动摩擦引起的沿程阻力Δpin&out,进气道入口和排气道出口处流动面积突变产生的局部阻力则灰烬深床捕集阶段总压降式中:F为壁面摩擦系数,F=28.454;ξ为进出口处的局部损失系数之和,ξ=0.82;ρg为排气密度;σ为过滤体孔道密度.因此,可得到灰烬深床捕集阶段过滤体总流动阻力模型的最终表达式为3试验计划和计算方案3.1态输运损失的润滑为了验证数学模型的合理性和计算结果的准确性,进行了对比试验.由于微粒捕集器堵塞道路试验存在耗时长、成本高,且试验条件难以精确控制等缺点,国外学者通过分析润滑油进入燃烧室的方式以及燃烧过程,发现可以通过在燃油中掺混润滑油、在进气歧管中喷入润滑油雾以及使柴油机维持在高速大负荷工况下运行等方法来增加润滑油的消耗率以加速微粒捕集器中灰烬的累积.在燃油中掺混润滑油忽略了润滑油在柴油机中的蒸发损失和气流逆向流动损失,且燃油中掺混的润滑油在火焰前锋的扩散部分燃烧,不同于道路试验中液态输运损失的润滑油一般在富氧的区域燃烧;而使柴油机维持在高速大负荷的工况下运行的方法对柴油机的损耗比较大.在进气歧管中喷入润滑油雾增加润滑油消耗的方式能真实反映润滑的损失方式和在缸内的燃烧方式,还可以通过控制润滑油喷嘴随时调节喷入油雾的质量,且不受柴油机运行工况的影响,更加接近真实情况,所以被国外学术界广泛采用.试验采用在进气歧管中喷入润滑油雾的方案来加速灰烬在微粒捕集器的沉积过程,如图3所示,其中加热系统使润滑油温度升高,从而确保喷油器喷出的润滑油充分雾化,油箱内包含了测量装置,能测量试验过程中润滑油消耗量.试验采用长城尊龙CJ-4型润滑油,其SAE黏度等级为5W-40.图4为发动机台架试验装置示意.试验所用柴油机为康明斯ISB300型,其主要参数如表1所示.试验用柴油为0#柴油,含硫量为408×10-6;所用微粒捕集器系统通过在DPF前置氧化催化器(dieseloxidationcatalytic,DOC)进行连续再生,微粒捕集器中过滤体体积为5.66,L,其结构特征参数如表2所示.试验的主要目的是测量微粒捕集器灰烬沉积过程中过滤体背压随灰烬沉积量的变化,并以此验证数学模型的合理性,不需考虑不同工况下,背压随排气流量的变化,因此试验在柴油机转矩为750,N·m、转速为2,000,r/min的稳态条件下进行.稳态工况下,DPF进口端排气温度在482~557,℃内,从而确保了碳烟微粒完全再生.试验中通过控制润滑油喷射系统的控制阀控制喷入进气歧管中的润滑油的量,在采集背压点数据时需停止润滑油喷入,确保DPF中灰烬保持不变;同时,为防止过滤体冷却过程中吸收水汽,卸载的过滤体需在高温下完成称重.3.2灰渣过滤体表层石灰深床沉积量计算方案采用试验方案中的工况数据,其中排气黏度为2.48×10-5,kg/(m·s),通过排气管道上的控制阀控制过滤体内排气流量为0.013,72m3/s.利用扫面电镜(SEM)观察到壁面灰烬最大渗透深度为93.45,μm.根据灰烬物质中主要化合物(CaSO4、Zn2,Mg(PO4)2等)分数计算得出壁面内灰烬材料密度为3,400,g/L,而灰烬堆积密度取450,g/L,基于文献的试验研究单个灰烬颗粒平均尺寸半径为0.32,μm.根据灰烬材料密度和堆积密度联立式(9)~式(11)求得灰烬滤饼层渗透率为3.08×10-14m2,因此灰烬深床沉积结束后,过滤体表层渗透率也为3.08×10-14m2,由此求得过滤体表层灰烬沉积量,并根据壁面内灰烬线性递减规律可求灰烬深床沉积最大质量.4灰渣灰基础中灰渣混合体的流动阻力图5为台架试验中柴油机运行50,h后微粒捕集器压降变化,在微粒捕集器再生循环过程中,过滤体的压降并没有在再生完成后恢复到原来的位置,而是不断递增;图中圆圈表示测量灰烬沉积量时刻的压降点,该时刻过滤体压降从峰值回落表明此时微粒捕集器中碳烟微粒已经再生完成,过滤体压降递增是由于过滤体内累积灰烬造成.图6为加速灰烬沉积试验过程中过滤体的压降变化特性,过滤体压降随着灰烬沉积量的增加而增加,且在灰烬沉积初始阶段(0~2.75,g/L),过滤体压降急剧增加,这主要是因为灰烬沉积初始阶段,灰烬颗粒被深床捕集于过滤壁面内,使得过滤壁面微孔孔径逐渐变小,壁面表层渗透率显著减少,导致壁面流动阻力急剧增加.当灰烬深床沉积阶段结束后,灰烬颗粒开始沉积在过滤壁面上,并形成多孔状的灰烬薄层,此时灰烬薄层对过滤体流动阻力的影响较为平缓,因此过滤体压降随灰烬沉积量增加速率较为缓慢(如图6虚线右侧).图7a为过滤壁面一层域内球状捕集单元尺寸随灰烬沉积量变化规律,壁面球状捕集单元尺寸随着壁面该层域内灰烬沉积量的增加而线性增大.图7b示出壁面内灰烬沉积量为2.0,g/L和2.75,g/L时,壁面各层域球状捕集单元直径变化,随着灰烬沉积量的增加,壁面层域捕集单元直径增加,而随着灰烬渗透深度的增加,捕集单元直径逐渐减少,当到达最大渗透深度时,捕集单元尺寸保持不变.在计算过滤体流动阻力之前,联立式(7)~式(9)求得壁面最大渗透深度范围内渗透率变化规律,从图8可知,壁面层域内渗透率随着灰烬沉积量的增加而减少,壁面深度越深,沉积的灰烬量越少,其渗透率变化也越小.图9为过滤体背压变化的试验和计算对比,两者变化趋势基本吻合,试验和计算误差在8%以内,并且随着灰烬沉积量的增加,过滤体背压变化率快速增大.因为连续再生不能使微粒100%再生,以及计算模型中仅考虑润滑油为灰烬物质的来源,忽略了发动机磨损、排气系统腐蚀以及后处理系统中催化剂脱落等因素导致灰烬增加对排气背压的影响,因此计算值与试验值存在较大偏差.而试验初始值小于计算值是由于试验中发动机从低速、小负荷工况变为试验所需工况,测量初始背压时,试验工况刚稳定,而排气流速还未稳定,影响了试验值,因此试验初始值存在试验误差,应该剔除.综上,基于合理的假设建立了灰烬深床沉积压降计算模型,相比已有的压降计算模型,该模型充分考虑了灰烬深床沉积于过滤壁面后对其微观结构的影响以及增加的流动阻力,能更为准确地计算微粒捕集器内灰烬沉积量与背压之间的变化关系,在工程应用中具有重要的参考价值.5灰渣灰深床沉积试验(1)基于过滤壁面内灰烬深床沉积规律和形态,运用球状单元填充床多孔介质物理模型,建立了灰烬深床沉积流动阻力模型,研究了灰烬深床沉积阶段过滤壁面内捕集单元尺寸以及壁面渗透率随灰烬沉积质量和壁面深度的变化规律.(2)利用灰烬沉积加速老化台架试验