柴油機微粒捕集器內灰層對其熱再生的影響

柴油機微粒捕集器內灰層對其熱再生的影響

柴油顆粒采集裝置（dpf）是目前最有效的顆粒后處理處理裝置之一。谷物顆粒采集裝置的主要技術特征是采集和再生。國內外科學家對顆粒采集裝置的研究主要集中在過濾結構的優(yōu)化、采集性能、內流和溫度場分布的特征、壓縮降的特征、顆粒運動沉積規(guī)律和再生技術的應用上。近年來，隨著微型收獲機的應用和普及，油耗和耐久性問題引起了人們的關注。在微粒捕集器工作過程中,影響其耐久性能的主要因素包括灰燼堵塞、過濾體熱損傷、再生催化劑失效以及過濾體的機械損傷.在微粒捕集器再生過程中,過濾體處于高溫和熱沖擊的惡劣環(huán)境中,過高的再生溫度會導致過濾體材料熔融,過大再生熱應力容易致過濾體破裂,因此,過濾體通常選擇耐高溫和抗熱應力的材料.新型耐高溫、抗熱應力材料(SiC)的出現(xiàn)在一定程度上解決了過濾體容易熱損傷的問題,但是如果出現(xiàn)不可控的再生過程,則SiC過濾體同樣會因為承受較大的熱負荷和熱沖擊而熔融或者裂損.針對微粒捕集器再生時過濾體的熱損傷問題,研究者基于Bissett早期建立的零維熱再生模型對微粒捕集器的再生熱損傷進行了深入研究.在此基礎上,Haralampous等建立了微粒捕集器的二維熱再生模型,并研究了微粒捕集器入口溫度、過濾體內碳煙分布以及沉積量對過濾體溫度梯度分布的影響;Lee和Yu等通過一維和二維的熱再生模型研究了不同再生條件下過濾體長徑比、孔隙率、排氣流速、孔道寬度以及碳煙沉積量等對微粒捕集器熱響應時間和再生特性的影響,分析了排氣氧濃度、微粒沉積量等對微粒起燃特性的影響,并分析了一維和二維再生模型的計算精度,結果表明二者的計算結果非常接近;Galindo等通過在軸向和徑向上離散多孔介質壁面,建立了耦合孔道內的流場特性的微粒捕集器再生熱傳導模型,并驗證了模型的合理性.綜上,國內外研究者通過數(shù)值模擬方法對微粒捕集器的熱再生過程進行了大量細致的研究,并通過試驗驗證了再生模型的合理性.然而隨著微粒捕集器再生過程的不斷循環(huán),微粒中不能通過再生過程清除的不可燃灰燼會在過濾體入口孔道壁面和末端不斷累積,形成一層致密的灰燼層,使得過濾體壓降增加,并對微粒捕集器的再生過程存在著一定的影響.目前,國外相關學者研究了灰燼物質的來源及物化特性,并通過微粒捕集器加速老化臺架研究了沉積灰燼對微粒捕集器流動阻力的影響,Schejbal等在建立的DPF再生模型中考慮了灰燼層對排氣流動特性的影響,而事實上,微粒再生時灰燼層對排氣的流動及傳熱過程都會存在很大的影響.筆者考慮沉積灰燼層在微粒捕集器熱再生過程中對排氣流動及傳熱特性的影響,通過數(shù)值模擬的方法研究灰燼沉積狀態(tài)下過濾體內碳煙在各種不同條件下的熱再生過程,分析不同碳煙和灰燼沉積量下過濾體內再生溫度的變化規(guī)律,為微粒捕集器的耐久性研究以及再生控制提供理論指導.1孔道內的能量控制體模型模型以Bissett建立的熱再生模型為基礎,取1/4面積的進氣和出氣孔道作為研究對象,如圖1所示,位置1~4分別表示軸向z方向相對過濾體長度L的相對位置.微粒捕集器的再生是一個具有多孔介質壁面的孔道內氣體流動和碳煙顆粒燃燒的傳熱傳質過程,模型考慮了沉積灰燼層對氣體流動特性以及壁面固態(tài)熱平衡狀態(tài)的影響,圖2為壁面能量控制體.