灰分分布系数对柴油机性能的影响研究

2021-02-05沈颖刚陈贵升卢申科

内燃机工程 2021年1期

吕誉,沈颖刚,李青,陈贵升,卢申科

(1.昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；2.云南菲尔特环保科技股份有限公司,昆明 650300)

0 概述

柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)生命周期内需要不断地通过氧化再生的方式清除碳烟以恢复其性能[1]，但柴油机排放物中包含的磷化物、硫化物及金属氧化物等不可再生的物质无法通过氧化再生的方式进行清除，这些成分会不断地累积并聚合在DPF孔道内部形成灰分[2]。灰分的存在将会极大地影响DPF及柴油机的性能。

文献[3]中通过建立DPF单孔道模型，研究了壁面灰分层对DPF捕集过程的影响。文献[4]中研究发现灰分沉积会显著改变颗粒物在DPF中的迁移沉积规律和碳烟层的微观结构。文献[5-6]中建立了灰分分布对DPF压降影响的评价函数，研究发现非对称孔结构载体有利于降低DPF压降。文献[7]中研究了灰分对DPF捕集效率的影响，结果表明DPF捕集效率会随灰分量的增加而升高。文献[8]中研究发现在载体入口通道顶部设置一层致密的膜层可极大地提高DPF捕集效率。灰分不仅会影响DPF的压降和捕集特性，还会显著影响DPF再生特性，灰分量的增加会提高DPF再生频率[4]。为了提高DPF主动再生触发时刻判断的准确性，文献[9]中建立了更加精确的DPF炭载量理论计算模型。文献[10]中提出了一种采用发动机排气温度和排气流量作为增益补偿的DPF主动再生目标温度控制方法，可降低实际工程应用中标定工作的复杂程度。文献[11]研究表明，灰分量的增加不仅会增加DPF再生相关的油耗，其压降增加还会导致发动机原机油耗增加。目前，中国排放法规也在逐步推进对内燃机碳排放的限制[12-13]，因而研究灰分及DPF对发动机热效率的影响十分必要。

目前国内外对灰分成分及其对DPF性能的影响研究相对较多，但较少涉及灰分对柴油机性能特别是经济性的影响。本文中通过构建柴油机耦合DPF的一维热力学模型，系统阐述了灰分分布系数对柴油机性能的影响，并重点分析了灰分分布系数对柴油机系统热效率的影响，以期为DPF的工程应用提供一定的理论支持。

1 模型构建与验证

基于某直列4缸柴油机建立带DPF的一维热力学模型，并对模型进行可靠性验证。柴油机基本性能参数见表1，DPF技术参数见表2。

表1 柴油机主要参数

表2 DPF主要参数

1.1 柴油机模型介绍

零维燃烧模型将缸内热力学状态视为均匀场，不考虑气体状态参数随空间的变化，模型较为简单，计算工作量较小，因而被广泛使用。然而，随着发动机技术的发展，由于计算精度低，零维燃烧模型已经无法满足现代发动机的预测研究。因此，本研究中燃烧模型采用准维燃烧模型——Hiroyasu油滴蒸发模型，提高了模型预测精度，并通过对燃烧室空间进行分区处理，在一定程度上对排放污染物进行预测[14]。传热模型选用经典的半经验Woschni GT传热模型。为了便于计算，模型对发动机热平衡进行了一定的简化处理，如式(1)所示，燃油有效总能量由式(2)计算得到。

Q=Pe+Qt+Qe+Qf

(1)

(2)

式中，Q为燃料燃烧释放的总能量；Pe为有效功率；Qt为传热损失；Qe为排气损失；Qf为摩擦损失；N为发动机转速；nr为活塞循环往复运动次数(四冲程)；nc为气缸数；Hf为燃料低热值，J/kg；Lf为燃料蒸发潜热值，J/kg；mf,i,gas为燃油以气体状态进入气缸i时的瞬时质量流量，kg/s；mf,i,liq为燃油以液体状态进入气缸i的瞬时质量流量，kg/s。

1.2 DPF模型介绍

为方便模型计算与收敛，对DPF数值模型进行如下理论假设：(1) 忽略胶黏区，将载体视为绝热材料；(2) 将排气视为理想气体，假设排气颗粒粒径相同且分布均匀，假设灰分粒径相同。

壁流式DPF由一系列交替堵塞的进、排气孔道组成，排气流经进气孔道进入过滤体后由于进气孔道后端被堵塞，气流只能流经开孔的过滤壁面从相邻的排气孔道流出。图1为排气流经DPF的结构示意图。过滤壁面实际为一层多孔介质，碳烟颗粒通过惯性碰撞、重力沉降和流动拦截等物理方式被捕集下来。随着DPF不断再生，一系列不能氧化的金属粒子不断聚合形成硫化物、磷化物和金属氧化物，即灰分。综上，排气流经DPF的压降通常包含7部分，如式(3)所示。

