DOC+DPF在防爆柴油机上的应用研究

doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020060120
DOC+DPF 在防爆柴油机上的应用研究
乔 靖1， 王 铁2
(1. 太原城市职业技术学院，山西 太原 030027; 2. 太原理工大学，山西 太原 030024)
摘　要: 在某型防爆柴油机加装DOC+DPF 后处理装置上进行台架实验，结果表明，PY03型装置不会增大防爆柴油机系统的排气背压，对CO 平均转化效率达96%，对颗粒物有较高的捕集和再生效率，不透光烟度平均转化效率为82.7%；PY02型装置因尺寸较小，热负荷较高，与该排放状况不匹配。

为提高装置的利用率和使用寿命，通过对耦合的DOC+DPF 孔道进行可燃性气体CO 组分输运和颗粒物离散相数值模拟。

结果表明：随着废气流速的增大，DOC+DPF 出口废气中CO 浓度升高，转化效率下降；15 m/s 的气流速度是发动机该排放水平下转化效率最高的最大速度；孔道入口速度增大，颗粒物向孔道后端壁面沉积；DOC+DPF 装置在防爆柴油机上实用可行。

关键词: 防爆柴油机; 氧化催化器; 颗粒捕集器; 转化效率中图分类号: TD401文献标志码: A
文章编号: 1674–5124(2021)04–0158–07
Application of DOC+DPF in anti-explosion diesel engine
QIAO Jing 1, WANG Tie 2
(1. Taiyuan City Vocational College, Taiyuan 030027, China;
2. Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)
Abstract : The bench test was carried out on a certain explosion-proof diesel engine equipped with DOC+DPF post-processing device. The results show that the PY03 device will not increase the exhaust back pressure of the explosion-proof diesel engine system. The CO average conversion efficiency is as high as 96%, and the particulate matter has a higher capture and regeneration efficiency. The average conversion efficiency of opacity smoke is 82.7%. The PY02 device has a smaller size. The heat load is high, which does not match the emission condition. In order to improve the utilization rate and service life of the device, the numerical simulation of CO component transport and particulate matter dispersion in combustible gas through the coupled DOC+DPF channel is carried out. The results show that with the increase of exhaust gas velocity, CO concentration in exhaust gas of DOC+DPF increases and conversion efficiency decreases; the exhaust gas velocity of 15 m/s is the engine emission. The maximum rate of conversion efficiency at horizontal level. The entrance velocity of the channel increases, and the particles deposit on the wall of the back end of the channel.The feasibility of application of DOC+DPF device in explosion-proof diesel engine is verified.Keywords : anti-explosion diesel engine; DOC; DPF; conversion efficiency
收稿日期: 2020-06-25；收到修改稿日期: 2020-08-20基金项目: 山西省煤基重点科技攻关项目(MJ2014-14)
作者简介: 乔　靖（1992-），男，山西太原市人，硕士，研究方向为内燃机清洁能源、后处理。

第 47 卷 第 4 期中国测试
Vol.47 No.42021 年 4 月
CHINA MEASUREMENT & TEST April, 2021
0 引　言
文献[1]规定了未经稀释的矿用防爆柴油机CO排放量。

颗粒物对人体具有不同程度的致癌作用。

CO和颗粒物排放超标限制了防爆柴油机的应用和推广。

国内外科研工作者在降低防爆柴油机尾气排放的手段上开展了不同层面的研究。

Matsumoto Hiroyuki[2]考虑到废气处理水箱需要频繁加水，且保持洁净，因此，提出无水排气系统，该系统由催化器、改进阻火器、过滤器组成，使得重型柴油机的HC和CO排放远低于排放限值。

苏志伟[3]综合甲醇的抗爆性和PODE的优良着火性能，研究了PODE引燃进气道喷射的甲醇的组合燃烧改善防爆柴油机缸内燃烧状况，有利于提高有效热效率，实现了颗粒物的超低排放。

雷煌[4]在电控单体泵防爆柴油机上进行了相关试验，发现改变其喷油特性可以降低防爆柴油机的动力损失和污染排放物排放。

王登化[5]对三元催化器进行水冷防爆处理改造，台架试验结果显示，催化器对HC和CO的转化效率的最大降幅为75%和57%，且冷却水套式防爆处理方式转化效率高于装于水洗箱内部。

