DPF热再生过程影响因素研究_李小华
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) ( H = fCOΔ HCO + ( HCO 1-fCO ) 2 1 Δ Δ 2 。 式中 : HCO , HCO O和C O Δ Δ 2 的生成焓 。 2 分别为 C 1. 1. 4 壁面压降方程 将微粒层和过滤壁面看作两个相连的多孔介 质, 根据达西定律可 得 到 穿 过 微 粒 层 和 过 滤 壁 面 的 气体压力差 :
第 2期( 总第 2 1 1期) 2 0 1 4年4月
车 用 发 动 机 V EH I C L E E NG I N E
( ) N o . 2 S e r i a l N o . 2 1 1 A r . 2 0 1 4 p
· 性能研究 ·
P F 热再生过程影响因素研究 D
李小华 ,丁道伟 ,施蕴曦 ,陈亚运 ,蔡忆昔
1 D P F 热再生的建模及评价
1. 1 热再生模型的建立 壁流式微粒捕集器由一系列交替堵塞的进出气 通道组成 , 柴 油 机 尾 气 进 入 进 气 通 道, 流经过滤壁 面, 进入相 邻 的 四 个 出 气 通 道 后 , 流出 D P F。 在 此 过程中 , 尾气中的 PM 被过滤壁面拦截并沉积 , 形成 微粒层 。 再生过程中 , 将加热的气体通入 D P F 对过 滤壁面和微粒层进 行 加 热 , 微粒与气体中的氧气发 生氧化反应而得以去除 。 由于每组进排气通道结构 相同 , 因而可将 D P F 简化为单一长方体的进气通 道
[ 6]
;
湖南大学的龚 金 科 等 研 究 了 D P F 再生过程中其壁
] 8 7 - ; 面温度和微粒层厚度的变化规律以及压降特性 [
中, 温 度、 T1 , ν p 1, 1, 1 为进 气 通 道 内 气 体 的 流 速、 ρ 压力 、 密 度; Tw , ν pw , w, w 为过滤壁面内气体的流 ρ 速、 温度 、 压力 、 密度 ; T2 , ν p 2, 2, 2 为出气通道 内 气 ρ 体的流速 、 温度 、 压力 、 密度 ; 进 L为D P F 轴向长度 ; 出气通道径向截面边长 D 均相同 ; wp, ws 分别为微 粒层和过滤壁面的厚度 。
T 4 ( i i ) [ Cp Tw -T h Cp ν =( ) -1 ν i i i) i+ ( w w ]。 g g ρ ρ z D ( ) 3
式中 : 分别表示进气通道和出气通道 ; i取值 1 或 2,
[0] ; 其值为2 8. 4 51 α 为通道内压降系数 , μ 为再生气 体的动力学黏度 ; Cp h i 为进 g 为再生气体的比热容 ;
的分子质量 ; Y 为再生气体中氧气的质量分数 。 1. 1. 3 过滤壁面中的能量守恒方程 ( C T w Cp Twws)= +ρ s s p p p w tρ h T1 -Tw ) + Hr 1( e a c t + Hc o n d 。
( ) 9
式中 : Cp Cp P F 的 密 度; s s 为 D p 为 微 粒 的 比 热 容; ρ ( ) 2 为D Hr P F 的比热容 ; e a c t 为微粒氧化反应释放的热 ) 。 量, 其表达式见式 ( 0 1
是大气污染的主 柴 油 机 排 气 中 含 有 大 量 PM, [ 1] 要来 源 , 易引起呼吸道疾病 。采用微粒捕集器 ) ( 可有效降低柴油机 P F, D i e s e l P a r t i c u l a t e F i l t e r D 其过滤效率可以达到9 0% 以 上 。 但 随 着 PM 排 放 , 排 气 背 压 不 断 升 高, 会对柴油 P F 中 PM 的 增 加 , D 机的动力性 、 经济性及排放产生影响 , 因此需要适时