模型主要假設:1)過濾體內氣體停留時間非常短暫,處于準穩(wěn)態(tài)過程;2)忽略過濾體進氣孔道內排氣狀態(tài)在徑向上的變化;3)忽略過濾壁面溫度梯度在徑向上的變化;4)沉積的排氣微粒為純碳微粒.1.1氣體質量守恒方程由質量守恒定理可知,圖1所示過濾體進出口孔道控制體內的氣體質量變化量等于多孔介質壁面滲流進入進出口孔道控制體內的氣體質量,因此,過濾體孔道內氣相質量守恒方程為式中:i=1表示入口孔道,i=2表示出口孔道;ρi為排氣密度;ui為排氣速度;ρw和uw分別表示壁面排氣密度和速度;di為孔道寬度,d2等于初始孔道寬度d0,而d1會因為灰燼和碳煙顆粒沉積于進口孔道壁面而發(fā)生改變,即式中:ws為碳煙顆粒層厚度;wa為灰燼層厚度.1.2單位時間控制z方向的電量考慮孔道內氣體壓力和表面切向摩擦力的作用,根據(jù)動量守恒定律可知,單位時間控制體內z方向的動量變化是由控制體內z方向壓力的變化以及z方向的摩擦力引起的,其動量守恒方程簡化為式中:pi為孔道內的壓力;μi為排氣黏度.1.3流、壁面的對流傳熱引起的安全問題進出口孔道內氣相能量的變化是由氣流流動、壁面滲流以及壁面的對流換熱引起的,圖1所示控制體內其能量守恒方程可簡化為式中:cg為排氣的比熱容;h為孔道內排氣氣流與孔道壁面的對流換熱系數(shù).1.4碳煙顆粒層和過濾壁面的積分法在進出口孔道相同的軸向位置上,進氣孔道的控制體與出氣孔道的控制體之間的壓力差主要是由于過濾壁面、沉積灰燼層以及碳煙顆粒層的流動阻力造成的,基于灰燼和碳煙顆粒層的沉積形態(tài),二者可以近似作為多孔介質層,根據(jù)達西定律并考慮碳煙顆粒層再生過程中的變化,可知碳煙層導致的進出口孔道間的壓差變化同理,由于灰燼沉積層和過濾壁面不會隨著再生進行而改變,根據(jù)達西定律可知進出口孔道之間的灰燼層和過濾壁面的壓差方程Δpa與Δpw之和為式中:ksoot、kash和ks分別表示碳煙顆粒層、灰燼層和過濾壁面的滲透率;ws、wa和w分別為碳煙層、灰燼層和過濾壁面厚度;μw為壁面排氣黏度.因此,相同的軸向位置上進出口孔道之間的壓差變化為1.5模擬結果與試驗測量的契合度Koltsakis等研究發(fā)現(xiàn)考慮純碳顆粒燃燒過程為非完全氧化反應時,模擬計算的結果更加接近試驗測量值,即式中:β為碳煙顆粒氧化反應的完全系數(shù),根據(jù)Koltsakis等的研究發(fā)現(xiàn),其值取0.8時,模擬結果與試驗值的吻合度最好.1.6碳煙顆粒的生物活性在氧化反應的作用下,碳煙微粒會逐漸減少,根據(jù)質量守恒定律和碳煙顆粒的化學反應機理得式中:ρs為碳煙微粒層的堆積密度;MC和分別為碳和氧氣的摩爾質量;為反應速率的指前因子;E為反應活化能;Sp為碳煙顆粒的比表面積;為排氣中氧濃度;R為普適氣體常數(shù);Tw為過濾壁面溫度.1.7碳煙顆粒氧化燃燒釋放熱量的計算根據(jù)能量守恒定律可知單位時間內過濾壁面控制體(圖2)內聚集的熱量為進出口孔道內氣流與固態(tài)區(qū)域對流換熱凈導入控制體的熱量、凈導入控制體的傳導熱量以及碳煙顆粒氧化燃燒釋放熱量的總和,即式中:ρa為灰燼層的堆積密度;ρb為過濾壁面多孔介質密度;cs、ca和cb分別為碳煙、灰燼以及過濾壁面的比熱容;λs、λa和λb分別為碳煙、灰燼以及過濾壁面的導熱系數(shù);Qreact為碳煙氧化反應放熱量;Hconvect為凈流入控制體的對流換熱量;As、Aa和Ab分別為碳煙和灰燼顆粒層以及過濾壁面在控制體內的面積.