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影響DPF再生因素的實(shí)驗(yàn)研究

2020-01-06 22:38:39·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
柴油機(jī)以熱效率高、 燃油經(jīng)濟(jì)性好、 可靠性高和動(dòng)力性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)受到人們青睞，但其顆粒物的排放卻超標(biāo)嚴(yán)重，限制了其應(yīng)用。柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)是目前機(jī)外降低
柴油機(jī)以熱效率高、 燃油經(jīng)濟(jì)性好、 可靠性高和動(dòng)力性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)受到人們青睞，但其顆粒物的排放卻超標(biāo)嚴(yán)重，限制了其應(yīng)用。柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)是目前機(jī)外降低微粒物排放最有效的系統(tǒng)之一，其過濾效率可達(dá) 95% 以上。本次推文介紹了：不同的DPF入口過渡段長(zhǎng)度對(duì)碳黑沉積分布的影響，并基于外加熱源再生性能試驗(yàn)臺(tái)架，研究過渡段長(zhǎng)度、再生溫度和再生時(shí)間對(duì)DPF再生及其顆粒物數(shù)量濃度排放性能的影響規(guī)律，為研究DPF載體內(nèi)部沉積分布特性對(duì)其再生性能的影響規(guī)律和控制DPF出口的顆粒排放提供參考。
 
01、試驗(yàn)裝置與方法
碳黑加載裝置由顆粒發(fā)生器、碳黑加載主體段和抽氣部分組成，如圖1所示。在DPF入口處添加不同長(zhǎng)度的過渡段，使得碳黑在DPF內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不同的沉積分布，其長(zhǎng)度范圍為0～50 cm。圖2為DPF加載碳黑前、后的對(duì)比。通過改變過渡段的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)載體內(nèi)部不同的碳煙顆粒沉積分布。圖3為再生性能測(cè)試臺(tái)架示意。主要由流量控制器、電加熱器、壓力傳感器、再生主體段和數(shù)據(jù)采集程序組成。空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮和過濾器過濾后，形成高壓、干燥氣體，在流量控制器的控制下，達(dá)到試驗(yàn)所設(shè)定的流量；再經(jīng)過電加熱器加熱，升到試驗(yàn)設(shè)定的溫度，之后高溫氣體進(jìn)入再生主體段使得DPF再生。DPF 再生時(shí)的溫度場(chǎng)和壓降變化數(shù)據(jù)由溫度傳感器和壓力傳感器測(cè)量，由采集程序進(jìn)行采集和控制，并在線顯 示和存儲(chǔ)。
圖1 碳黑加載裝置示意
圖2 DPF加載碳黑前、后對(duì)比
圖3 再生性能測(cè)試臺(tái)架示意
測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示，選取K型熱電偶測(cè)試DPF內(nèi)部溫度，載體內(nèi)部共有 14 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。直徑35mm處沿軸向均勻分布5個(gè)測(cè)點(diǎn)；在直徑為72、95和 120 mm處分別有3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共個(gè)測(cè)點(diǎn)。下標(biāo)0～1代表 DPF軸向上 X/L的比值。其中T35-1表示在直徑為 35 mm、出口末端 1.00位置處的溫度。
圖4 DPF內(nèi)部測(cè)試溫度示意(長(zhǎng)度單位：mm)
 
02、過渡段長(zhǎng)度對(duì)DPF再生性能的影響
采用不同過渡段長(zhǎng)度(0～50cm)加載碳黑，進(jìn)行DPF再生試驗(yàn)，試驗(yàn)得到的DPF內(nèi)部最高溫度如圖5所示。選取了過渡段分別為0cm和50cm條件下DPF再生時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)作為對(duì)比，如圖6所示。圖5中，無過渡段時(shí)DPF內(nèi)部出現(xiàn)溫度波峰，而50cm過渡段時(shí)，DPF內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)溫度波峰。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) DPF內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)的位置均在DPF出口的末端中心位置。當(dāng)過渡段長(zhǎng)度為0時(shí)，DPF內(nèi)部最高溫度最大；當(dāng)過渡段長(zhǎng)度為10～30cm時(shí)，隨著過渡段長(zhǎng)度的增加，DPF再生過程中的溫度波峰逐漸減小當(dāng)過渡段長(zhǎng)度增加到40 cm后波峰消失。圖6中，在加載碳黑時(shí)發(fā)現(xiàn)，無過渡段條件下加載碳黑時(shí)，碳黑傾向于沉積在中心通道區(qū)域；而用過渡段為50cm加載時(shí)，碳黑在DPF內(nèi)部的沉積則相對(duì)均勻。DPF 再生時(shí)，前端中心區(qū)域的碳黑氧化釋放的熱量沿氣流方向向后傳遞并聚集，當(dāng)傳遞的能量達(dá)到一定程度后，使得 DPF 后端沉積碳黑劇烈燃燒而在末端中心出現(xiàn)局部高溫。
圖5 過渡段長(zhǎng)度對(duì)DPF內(nèi)部最高溫度的影響
圖6 過渡段長(zhǎng)度對(duì) DPF內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響
過渡段長(zhǎng)度對(duì)DPF再生性能的影響如圖7所示。當(dāng)過渡段長(zhǎng)度為0和10cm時(shí)，DPF中心區(qū)域沉積的碳黑顆粒多，再生的DPF內(nèi)部最高溫度較高，導(dǎo)致再生效率和效能比較高；隨著過渡段長(zhǎng)度的增加，使得DPF內(nèi)部碳黑沉積逐漸趨于均勻，再生時(shí)無局部高溫出現(xiàn)，從而導(dǎo)致再生效率和效能比逐漸下降。隨著過渡段長(zhǎng)度的增加，DPF內(nèi)部最高溫度和最大溫度梯度逐漸下降。DPF內(nèi)部最高溫度主要由顆粒氧化放熱速率和對(duì)流散熱速率兩方面因素決定，加載時(shí)隨著過渡段長(zhǎng)度增加，DPF中心區(qū)域碳黑顆粒沉積量減少，使得DPF再生時(shí)顆粒氧化放熱速率減小。而來流流量不變，DPF再生過程中對(duì)流散熱速率保持不變，從而導(dǎo)致DPF內(nèi)部最高溫度和最大溫度梯度逐漸降低。
圖7 過渡段長(zhǎng)度對(duì)DPF再生性能的影響
 