μ μ ) ( 3 1 ν ν p 1 -p 2 = ww ww s 。 p+ kp k s 式中 : k k s 分别为微粒层和过滤壁面的渗透率 。 p,
1. 1. 5 初始条件和边界条件 : 初始条件 ( t= 0 ) ) 4 z)= Tw ( z)= T2( z)= T0( z)。 ( 1 T1(
H 1 Δ · Hr e a c t =- ) 2 MO 1-fCO/ 2 ( ) ( S k( Tw ) w) 2 1-fCO/ p ( ) ]。 ( 1-e Y[ x 0 1 ν - p w w ρ νw 其表达式为 Hc o n d 为传导热 , λ Hc o n d =- p
2 Tw ) Tw 。 ( ) ( w ws 1 1 -λ s 2 z z z 式中 : P F 和微粒层的导热系数 。 λ λ s 分别为 D p, 其表达式为 H 为微粒氧化反应生成焓 , Δ
1 0] 。 斯方程得到 [
阿累尼乌斯方程 :
/ E R T) -( 。 ( ) T)= k e x 7 k( p 0 式 中 :E 为 微 粒 氧 化 反 应 的 活 化 能 ,其 值 为
图 1 D P F 进出气通道示意
/ ; 其值 k 5 0k J m o l 1 0 为 微 粒 氧 化 反 应 的 指 前 因 子,
[] 对D P F 进行再生 处 理 2 。D P F 的再生方法主要包
研 究 了 再 生 过 程 中 混 合 气 流 量、 P F 热再生 模 型 , D 再生温度 、 氧气浓度和初始微粒层厚度对 D P F 再生 过程中的壁面温度峰值 、 最大温差 、 再生时间和能量 效率 的 影 响 规 律 , 为高效再生 D P F 提供了理论 基础 。
·4 1· 2 0 1 4 年 4 月 李小华 ,等 : F P 热再生过程影响因素研究 D
式中 : Yw 为过滤壁面 内 的 气 体 中 氧 气 的 质 量 分 数 ;
S k( Tw )为 PM 在 温 度 为 p 为微粒 层 的 比 表 面 积 ; 可根据改进的阿累尼乌 Tw 时的氧化反应速率常数 ,
) ( 江苏大学汽车与交通工程学院 ,江苏 镇江 2 1 2 0 1 3 的热再生模 型 , 研究了再生条件( 混合气 流 量、 再 生 温 度、 氧 气 浓 度、 初 P F) D 摘要 :建立了柴油机微粒捕集器 ( 始微粒层厚度 ) 对D 最 大 温 差、 再生时间或单位再生时间和能量效率的影响。研究 P F 再生过程中壁面温 度 峰 值 、 结果表明 , 适当增大混合气流量 、 提高再生温度和氧 气 浓 度 都 可 以 缩 短 再 生 时 间 ; 氧 气 浓 度 过 高、 初始微粒层太厚 会导致再生过程中 D 混合气流 量 过 大 会 降 低 再 生 过 程 中 能 量 利 用 率 ; 再生温 P F 的壁面温度峰值及最大温差过大 ; 度为 9 再生效果最佳 。 0 0K 时 , 关键词 :柴油机 ;微粒捕集器 ;热再生 ;能量效率 : / D 2 O I 1 0. 3 9 6 9 . i s s n . 1 0 0 1 2 2 2. 2 0 1 4. 0 2. 0 1 0 - j ( ) 中图分类号 : K 4 2 1. 5 文献标志码 : 0 0 1 2 2 2 2 0 1 4 2 0 4 0 6 T B 文章编号 : 1 2 0 0 0 - - -
出气通道内气流与 D P F 壁面的传热系数 。 1. 1. 2 微粒氧化反应速率 微粒的氧化反应方程式 : ) 2 O C O+ ( 1-fCO ) O C+ ( 1-fCO/ 2 → f C 2 。 OC ( ) 4 式中 : 其值 O 选择性系数 , fCO 为微粒氧化反应的 C [ ] 0 。 ) 见式 ( 与反应温度的关系 1 5 1 。 ( ) 5 / 0. 2 3 0 T 1 0 0 1+0. 0 2 x p y e 式中 : T 为反应 y 为再生气体中氧气的摩尔分数; fCO = 温度 。 过滤壁面中氧组分守恒方程 : ( Y ) )。 ( ( ) Yw k( Tw ) 2 1-fCO/ 6 ν =-S w w w w p ρ xρ