后处理装置以较高的转化效率而备受关注。

在实际矿井中存在着大量可燃性气体，选择一种合理的再生方式才能确保尾气后处理设备可以安全使用。

DOC辅助DPF连续再生，DPF在催化剂的作用下，颗粒物连续再生，不会形成厚厚的滤饼层，因此，碳烟捕集主要为表面深层捕集阶段而无滤饼层捕集，废气更容易通过多孔壁面而不会产生较大的排气背压，不会对发动机性能产生较大的影响。

催化剂不会被颗粒物包裹，因此，催化剂能保持较高的活性和催化转化效率。

本文就加装不同型号的DOC+ DPF的防爆柴油机尾气转化效率展开研究，并通过FLUENT仿真进行分析，为提高装置的转化效率提供方向。

1 实验设备及方案
为了充分发挥载体的利用率，提高使用寿命，应该合理组织气流流动，使得气流分布均匀。

装置的尺寸选型与发动机排量密切相关，通常DOC载体体积为发动机排量的0.5~1.2倍，DPF载体体积为发动机排量的1~3倍[6]。

在考虑价格和效率等等因素后，实验选择成都中自有限公司生产的两种DOC+DPF尾气后处理装置（PY02型和PY03型），其基本参数如表1所示。

为了提高催化反应速率，将该装置加装于排气总管末端，其出口连接波纹阻火器和废气处理水箱使残留的火焰淬熄和降低废气温度。

发动机台架实验布置图如图1所示。

表 1 后处理装置相关参数
指标SINOCAT-PY02SINOCAT-PY03
尺寸/mmφ190×76×203φ266×76×203
材质堇青石堇青石排气直径/mm6489
铂钯铑比例5∶1∶05∶1∶0
涂层5 g/L5 g/L
水洗箱
波纹阻火器
DOC+PDF
TY4100QFB
图 1 台架实验现场布置图
本文就防爆柴油机排气系统加装不同型号的DOC+DPF后处理装置，进行了W20R(B)车型发动机TY4100QFB常用转速1 800 r/min时的10%间隔负荷特性实验，对比研究了该装置对CO等排放物的转化效率。

2 实验结果分析
2.1 排气压力
防爆柴油机排气系统是由诸多防爆组件组成的复杂系统，排气阻力极大。

排气背压超过15 kPa会严重影响发动机的性能。

图2为有无加装后处理装置的排气背压随负荷的变化图，以及不同型号的DOC和DPF对排气背压的影响变化图，折线图反映了阻火器和废气处理水箱随着负荷的增大排气背
第 47 卷 第 4 期乔 靖，等：DOC+DPF在防爆柴油机上的应用研究159
压变化情况。

加装后处理装置后，阻火器与废气处理水箱产生的排气背压在最大负荷时减小2.5 kPa，排气背压随负荷增大，但增长速度小于加装前。

因为防爆柴油机排气中携带大量颗粒物，颗粒物通过阻火器和水洗箱时会被捕集和沉积在孔道和冷却水表面，导致排气困难。

随着时间的推移，颗粒物集聚，且高负荷PM排放增多，排气背压增长速度加快。

后处理装置能够实现颗粒物的连续捕集和再生，减少了附着在水洗箱上的颗粒量。

图 2 排气背压对比
DOC的通孔型式不是产生排气背压的主要部件，从图中可知，不同尺寸的DOC排气背压相差较小，且最大排气背压仅为1.1 kPa；相比于DOC，DPF产生的排气背压要比DOC高出许多倍，PY02型和PY03型DPF排气背压分别仅为4.9 kPa和2.2 kPa。

因此，可以得出PY03型后处理装置总排气背压仅为3 kPa，总压与加装前的9.3 kPa差距较大，且不因负荷的增大而增大。

加装DOC+DPF对常处于高负荷运行的防爆柴油机能够减轻排气背压对发动机造成的影响。

2.2 CO排放
后处理装置能正常使用的前提是不影响发动机的性能，且能达到较高的转化效率。

各排放物排放量在高负荷时变化速率较快，因此减小高负荷时的测量间隔，在1 800 r/min下，测量以10%负荷为间隔测量10%~100%负荷10个工况排放值，并增加85%、92%、94%、94%、96%、98%负荷下的另外5个工况排放值。