图1 DPF内部结构示意图

Δp=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4+Δp5+
Δp6+Δp7

(3)

(4)

(6)

(7)

排气流经过滤体产生的压降满足Darcy定律，载体进出口孔道压降模型满足式(8)方程[15]。

(8)

式中，Δp、Δp1、Δp2、Δp3、Δp4、Δp5、Δp6、Δp7分别为DPF压降、进口孔道收缩压降、进气孔道内压降、碳烟层发生的压降、灰分层产生的压降、过滤壁面产生的压降、排气孔道内压降和出口膨胀损失压降；pg,1为进口孔道压力；pg,2为出口孔道压力；Fnfw，A和Fnfw,B分别为过滤体进口、出口孔道几何系数；vw,1为进口孔道壁面流速；d1为进口孔径；d2为出口孔径；kw为壁面渗透率；kac为灰分层渗透率；ksc为碳烟层渗透率；ksd为深床碳烟层渗透率；μ为流体的运动黏性系数；δw为壁面厚度；δac为灰分层厚度；δsc为碳烟层厚度；δsd为深床碳烟层厚度；leff为孔道有效长度；ζinl为缩口摩擦损失系数；ζout为扩口摩擦损失系数；ρinl为进口孔道气流密度；ρout为出口孔道气流密度；vinl为进口孔道气体流速；vout为出口孔道气体流速。

1.3 模型验证

为保证计算准确性，需要对模型进行可靠性验证。图2为发动机转矩、有效燃油消耗率、涡后排温和NOx比排放的试验值与模拟值验证对比。由图2可知，模拟值与试验值整体趋势变化一致且误差较小，模型可以满足对发动机实际运行工况的预测需求。

图2 转矩、有效燃油消耗率、涡后排温和NOx比排放试验值与模拟值对比

针对DPF模型的压降验证如图3所示。将DPF内碳烟加载至炭载量2 g/L，为避免高转速时因DPF再生影响数据可靠性，因而在1 000～2 400 r/min条件下对DPF进行压降验证。由图3可知，模拟值与试验值整体趋势一致，且误差较小，模型可靠性较高。

图3 DPF压降验证(炭载量2 g/L)

2 灰分对DPF性能的影响

DPF内不同灰分分布系数的灰分通过影响载体孔道的流通面积和有效过滤长度影响DPF压降和捕集效率，而DPF压降则会直接影响发动机进排气特性，从而影响发动机性能。本研究中设置DPF灰分量为33 g/L，炭载量为6 g/L，定义灰分分布系数F为DPF壁面灰分质量mlayer与灰分总质量mall之比(式(9))，研究不同灰分分布系数对DPF和柴油机性能的影响。

(9)

柴油机转速越高，排气流量越大，流速越高，因而DPF压降随转速上升而升高，如图4所示。同一转速下，随着灰分分布系数增加，DPF压降增大，当灰分分布系数超过0.6时，DPF壁面灰分超过阈值，流通面积迅速缩小，DPF压降急剧升高。灰分分布系数对DPF捕集效率的影响也示于图4中。由图4可知，转速越高，排气流量和流速增加，DPF空速增大，颗粒物更加容易逃逸，因而DPF捕集效率随转速升高而降低。随着灰分分布系数增加，DPF壁面的层状灰分厚度增加，有利于碳烟的捕集，同时灰分分布系数越大，灰分堵头更小，DPF有效过滤长度更大，这些均有利于捕集效率的提高。

图4 不同灰分分布系数下转速对DPF压降和捕集效率的影响(炭载量6 g/L，灰分量33 g/L)

3 灰分对柴油机性能的影响

3.1 灰分分布系数对柴油机性能的影响

灰分分布系数对柴油机动力性能的影响如图5所示。相比于原机，加装DPF后柴油机转矩有所下降，灰分分布系数越大，转矩下降幅度越高。灰分分布系数小于0.6时，随着灰分分布系数增加，柴油机转矩虽然有所下降，但下降幅度相对较小。灰分分布系数0.8时柴油机转矩相对于灰分分布系数0.6时有较大幅度下降，这是因为灰分分布系数为0.8时，堆积在壁面的层状灰分质量太大，孔道流通面积下降超过一定阈值，流通阻力急剧增加，使得柴油机进排气效率急剧下降，进气充量降低，空燃比减小，同时缸内气流运动减弱，导致柴油机缸内燃烧过程恶化，最高燃烧压力下降，因此转矩在灰分分布系数为0.8时急剧下降。随着转速增加，灰分及其分布系数对进气充量和空燃比的影响变大，因而中高转速下灰分对柴油机动力性的影响更大。

图5 不同灰分分布系数下转速对柴油机性能的影响(炭载量6 g/L，灰分量33 g/L)

