孙 平, 万垚峰, 孟 建,2, 范 义, 肖 雪

(1. 江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013; 2. 山东理工大学 交通与车辆工程学院, 山东 淄博 255000)

现代柴油机具有经济性好、动力强劲、可靠性高和应用范围广等优点,然而其产生了比表面积极大的微纳米级颗粒物,易吸附重金属及其他有害物质,严重损害人体健康与自然环境[1].柴油机细小颗粒物的排放已经成为当前亟待解决的问题[2].颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)等后处理技术的运用使柴油机颗粒物排放总量大大减少,但微纳米级颗粒物数目控制效果仍不显著[3].同时柴油机颗粒欧Ⅵ排放标准中引入了柴油机颗粒个数PN(particulate number)的限值[4].荷电凝并(electrical agglomeration,EA)技术作为一种预处理手段,能够促进颗粒物粒径变大、减少颗粒物数目、提高颗粒捕集器的捕集效率,在柴油机微纳米级颗粒数目控制领域越来越受到关注[5-6].颗粒荷电后对其在DPF通道内部的流动状况、压降和颗粒捕集效率都造成较大的影响.但由于DPF载体结构复杂,在其工作时很难得到内部流场和微粒运动状态的信息[7-8],因此笔者建立DPF通道仿真模型,计算不同荷电电压颗粒在通道内的流动状况,并通过试验验证模型的准确性,旨在优化荷电凝并技术与DPF的耦合,提高对细微颗粒的捕集效率.

1 数学模型

1.1 连续性方程

DPF的进、排气孔道内气体流动连续性方程为

(1)

式中:ρ为气体密度;t为流过通道的时间;u,v,w分别为速度在x,y,z方向上的分量.

1.2 动量守恒方程

气体在DPF进、排气孔孔道内流动遵循动量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

式中:p为作用于流体微元体上的压强;u为速度矢量；τxx,τxy,τxz,τyx,τyy,τyz,τzx,τzy,τzz为作用在微元体表面的黏性应力τ的分量;Fx,Fy,Fz分别为x,y,z方向上作用于微元体上的质量力.

1.3 离散相模型

采用离散相模型对壁流式过滤体的颗粒源项进行模拟,并追踪其流动轨迹.在笛卡尔坐标系下,颗粒作用力在x方向的平衡方程为

(5)

式中:up为颗粒运动速度;ul为流体相速度;FD为颗粒的单位质量拽力;gx为x方向的重力加速度;ρp为颗粒密度;ρ1为流体密度;fx为x方向上的其他作用力.

(6)

式中:μ为流体动力黏度;CD为拽力系数;Rep为颗粒雷诺数;dp为颗粒直径.

(7)

(8)

式中：对于球形颗粒,在一定的雷诺数范围内,a1,a2,a3为常数[9].

2 计算过程

2.1 仿真模型的建立

壁流式DPF过滤体相邻进、排气孔的孔隙率为0.3,孔道宽度、长度、壁厚分别为1.8,100.0,0.2 mm,用UG建立几何模型,并采用ICEM进行网格划分.

2.2 计算区域的选择

采用FLUENT模拟软件对荷电前后颗粒在DPF内的运动进行模拟与分析,运用ICEM软件划分DPF计算网格,如图1所示.

图1 计算网格与区域

壁流式蜂窝陶瓷过滤体进、排气道以交替排列形式布置,根据DPF孔道截面对称的特点,选择1组进、排气孔道的1/4作为计算区域.

2.3 离散相颗粒源的设置

1) 颗粒入射采用Surface方式,即颗粒由速度入口处均匀入射.

2) 选取随机轨道模型,轨道模型中可以设置随机轨道计算次数n.每个喷射源的颗粒,程序会执行n次随机轨道计算.

3) 柴油机排气中的颗粒物由不同粒径的颗粒组成混合颗粒群,并且荷电前后的粒径大都集中在0.1～1.0 μm之间,可以采用罗辛-拉穆勒(Rosin-Rammler)分布来描述荷电前后的颗粒群[10].

Rosin-Rammler分布函数是最常用的描述颗粒群粒径分布的一种方式.定义变量wd为大于指定粒径d的质量分数,并且假设粒径d和wd之间只存在如下指数关系:

(9)

式中:dm为平均粒径;N为传播系数.

根据双极荷电凝并降低柴油机颗粒数量排放试验可以确定荷电前后的颗粒Rosin-Rammler分布表达式,荷电电压为0,10,20 kV时,粒径分布表达式分别为

(10)

(11)

(12)

由式(10)-(12)可得柴油机排气颗粒在不同电压下的粒径分布,如图2所示.

图2 柴油机排气颗粒在不同荷电电压下的粒径分布

2.4 边界条件的设置

将DPF模型中间过滤层设置为多孔介质区域,其他区域均设置为连续流体.进、排气道的陶瓷堵封设为无滑移壁面条件,为方便观察完整的进、排气道的流动情况，运用离散相模型模拟微粒的流动与捕集,入口处采用速度入口边界条件,出口处为压力出口边界条件,相对排气背压值为0.在颗粒轨道模拟计算中,离散相边界条件默认设置为捕集.

3 计算结果及分析

3.1 不同荷电电压对颗粒流动速度的影响

进、排气孔道中心线速度在不同荷电电压下的变化曲线如图3所示,当荷电电压为0 kV时,进、排气孔道内的气流速度都在末端有明显变化且速度变化接近线性,进气孔道末端的气流速度由12.0 m·s-1降至0 m·s-1,排气孔道末端气流速度由3.0 m·s-1变为13.0 m·s-1.加载电压为0 kV时,颗粒粒径较小,颗粒在多孔介质内部的流动阻力较小,大部分气流都从孔道后端流入到排气孔道内,因此速度在后端变化比较明显;随着电压的增大,颗粒的粒径变大,颗粒在壁面的流动阻力变大,气流速度的变化更接近线性.