图3为加装DOC+DPF前后的防爆柴油机在后处理装置进出口位置CO浓度随负荷变化情况。

防爆柴油机为自然吸气发动机，进气系统有空滤和进气阻火器，随着负荷的增大，过量空气严重不足，CO排放增多。

但增加后处理装置后，CO排放均未有明显的升高。

该装置能够有效地降低CO排放，且随着负荷的增大转化效率升高，平均转化效率达96%，最高转化效率达99%。

在低负荷时，排气温度较低，限制了催化剂的活性。

在全负荷时CO排放可达1.2% ，经催化转化后，CO排放基本为0，能够满足MT220—2006对CO排放的限值。

图 3 CO排放对比
2.3 不透光烟度对比
图4是不同型号的DOC和DPF在不同负荷下对不透光烟度的影响变化图。

在低负荷阶段加装PY02型装置后，不透光烟度大幅增加，而在高负荷阶段加装PY02型装置后，不透光烟度变化不大；加装PY03装置则对防爆柴油机的不透光烟度没有明显的影响。

负荷增大后，PY02型装置对碳烟的捕集效率降低，在最大负荷工况下其捕集效率仅为12%。

实验发现PY02型装置因局部热负荷导致载体出现不同程度烧熔，丧失对碳烟的捕集作用。

PY03型装置对颗粒物的捕集效率较高，而且负荷和捕集效率成正比，在40%负荷下，转化效率为68%，可以认为在状态下碳烟颗粒物已经开始燃烧。

PY03型DOC+DPF转化效率很高，平均转化效率是82.7%，最高转化效率为98%。

图 4 不透光烟度对比
160中国测试2021 年 4 月
碳烟颗粒物的组成成分为干碳烟DS 、硫酸盐以及可溶性有机物SOF ，我国国IV 柴油中仅有微量的硫元素，所以可以忽略碳酸盐成分。

可溶性有机物主要是重馏分燃油和润滑油的未完全燃烧的产物，降低碳烟中的可溶性有机物可以使用DOC 。

DOC+DPF 是连续性再生装置，在一定条件下，处于低温条件（200 ℃）下的颗粒物仍在NO 2的强氧化性作用下完成氧化反应[7]。

在高负荷工况下，燃烧温度得到提高，颗粒物在高温的作用下二次燃烧，不透光烟度得到大幅下降。

而且与此同时，颗粒物再生放出的热量又会加快后期捕集颗粒的再生[8]
，所以高负荷工况下的转化效率高。

3 FLUNENT 仿真边界条件设置
3.1 物理模型
对于PY03型DOC+DPF ，DOC 为通孔型式，废气在表面发生化学反应，发生传热与传质，选择单个孔道研究其内部流场特性；DPF 为入口开放出口堵塞，相邻孔道入口堵塞出口开放的结构，迫使气流穿过多孔壁面，较大粒径颗粒被捕集。

由于孔道具有对称性，选择进排气孔道截面1/4作为计算区域。

其模型如图5所示。

Y
X
(a) DOC 计算网格
Y
X
(b) DPF 计算网格
进气孔道中心线排气孔道
中心线
壁面中心线1/4进气孔道
1/4排气孔道
图 5 DOC 与DPF 孔道计算网格
3.2 DOC 边界条件设置
Gottberg 分析了CO 在催化剂的作用下吸附、
化学反应、脱附过程，建立了化学反应模型[9]。

激活组分输运模型，选择Wall surface 的有限速率反应模型，根据实验测得数据进行设置进出口边界条件。

相邻孔道壁面厚度仅为0.2 mm ，因此壁面设置为无滑移的绝热壁面，壁面上发生化学反应。

孔道内部以CO 、CO 2、O 2、N 2为介质，各气体组分进出口状态如表2，对于瞬态分析，选择15 m/s 的入口速度。

表 2 DOC 组分浓度
CO/%CO 2/%O 2/%1.22
18.57
1.54
3.3 DPF 模型设置
DPF 孔道内部纵横比较大，孔道内部流动被视为层流流动。