-1 -1
z)= w0( z)。 w(
式中 : w0 为微粒层初始厚度 。 边界条件 : 入口处 ( x = 0) )= T其 值 为 5×1 1 s 0
P F 的结构特征及 PM 的氧化反应规律 , 根据 D 可以作如下假设以简化 D P F 热再生模型 : )再生过程中气体的流动可认为处 于 半 稳 态 , a 通道内的气体流动为层流流动 ; )过 滤 壁 面 上 沉 积 的 PM 为 纯 碳 , 并且分布 b 均匀 ; )忽略通道内气体的温度 、 流速及浓度在径向 c ; 上的变化 )忽略 D P F 通道内气体的热传导及热辐射 。 d 1. 1. 1 气体流动方程 质量守恒方程 : ( ) ( 1 i ( / D) 4 ν ν i i = - ) w w 。 ρ zρ 轴向动量守恒方程 : p i 2 / D2 。 + ( ν ν =-α i i ) i μ z zρ 能量守恒方程 : ( ) 1
;修回日期 : 0 1 3 0 5 0 1 4 1 6 2 2 1 2 0 0 收稿日期 : - - - -
) ; ) ; 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 ( 教育部博士点基金资助项目 ( 江苏省高校 优 势 学 科 建 设 项 目 ( 苏政 1 1 7 6 0 6 7 2 0 1 0 3 2 2 7 1 1 0 0 1 4 5 ] 办发 [ 0 1 1 6号) 2 , 作者简介 :李小华 ( 男, 副教授 , 研究方向为动力机械工作过程及有害排放控制研究 ; 9 7 1—) i x i a o h u a s . e d u. c n。 1 l @u j
/ ·K) ( 。 为8. 3 1 4J o l m 微粒的氧化反应速率 :
p ρ
( wp) MC 1 · =- ) t M 1-fCO/ 2 O 2 (
S p ( ]。 ( ) Y[ 1-e x 8 ν - ) p w w ρ ν w 式中 : MC , MO 2 分别为碳和氧气 p 为 微 粒 层 密 度; ρ
·4 车 用 发 动 机 2 2· 0 1 4 年第 2 期
式中 : T0 为壁面初始温度 ; z 为与 D P F 前端 面 在 z 轴方向上的距离为z 的位置 。
表 1 模型求解中所用参数
D mm P F 轴向长度 L/ 2 0 0 2 0 0 9 0 1. 4 0 0. 4 0 K
7] 。D 和出气通道 [ P F 进 出 气 通 道 示 意 见 图 1。 图 1
括热再生 、 催化剂 涂 层 再 生 、 排 气 添 加 剂 再 生、 燃油 添加剂再生 、 机械式再生等 , 其中热再生方法具有可 控性好及再生效率 高 等 特 点 , 已成为国内外学者研
3] 。 究的热点 [
近年来 , 日 本 学 者 K. Y a m a m o t o等对 D P F再 4] ; 生过 程 中 其 内 部 温 度 场 及 PM 分 布 进 行 了 研 究 [ 美国 学 者 K. C h e n等研究了 D P F 再生过程中微粒 [ 5] 清华大学的徐小波等研究了进 层内 的 温 度 梯 度 ; 气口处气体分布均匀性对 D P F 再生过程的影响
江苏大学的王军等将 D P F 接入到柴油机排气管中 , 对不同工况下 D P F 的在线再生效果进行了研究
[ 9]
。
研究发现 , 热再 生 过 程 中 , 温度过高易造成 D P F壁 面熔化现象 , 内部温度分布不均匀易引起 D P F 热损 现象 , 且 再 生 能 耗 高。 因 此, 本研究利用建立的