式中:ΔH為碳煙氧化反應生成焓,其值與β有關.2計算條件和過程2.1民國初年在再生初始時刻,過濾壁面溫度和進出口孔道溫度相等,碳煙顆粒層厚度為初始厚度.式中:ws_0為碳煙顆粒層初始厚度.2.2流量qf的定義在進口孔道入口處,氣流溫度和氣流質量流量等于上游排氣溫度Tf和上游排氣質量流量Qf,即由于進口孔道末端被堵塞且假設與外界環(huán)境絕緣,即在出口孔道末端,由于其與外界大氣相通,其壓強等于大氣壓力patm和出口孔道氣流膨脹引起的壓力損失pexp之和.同樣,出口孔道前端被堵塞且假設與外界環(huán)境絕緣,即2.3耦合進排氣孔道上述建立的碳煙微粒熱再生模型是一組復雜的非線性偏微分方程,其計算流程如圖3所示.首先,基于設定的計算空間域x為0~L,時間域t為0~tmax,以及空間步長Δz和時間步長Δt,耦合進排氣孔道的氣相質量守恒方程、動量守恒方程和壓差方程,對其進行離散建立k(k=1)時刻的離散方程,并求解可得到進排氣孔道內排氣初始狀態(tài)(壓力場和速度場);再生開始時,以k時刻的排氣狀態(tài)為條件,耦合進出口孔道氣相能量、碳煙質量以及壁面固態(tài)能量守恒方程,計算過濾體內碳煙顆粒層和溫度場的變化;然后繼續(xù)迭代k=k+1,判斷再生是否結束,如果再生繼續(xù)則重新計算碳煙層和溫度場的變化.3熱再生試驗為了驗證計算模型的合理性,將計算模型的計算結果與Mayari等進行的碳煙顆粒熱再生試驗結果進行對比,其中模型驗證計算的排氣狀態(tài)參數(shù)以及過濾體參數(shù)等均來源于Mayari等熱再生試驗的條件參數(shù).圖4為沉積了10,g/L碳煙顆粒的微粒捕集器在排氣流量為14,g/s、氧濃度為10%的排氣狀態(tài)下,當溫度達到600,℃時熱再生的計算和試驗結果對比.從圖4中可以看出,模型計算值與試驗值的變化趨勢基本相同,且計算模型的峰值溫度與試驗峰值溫度比較接近,其誤差小于5%.由此表明,建立的熱再生模型能較為準確地預測微粒捕集器的熱再生過程.4最高溫度差異在計算分析中,基于Lee和Konstandopoulos等的研究設定碳煙在排氣溫度到達576,℃時開始再生,表1為模型計算的過濾體參數(shù)及排氣狀態(tài)初始參數(shù),其中計算初始排氣溫度為326.85,℃,50,s后排氣溫度開始升高,并在50,s后溫度升高至576.85,℃.表2為模型計算所需的灰燼和碳煙顆粒層的物化參數(shù),所有試驗數(shù)據(jù)主要來源于文獻[21-22].圖5a為沉積了15,g/L碳煙顆粒的微粒捕集器在無灰燼沉積狀態(tài)下再生過程中過濾體壁面溫度隨再生時間的變化規(guī)律;圖5b和圖5c分別為沉積了15,g/L碳煙顆粒的微粒捕集器在過濾孔道內累積了10和20,g/L灰燼顆粒的狀態(tài)下再生過程中過濾體壁面溫度隨再生時間的變化規(guī)律.