在多项流中，多孔跳跃(porous-jump)的trap 边界条件模拟已知压降的一层极薄的薄膜实现对离散相的捕集，连续相逃逸，这层薄膜有良好的的收敛性以及鲁棒性，其本质上是一维简化的多孔介质。

porous-jump 边界条件通过渗透率α和压降系数C 2来控制DPF 内部压降。

该压降模型通过达西公式和附加的惯性阻力来反映，表示为
µαv ∆m 层流流体粘度由表示；介质的渗透率由表示；C 2为压降系数；通过多孔介质时的速度由表示；多
孔介质的厚度由表示；鉴于DPF 的捕集效率达98%，故假设多孔壁面完全捕集碳烟颗粒。

在DPF 的净化过程中，重力和惯性阻力的影响可以忽略，这是因为颗粒物的质量很小，可以忽略不计。

本文只研究各相的流动状态，因此忽略热量和化学反应过程。

孔道介质参数孔道宽度为1.4 mm 、孔道长度
为200 mm 、壁面厚度为0.4 mm 、孔隙率为0.3、颗粒密度为2 000 kg·m –3、颗粒直径为1 µm 。

通过台架实验测得，DPF 前后压降为2.1 kPa ，设置不同的DPF 入口速度，出口压力设置为7 200 Pa 。

4 仿真分析
4.1 仿真模型验证
图6为实验值与仿真值对照图。

对不同负荷下出口处CO 浓度的实验值与仿真结果对比，实验结果与仿真值具有一致性，可以用该仿真模型来研究DOC 内部流动状态和组分变化。

通过不同负荷下
第 47 卷 第 4 期乔 靖，等：DOC+DPF 在防爆柴油机上的应用研究161
对DPF 前后压降进行对比，压降偏差均在允许范围内。

图 6 实验值与仿真值对照图
4.2 DOC 瞬态分布
4.2.1 CO 浓度变化仿真模型验证
图7为15 m/s 时的孔道内CO 浓度随时间变化情况。

开始CO 气体充满整个孔道，随着时间的推移，孔道后端气体在孔道中停留时间较长，壁面附近CO 浓度逐渐降低；分子总是在做无规则的运动，轴心区域浓度逐渐下降。

0.04 ms 时，孔道出口CO 浓度为0.578%，转化效率为52.6%，认为该排气温度下0.04 ms 时CO 即可起燃。

在3 ms 时基本达到稳定，末端CO 浓度为0.0427%，转化效率达96.5%。

0.1 ms 0.2 ms 0.4 ms 0.6 ms 0.8 ms 1 ms 1.5 ms 2 ms 2.5 ms 3 ms
1.220e−0021.098e−0029.760e−0038.540e−0037.320e−0036.100e−0033.660e−0034.880e−003
2.440e−0031.220e−0030.000e+000
图 7 不同时间CO 浓度变化
4.2.2 温度场
图8为孔道内部温度变化图。

初始时刻废气温度为674 K ，当流速为15 m/s 时，开始壁面温度逐渐上升，催化剂活性增强，在1.5 ms 时温度变化最快，在3 ms 时，CO 基本完全转化，温度维持稳定，最高可达776 K ，该温度适合化学反应速率的充分发挥和颗粒物的完全再生。

4.3 DOC 稳态分布4.3.1 孔道压降
图9为DOC 孔道内部压力变化图。

随着入口
速度的增大，孔道内部阻力线性增长，在30 m/s 时排气阻力达1 405 Pa ，而10 m/s 时只有386 Pa 。

DOC 孔道为直孔道，孔道内部阻力主要为粗糙涂层引起的沿程阻力损失为主。

30 m/s 25 m/s 20 m/s 15 m/s 10 m/s
9.952e+0039.855e+0039.759e+0039.662e+0039.566e+0039.469e+0039.276e+0039.372e+0039.179e+0039.083e+0038.986e+0038.890e+0038.793e+0038.697e+0038.600e+003
压力/Pa
图 9 压降随入口速度变化
4.3.2 速度分布
图10中，气流经过孔道内部发生化学反应后出口处速度略有增大，对孔道中心处速度进行绘图得出，出口平均速度为12.59 m/s 、17.21 m/s 、22.11 m/s 、26.49 m/s 、30.92 m/s 。