灰分分布系数不仅会影响柴油机动力性，同时会使其经济性下降。灰分分布系数对有效燃油消耗率和有效热效率的影响见图6。由图6可知，随灰分分布系数增大，排气背压升高导致进气充量降低，空燃比下降，燃烧效果变差，柴油机有效燃油消耗率升高。柴油机有效热效率也随灰分分布系数增大而下降。下文将详细阐述灰分对柴油机系统热效率的影响。

图6 不同灰分分布系数下转速对有效燃油消耗率和有效热效率的影响(炭载量6 g/L，灰分量33 g/L)

灰分分布系数越大，柴油机缸内空燃比越小，混合气越浓，排气温度越高(图7)。虽然排气温度有所上升，但缸内空燃比下降更加不利于NOx的生成，因而NOx排放量随灰分分布系数增大而下降；高转速时灰分对空燃比的影响更大，所以柴油机高转速时的NOx排放量下降幅度更大。灰分分布系数的增大使得缸内氧浓度下降且排气温度上升，恰好为碳烟生成提供了高温缺氧的条件，因而灰分分布系数越大，碳烟排放量越大。随着柴油机转速上升，进气充量更大且流速增加，灰分产生的背压对进气充量的影响随转速上升而变大，因而灰分对柴油机中高转速的排放特性影响更大。

图7 不同灰分分布系数下转速对排放和涡后排涡的影响(炭载量6 g/L，灰分量33 g/L)

3.2 灰分对柴油机系统热效率的影响

当前柴油机的发展不仅需要满足排放法规对污染物的限制要求，还需要控制碳排放，即提高柴油机热效率。柴油机热效率已经不单指机内热效率，而是涵盖后处理装置的柴油机系统热效率。由于灰分无法通过再生的方式进行清除，随着DPF工作时间的增加，灰分对柴油机背压的影响逐渐增大。本研究中将柴油机和DPF视为整体，综合分析了灰分对柴油机系统热效率的影响。

选择柴油机中等转速(2 000 r/min)工况，研究灰分分布系数协同炭载量对柴油机原机热效率的影响，如图8所示。柴油机有效热效率随灰分分布系数增大而降低，炭载量增加时，柴油机系统热效率随灰分分布系数增大而下降的幅度增大。灰分分布系数小于0.6时炭载量对柴油机热效率的影响相对较小；灰分分布系数大于0.6时柴油机热效率随炭载量增加迅速降低。

图9为柴油机2 000 r/min、100%负荷条件下，DPF灰分量为33 g/L时，不同炭载量下灰分分布系数对柴油机有效燃油消耗率的影响。DPF无灰分加载时，柴油机有效燃油消耗率随炭载量增加几乎没有变化。灰分量为33 g/L时，各灰分分布系数下柴油机有效燃油消耗率均随炭载量增加而升高，且灰分分布系数越大，柴油机有效燃油消耗率随炭载量增加而升高的幅度越大。将无灰分加载时的柴油机有效燃油消耗率作为基准燃油消耗率，定义灰分量为33 g/L时不同灰分分布系数的有效燃油消耗率与基准燃油消耗率之差为有效燃油消耗率增量。不同炭载量下有效燃油消耗率增量均随灰分分布系数增加而上升，如图10所示。灰分分布系数对柴油机有效燃油消耗率的影响不容忽视，尤其是较大的灰分分布系数会极大地增加柴油机有效燃油消耗率。

DPF内灰分累积量不仅影响柴油机经济性，还直接影响DPF再生经济性。对于基于压降的DPF再生控制策略而言，灰分沉积将会极大地影响主动再生时机的判断。将DPF压降为25 kPa作为触发主动再生的判定依据，图11为柴油机2 000 r/min、100%负荷时，不同灰分分布系数触发再生时对应的炭载量。灰分分布系数为0.2、0.3、0.4、0.5触发再生时的炭载量分别为7.56 g/L、5.32 g/L、3.00 g/L、0.89 g/L。当灰分分布系数大于0.5以后，即使DPF没有碳烟加载也会一直处于主动再生状态。若在炭载量6 g/L时触发主动再生过程，则灰分分布系数0.2～0.8(间隔0.1)再生时对应的DPF压降分别为23.14 kPa、25.90 kPa、29.26 kPa、33.26 kPa、38.97 kPa、48.01 kPa、65.00 kPa(图12)，其中灰分分布系数为0.6～0.8时压降过大，将会严重影响柴油机缸内燃烧过程。若将炭载量 6 g/L、压降25 kPa视为最佳再生时机，并将此时的再生频率定义为1.0，灰分分布系数为0.2时再生频率小于1.0，炭载量已超过安全的主动再生炭载量即 6 g/L，此时触发主动再生过程将会有再生风险。灰分分布系数为0.3的再生频率比较接近理想再生频率；继续增大灰分分布系数，再生频率急剧增加；当灰分分布系数超过0.5后主动再生状态将会一直处于激活状态。因此，仅依靠压降判断主动再生时机的方法的精确度会随灰分量增加而下降。