由圖5可知,隨著過濾體孔道內灰燼沉積量的增加,再生時過濾壁面的峰值溫度會隨之升高,且溫度增加幅度隨著灰燼沉積量的增加而變大;在無灰燼沉積的時候,過濾壁面再生溫度峰值在750,℃左右,且軸向z方向上最高溫度相差不大;當過濾體沉積灰燼量達到20,g/L時,雖然過濾體前部溫度峰值只是略微增大,但在過濾體末端壁面再生溫度峰值達到885,℃左右,再生時壁面溫度明顯增加.這主要是因為沉積的致密灰燼層增加了再生時的熱傳導阻力,不利于再生熱量的擴散,使得溫度升高,加速后端進氣孔道內碳煙的氧化速率,從而使孔道后端再生峰值溫度越來越高.圖6為壁面碳煙顆粒沉積層厚度隨再生時間的變化規(guī)律.在沒有灰燼沉積的狀態(tài)下,壁面末端的碳煙顆粒在419,s前后全部再生完畢,如圖6a所示;而在10,g/L灰燼沉積狀態(tài)下,壁面末端的碳煙顆粒在325,s前后全部再生完畢,再生時間明顯減少,如圖6b所示.對比圖6a和圖6b發(fā)現(xiàn),在過濾體后端,碳煙層厚度在有灰燼沉積時降低的速率明顯提高,而碳煙層厚度降低是由于碳煙氧化反應引起的,這說明在灰燼沉積狀態(tài)下,碳煙顆粒的再生速率得到了提高,即相同時間內碳煙氧化反應產(chǎn)生的熱量增加.圖7為沉積了15,g/L碳煙顆粒的微粒捕集器在不同灰燼沉積量(0、5、10、15和20,g/L)下,過濾體進口孔道末端(位置4)過濾壁面碳煙沉積層厚度隨再生時間的變化關系.當過濾體內沉積灰燼量為5,g/L時,碳煙層比無灰燼沉積時提早84,s完成再生,碳煙層降低的速率隨著灰燼沉積質量的增加而增大,當沉積灰燼量達到20,g/L時,碳煙層比無灰燼沉積時提早154,s完成再生.圖7的計算結果進一步說明,灰燼層的增加會導致碳煙再生時過濾壁面溫度升高,促使過濾體后端碳煙再生加速,提高再生時壁面峰值溫度.圖中碳煙沉積層初始厚度不同是由于灰燼沉積導致進口孔道變窄,等量的碳煙顆粒在有灰燼沉積的進口孔道內沉積厚度會增加.圖8為沉積了15,g/L碳煙顆粒的微粒捕集器再生時過濾體進口孔道內不同位置的氣流速度隨再生時間的變化關系.在碳煙再生過程中,排氣流速先急劇減少,然后逐漸增加.這主要是因為碳煙再生使得壁面滲流阻力減少,壁面滲流速度增加,導致壁面后部進口孔道的流速減少,而隨著再生的進行,后部進口孔道內的碳煙再生開始,該部分的壁面滲流阻力開始減少,孔道流速逐漸恢復正常.由于碳煙顆粒層再生后消失,進口孔道體積增加,從而會使得再生后進口孔道排氣流速小于再生開始時孔道排氣流速.綜上,隨著微粒捕集器再生不斷循環(huán),碳煙顆粒中夾雜的不可燃灰燼顆粒會沉積在進口孔道的過濾壁面上增加碳煙顆粒熱再生時的熱傳導阻力,導致過濾體內再生溫度升高,過濾壁面峰值溫度也隨之升高;同時,再生過程中進口孔道前端再生溫度的升高會加快后端孔道內碳煙顆粒的氧化速率,使得再生溫度進一步升高.由于沉積的灰燼顆粒在溫度達到900,℃時容易發(fā)生燒結和融合,嚴重影響微粒捕集器的正常工作,因此,通過分析沉積灰燼的物化特性,利用微粒捕集器灰燼沉積狀態(tài)下的熱再生模型研究其再生特性能準確預測不同灰燼沉積量下過濾壁面的再生溫度,為優(yōu)化微粒捕集器再生控制策略提供理論指導.5碳煙再生時過濾體溫度(1)微粒捕集器內沉積的灰燼層會增加碳煙顆粒再生時過濾體內熱傳導阻力,從而提高再生時過濾壁面峰值溫度,且隨著灰燼沉積量的增加,壁面峰值溫度增加幅度增