随着化学反应的发生，孔道内部温度逐渐升高，分子受热体积膨胀，运动加剧，出口速度增大。

入口速度增大，孔道化学反应发生不完全，放热量减少，与此同时热量也会被高流速影响而减少，所以孔道出口速度增量减小。

图 10 出口速度随入口速度分布
4.3.3 CO 浓度分布
图11为孔道内部CO 浓度分布。

随着入口速度的增大，出口处CO 浓度逐渐升高，转化效率降低。

0.1 ms 0.2 ms 0.4 ms 0.6 ms 0.8 ms 1 ms 1.5 ms 2 ms 2.5 ms 3 ms
7.763e+0027.690e+0027.617e+0027.544e+0027.471e+0027.398e+0027.252e+0027.325e+0027.179e+0027.106e+0027.032e+0026.959e+0026.886e+0026.813e+0026.740e+002
温度/K
图 8 不同时间温度变化
162中国测试
2021 年 4 月
当入口速度为15 m/s 时，入口处CO 2质量分数为0.012 2，出口处CO 质量分数为4.27×10–4；入口处CO 2浓度为18.57%，出口处CO 2浓度为20.34%。

CO 基本完全转化。

当流速大于15 m/s 时，转化效率严重降低。

1.159e−0021.076e−0029.931e−0038.276e−0039.103e−0037.448e−0036.621e−0034.966e−0035.793e−0034.138e−0033.310e−003
2.483e−0031.655e−0038.276e−0040.000e+000
30 m/s 25 m/s 20 m/s 15 m/s 10 m/s
图 11 CO 浓度随入口速度变化
综上，催化器的转化效率与载体内部气流速度有关系，不同的速度使催化器转化效率而已有所不同。

流速太大，可燃性气体在孔道内部停留时间较短，CO 未能及时转化，导致出口CO 浓度较高；流速太低，会使表面反应区域向入口区域偏移，增大该区域热负荷，长期会导致催化剂劣化。

当流速为15 m/s 时，载体出口处CO 浓度为0.0427%，CO 基本完全转化。

DOC 为通孔型式，表面化学反应剧烈，能够大幅降低可燃性气体的浓度；DPF 表面虽然也涂覆了贵金属催化剂，但容易被多孔壁面捕集的颗粒物覆盖，影响催化剂活性的充分发挥。

因此，15 m/s 的
流速下，该CO 排放浓度下DOC 的轴向最小尺寸为76 mm 。

4.4 DPF 仿真分析
4.4.1 孔道气流流场分布
图12为孔道进出口气流流线图，从进出口流线图可以看出，在进出口有部分气流发生分流，穿过壁面流向相邻孔道，而孔道中部气流沿轴向流向孔道后端。

气流中夹杂着碳烟颗粒形成均一相，当气流通过壁面时，碳烟被捕集而沉积在壁面上。

同时通过壁面的气体流量的大小也反映了沉积碳烟颗粒的多少，碳烟颗粒在进出口处沉积较多。

4.4.2 壁面两侧静压
图13表示不同入口速度下壁面两侧静压差分布。

入口速度增大，壁面两侧压差增大，气体质量流量越大。

气体通过薄壁的速率越高，对于均一相的气体中携带的碳烟颗粒也越多。

同时，孔道入口速度增大，在惯性的作用下，气流直接流向孔道后端，后端堆积较多气体无法顺利排出，导致后端局
部压力较大。

后端壁面通过较多废气，废气中的颗粒被壁面捕集加速了孔道压差形成。

因此，较小的入口速度有利于碳烟的均匀捕集。

图 13 不同入口速度静压分布
5 结束语
为降低防爆柴油机CO 和碳烟排放，以减小有害排放物对井下工作者身体健康的影响，在防爆柴油机加装DOC+DPF 后处理装置后通过一系列的实验与仿真得到以下结论：
1) DOC+DPF 能够有效地降低废气中的可燃性气体CO ，平均转化效率高达96%，最高转化效率高达99%；对碳烟的平均转化效率为82.7%，最高转换效率为98%。

2)当PY03型装置的最大入口速度为15 m/s 时，
1.348e+0011.011e+0016.739e+0003.369e+0000.000e+000速度/(m·s −1)
(a) 入口
1.348e+0011.011e+0016.739e+0003.369e+0000.000e+000速度/(m·s −1)
(b) 出口
图 12 孔道进出口气流流线图
第 47 卷 第 4 期乔 靖，等：DOC+DPF 在防爆柴油机上的应用研究
163
孔道后端气体在孔道中停留时间足够长，使得CO 实现较高的转化效率。

