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影响DPF再生因素的实验研究
2020-01-06 22:38:39· 来源：内燃机学报
柴油机以热效率高、 燃油经济性好、 可靠性高和动力性强的优点受到人们青睐，但其颗粒物的排放却超标严重，限制了其应用。柴油机颗粒捕集器(DPF)是目前机外降低
柴油机以热效率高、 燃油经济性好、 可靠性高和动力性强的优点受到人们青睐，但其颗粒物的排放却超标严重，限制了其应用。柴油机颗粒捕集器(DPF)是目前机外降低微粒物排放最有效的系统之一，其过滤效率可达 95% 以上。本次推文介绍了：不同的DPF入口过渡段长度对碳黑沉积分布的影响，并基于外加热源再生性能试验台架，研究过渡段长度、再生温度和再生时间对DPF再生及其颗粒物数量浓度排放性能的影响规律，为研究DPF载体内部沉积分布特性对其再生性能的影响规律和控制DPF出口的颗粒排放提供参考。
01、试验装置与方法
碳黑加载装置由颗粒发生器、碳黑加载主体段和抽气部分组成，如图1所示。在DPF入口处添加不同长度的过渡段，使得碳黑在DPF内部实现不同的沉积分布，其长度范围为0～50 cm。图2为DPF加载碳黑前、后的对比。通过改变过渡段的长度实现载体内部不同的碳烟颗粒沉积分布。图3为再生性能测试台架示意。主要由流量控制器、电加热器、压力传感器、再生主体段和数据采集程序组成。空气经空气压缩机压缩和过滤器过滤后，形成高压、干燥气体，在流量控制器的控制下，达到试验所设定的流量；再经过电加热器加热，升到试验设定的温度，之后高温气体进入再生主体段使得DPF再生。DPF 再生时的温度场和压降变化数据由温度传感器和压力传感器测量，由采集程序进行采集和控制，并在线显 示和存储。
图1 碳黑加载装置示意
图2 DPF加载碳黑前、后对比
图3 再生性能测试台架示意
测点分布如图4所示，选取K型热电偶测试DPF内部温度，载体内部共有 14 个温度测点。直径35mm处沿轴向均匀分布5个测点；在直径为72、95和 120 mm处分别有3个测点，共个测点。下标0～1代表 DPF轴向上 X/L的比值。其中T35-1表示在直径为 35 mm、出口末端 1.00位置处的温度。
图4 DPF内部测试温度示意(长度单位：mm)
02、过渡段长度对DPF再生性能的影响
采用不同过渡段长度(0～50cm)加载碳黑，进行DPF再生试验，试验得到的DPF内部最高温度如图5所示。选取了过渡段分别为0cm和50cm条件下DPF再生时内部温度场作为对比，如图6所示。图5中，无过渡段时DPF内部出现温度波峰，而50cm过渡段时，DPF内所有测点均未出现温度波峰。试验发现 DPF内部最高温度出现的位置均在DPF出口的末端中心位置。当过渡段长度为0时，DPF内部最高温度最大；当过渡段长度为10～30cm时，随着过渡段长度的增加，DPF再生过程中的温度波峰逐渐减小当过渡段长度增加到40 cm后波峰消失。图6中，在加载碳黑时发现，无过渡段条件下加载碳黑时，碳黑倾向于沉积在中心通道区域；而用过渡段为50cm加载时，碳黑在DPF内部的沉积则相对均匀。DPF 再生时，前端中心区域的碳黑氧化释放的热量沿气流方向向后传递并聚集，当传递的能量达到一定程度后，使得 DPF 后端沉积碳黑剧烈燃烧而在末端中心出现局部高温。
图5 过渡段长度对DPF内部最高温度的影响
图6 过渡段长度对 DPF内部温度场的影响
过渡段长度对DPF再生性能的影响如图7所示。当过渡段长度为0和10cm时，DPF中心区域沉积的碳黑颗粒多，再生的DPF内部最高温度较高，导致再生效率和效能比较高；随着过渡段长度的增加，使得DPF内部碳黑沉积逐渐趋于均匀，再生时无局部高温出现，从而导致再生效率和效能比逐渐下降。随着过渡段长度的增加，DPF内部最高温度和最大温度梯度逐渐下降。DPF内部最高温度主要由颗粒氧化放热速率和对流散热速率两方面因素决定，加载时随着过渡段长度增加，DPF中心区域碳黑颗粒沉积量减少，使得DPF再生时颗粒氧化放热速率减小。而来流流量不变，DPF再生过程中对流散热速率保持不变，从而导致DPF内部最高温度和最大温度梯度逐渐降低。