图3 不同荷电电压下,进、排气孔道内的流速

不同荷电电压下颗粒在多孔介质内流速见图4.

图4 不同荷电电压下,颗粒在多孔介质内的流速

从图4可以看出：荷电电压为0 kV时,壁面渗流速度沿轴向在末端轴向位置0.08 m处变化最大,变化量约为0.6 m·s-1;而当荷电电压增大时,渗流速度沿轴向变化变小,且电压越大变化越小,当电压增大为20 kV时,渗流速度沿轴向稳定在0.4 m·s-1,这说明荷电电压的增大会使颗粒在孔道内的分布由不均匀变为均匀.

3.2 不同荷电电压对进、排气孔道压力的影响

在不同荷电电压下,进、排气孔道内静压变化如图5所示.

图5 不同荷电电压下,进、排气孔道内的静压变化

从图5a可以看出:随着荷电电压的增大,颗粒粒径增大,进气孔道内的静压大幅上升,在荷电电压为20 kV时,静压达到最大约为10 kPa,这是因为进气孔道通过多孔介质壁面与排气孔道相通;当荷电电压增大时,颗粒粒径增大,大粒径的颗粒很快将壁面堵塞,多孔介质壁面孔隙率变小,从而引起进气道内静压变大.从图5b可以看出:在0 m处荷电电压的增大会使孔道内的压力变大,这是因为荷电电压变大,颗粒粒径增大,壁面堵塞严重所以压力会变大;出口处由于排气孔道与大气相通,所以最终压力都降为0 kPa.

4 试验验证

4.1 试验系统

双极荷电凝并试验系统如图6所示,主要包括台架系统、荷电与凝并装置以及捕集系统等.采用潍柴动力股份有限公司生产的YZ4102四缸、四冲程柴油机作为试验样机,其主要技术参数:工作容积为4.09 L；压缩比为17.5；额定功率为95 kW；额定转速为2 600 r·min-1.

图6 试验装置系统图

试验台架控制系统主要由台架测控系统、电力测功机(湘仪FC2005)、燃油温控仪(AVL753)、油耗仪(AVL735)等测试仪器组成.其中,台架测控系统通过转矩、转速、温度及压力等传感器,对发动机各项运行参数,如转矩、转速、功率、水温、油温、油耗、进排气温度和背压等参数,进行实时观测.

双极荷电装置主要由电晕电极、不锈钢圆筒和陶瓷管构成.荷电装置内部固定1根长320 mm、直径1.5 mm的紫铜电极并与高压电源相连作为放电电极,其安装在圆筒的中心位置.试验所用高压直流电源型号为大连泰思曼科技有限公司生产的TE4020型.捕集系统所选用的DPF载体参数与模拟时的DPF参数一致.

4.2 试验方案

试验选取柴油机额定转速为2 900 r·min-1,100%负荷作为工况点.柴油机稳定运行后,打开高压电源并调节高压电源分别为0,±10,±20 kV.-20～20 kV电压下的电流范围为-0.42～0.42 mA.为降低排气温度对颗粒荷电的影响,在荷电装置上安装陶瓷电热圈,设定控制温度为300 ℃.

不同荷电电压下,DPF对碳烟加载时间统一为3 h.在加载过程结束后,DPF载体沿不同轴向位置进行切片,由于切片操作会对外围通道内的颗粒沉积产生影响,所以选取切片中心位置通道计算颗粒沉积厚度,DPF载体切片如图7所示,红色区域为扫描区域.测量过滤器通道内部颗粒沉积厚度试验是基于场发射扫描电子显微镜(S- 4800ⅡFESEM)的图像,扫描区域通道内的碳烟层厚度如图8所示.碳烟层厚度是通过累积在通道所有侧碳烟厚度总和再取平均值的方法计算.

图7 DPF载体切片

图8 碳烟层厚度(SEM图)

4.3 试验结果及分析

颗粒在不同荷电电压下,在DPF载体内沿轴向的分布情况如图9所示.

图9 捕集器碳烟层轴向厚度

从图9可以看出:荷电电压为0 kV时,DPF进气孔道入口端的颗粒沉积厚度较小约为48 μm,而在通道末端颗粒沉积量达到最大值约为65 μm,这是由于孔道末端壁面堵塞,大部分颗粒沉积在通道后半部分;随着荷电电压的增大,颗粒沿轴向的沉积量较0 kV时,有明显的增大,颗粒沿通道分布较均匀,这是因为荷电电压的增大,颗粒群中粒径较大的颗粒比重上升,在不改变DPF载体孔隙率的情况下,深床捕集周期变短,滤饼捕集变为主要捕集方式,当电压增大时,颗粒沉积量随之增大,而由于颗粒带电后受电场力的作用,颗粒沿轴向分布变得均匀.

5 结 论

1) 在荷电电压为0 kV时,进气孔内的气流速度会在孔道末端陡降为0 kPa,排气孔道内的气流速度会在孔道的中后段有较明显的变化,在出口处流速达到13.0 m·s-1;随着荷电电压的增大,进、排气孔道内的气流速度沿轴向变化趋于线性；颗粒在壁面的渗流速度会在轴向位置0.08 m处急剧上升，在末端达到最大值,随着荷电电压的增大,颗粒在壁面的渗流速度会趋于平缓.

2) 在进气孔道内,随着荷电电压的增大,孔道内压力也随之增大,且电压越高压力越大,而荷电电压的变化对排气孔道内压力影响不大.

3) 荷电电压的增大会使孔道颗粒沉积更加均匀,且电压越高,颗粒沉积厚度越大.