3)DPF 颗粒较多的沉积在载体孔道末端，末端热负荷较重，要使颗粒较均匀的分布在孔道壁面，应尽量减小入口速度。

综上所述，在防爆柴油机加装DOC+DPF 后处理装置可以有效降低CO 和碳烟排放，验证了该装置在防爆柴油机上应用的可行性。

参考文献
中华人民共和国能源部. 煤矿用防爆柴油机械排气中一氧化
碳、氮氧化物检测规范：MT220—1990[S].北京：中国标准出版社， 1990.[1]MATSUMOTO
H, ICHIHARA Y, NAGASAKI N.
Development of the flameproof diesel vehicle applied new exhaust gas dry type treatment system [J ]. Journal of the Mining and Materials Processing Institute of Japan , 2002,
[2]118(2): 129-135.
苏志伟. PODE/甲醇组合燃烧在防爆柴油机中应用研
究[D]. 太原: 太原理工大学, 2016: 44-47.
[3]雷煌. 基于电控单体泵技术的防爆柴油机性能试验研究[J ].
煤炭工程, 2015, 47(10): 100-103.
[4]王登化, 尹小定, 陈根琴. 防爆柴油机废气处理水箱结构优化
研究[J ]. 煤矿机械, 2019, 40(9): 122-124.
[5]胡乃涛, 张学敏, 林超群, 等. 柴油机用DPF 技术及其再生系
统的匹配与优化[J ]. 环境工程学报, 2015, 9(8): 3902-3908.[6]NING J B, YAN F J. Composite control of DOC out-
temperature for DPF regeneration[C]. IFAC-Papers, 2016,49(11): 20-27.
[7]张静, 孟忠伟, 刘苗, 等. 柴油机DOC+CDPF 系统的过滤与再
生性能试验研究[J ]. 车用发动机, 2016, 225(4): 62-65.[8]GOTTBERG I, RYDQUIST J E, BACKLUND O, et al. New
potential exhaust gas after-treatment technologies for “clean car”legislation[C]//International Congress & Exposition. 1991.
[9](编辑:刘杨)
（上接第117页）
ZHOU H B, XU H W, DUAN J A. Review of the technology of a single mode fiber coupling to a laser diode [J ]. Optical Fiber Technology , 2020, 55: 102097.
[4]
徐健. 微型光纤准直器的自动对准系统[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2007.
[5]刘欢. 平面光波导器件自动耦合系统[D].武汉: 武汉邮电大学, 2016.
[6]柯熙政, 罗 静, 雷思琛. 空间光耦合自动对准方法与实现[J ]. 红外与激光工程, 2018, 47(1): 1-7.
[7]WANG X H, ZHENG Q X, ZHAO Q. Research on automatic technology of debugging and assembling optical fiber collimator [J ]. Applied Mechanics and Materials , 2014, 568-570: 1307-1311.
[8]
汪凤林, 周扬, 叶绿, 等. 基于机器视觉的飞轮齿圈缺陷和尺寸检测方法[J ]. 中国测试, 2020, 46(5): 31-38.
[9]XUE J H, ZHANG Y J. Ridler and Calvard ’s, Kittler and [10]Illingworth’s and Otsu’s methods for image thresholding [J ].Pattern Recognition Letters , 2012, 33(6): 793-797.
田密, 韩军, 吴飞斌, 等. 基于统计法纹理描绘子的超声图像
分割算法[J ]. 中国测试, 2020, 46(8): 121-125.
[11]ASHISH K B, IMMADISETTY V K. A context sensitive
energy thresholding based 3D Otsu function for image segmentation using human learning optimization [J ]. Applied Soft Computing, 2019, 82: 105570.
[12]WANG L H, YANG Y, SHI J C. Measurement of harvesting
width of intelligent combine harvester by improved probabilistic Hough transform algorithm [J ]. Measurement ,2020, 151: 107130.
[13]KANUENGNIT P, FREDERIC V, FRANCOIS V. A new
straight line matching technique by integration of vision-based image processing [J ]. Procedia CIRP , 2016, 41: 777-782.
[14](编辑:刘杨)
164中国测试
2021 年 4 月。