图7 过渡段长度对DPF再生性能的影响
03、过渡段长度固定时DPF的再生特性
入口过渡段的长度会在一定程度上影响DPF 载体内部碳黑的沉积分布，由于非均匀沉积的情况较多，定义较为复杂，选取均匀沉积(过渡段长度为50cm时)的DPF再生特性进行研究。
3.1再生温度对DPF再生温度场的影响
图8为不同再生温度对DPF再生温度场的影响。在升温阶段和恒温阶段的载体最高温度曲线变化趋势一致，壁面也未出现温度波峰。在较高的入口温度(575℃)再生时，载体内部也未出现局部高温。且在整个升温和恒温再生阶段中， DPF内部各测点均未出现温度波峰，说明均匀沉积后再生有利于避免DPF高温烧裂而发生破坏。
图8 不同再生温度对 DPF温度场的影响
3.2 再生温度对 DPF 再生性能的影响
图9为再生温度对DPF再生性能的影响。随着再生温度的增加，再生效率和效能比在再生温度大于525 ℃ 后增加明显；在575 ℃ 时，再生效率达到93.6% 。DPF内部碳黑沉积较为均匀时，再生温度的增加使得碳黑氧化速率加快，相同时间内有更多的碳黑燃烧释放能量，从而再生效率增加。同时，其效能比也相应增加。此外，525 ℃以上再生时有利于碳黑颗粒在DPF内部的氧化，也利于热量的迅速累积，使得再生效率和效能比迅速增加。随着再生温度的增加，DPF内部最高温度和最大温度梯度近似呈线性增加。其原因主要是再生温度的增加使得 DPF 内部最高温度增加，同时使得温度梯度也相应增加。
图9 再生温度对DPF再生性能的影响
3.3 再生时间对DPF再生温度场的影响
图10为再生时间为250～3000s时的DPF内部最高温度。再生时间对DPF 壁面最高温度无明显影响，整个再生持续过程中未出现温度波峰，且DPF内部温度场各个测点并未随再生时间的增加出现明显的波动。可见，在碳黑颗粒加载量一定且沉积分布均匀时，DPF内部不会出现局部碳黑剧烈氧化燃烧的情况，无温度波峰出现。
图10 不同再生时间时的DPF内部最高温度
3.4 再生时间对DPF再生效率的影响
图11为不同再生温度时再生时间(250～3000s)对DPF的再生效率影响规律。当再生温度为500 ℃时，再生效率与再生时间近似呈线性关系。说明均匀沉积时，缓慢氧化条件下，DPF内部的碳黑氧化再生效率与再生时间近似呈正比。当再生温度为525 ℃时，再生效率同样随再生时间增加而增加；在2500s 之后， 增长趋于平缓，再生效率达到了60% 以上。再生温度为550 ℃时，再生时间为 1500s及以下时再生效率迅速增加，1500s 之后随着再生时间的增加，增长趋于平缓；相比再生温度为525 ℃，再生效率增长的时间拐点提前。当再生温度为 575 ℃时，再生效率的变化趋势与550 ℃较为一致，在1000s 左右出现增长拐点，此时的再生效率已达到 93.6% ，继续增加再生时间，对再生效率的影响不大。
图11 不同再生温度和再生时间对DPF再生效率的影响
04、结论
（1）随着过渡段长度的增加， 再生效率和效能比先保持不变，之后逐渐降低， 继而又趋于稳定；DPF内部最高值温度与最大温度梯度均呈逐渐降低的趋势。
（2）随着再生温度的增加， 再生效率和效能比先缓慢增加而后迅速增加，DPF 内部最高温度和最大温度梯度呈线性增加的趋势。
（3）碳黑沉积较为均匀时，再生时间的增加能够在一定程度上提高再生效率；提高再生温度将会出现再生时间拐点，且随着再生温度的增加，再生时间拐点提前 拐点之后继续增加再生时间，再生效率增加量较小。
文献来源及推荐阅读
[1] 孟忠伟,李鉴松,秦源,杜雨恒,蒋渊,方嘉.DPF再生及其颗粒物数量浓度排放性能的试验[J].内燃机学报,2019,37(04):329-336.
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