03、過渡段長(zhǎng)度固定時(shí)DPF的再生特性
入口過渡段的長(zhǎng)度會(huì)在一定程度上影響DPF 載體內(nèi)部碳黑的沉積分布，由于非均勻沉積的情況較多，定義較為復(fù)雜，選取均勻沉積(過渡段長(zhǎng)度為50cm時(shí))的DPF再生特性進(jìn)行研究。
3.1再生溫度對(duì)DPF再生溫度場(chǎng)的影響
圖8為不同再生溫度對(duì)DPF再生溫度場(chǎng)的影響。在升溫階段和恒溫階段的載體最高溫度曲線變化趨勢(shì)一致，壁面也未出現(xiàn)溫度波峰。在較高的入口溫度(575℃)再生時(shí)，載體內(nèi)部也未出現(xiàn)局部高溫。且在整個(gè)升溫和恒溫再生階段中， DPF內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)溫度波峰，說明均勻沉積后再生有利于避免DPF高溫?zé)讯l(fā)生破壞。
圖8 不同再生溫度對(duì) DPF溫度場(chǎng)的影響
3.2 再生溫度對(duì) DPF 再生性能的影響
  圖9為再生溫度對(duì)DPF再生性能的影響。隨著再生溫度的增加，再生效率和效能比在再生溫度大于525 ℃ 后增加明顯；在575 ℃ 時(shí)，再生效率達(dá)到93.6% 。DPF內(nèi)部碳黑沉積較為均勻時(shí)，再生溫度的增加使得碳黑氧化速率加快，相同時(shí)間內(nèi)有更多的碳黑燃燒釋放能量，從而再生效率增加。同時(shí)，其效能比也相應(yīng)增加。此外，525 ℃以上再生時(shí)有利于碳黑顆粒在DPF內(nèi)部的氧化，也利于熱量的迅速累積，使得再生效率和效能比迅速增加。隨著再生溫度的增加，DPF內(nèi)部最高溫度和最大溫度梯度近似呈線性增加。其原因主要是再生溫度的增加使得 DPF 內(nèi)部最高溫度增加，同時(shí)使得溫度梯度也相應(yīng)增加。
圖9 再生溫度對(duì)DPF再生性能的影響
3.3 再生時(shí)間對(duì)DPF再生溫度場(chǎng)的影響
圖10為再生時(shí)間為250～3000s時(shí)的DPF內(nèi)部最高溫度。再生時(shí)間對(duì)DPF 壁面最高溫度無明顯影響，整個(gè)再生持續(xù)過程中未出現(xiàn)溫度波峰，且DPF內(nèi)部溫度場(chǎng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)并未隨再生時(shí)間的增加出現(xiàn)明顯的波動(dòng)?？梢?，在碳黑顆粒加載量一定且沉積分布均勻時(shí)，DPF內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)局部碳黑劇烈氧化燃燒的情況，無溫度波峰出現(xiàn)。
圖10 不同再生時(shí)間時(shí)的DPF內(nèi)部最高溫度
3.4 再生時(shí)間對(duì)DPF再生效率的影響
圖11為不同再生溫度時(shí)再生時(shí)間(250～3000s)對(duì)DPF的再生效率影響規(guī)律。當(dāng)再生溫度為500 ℃時(shí)，再生效率與再生時(shí)間近似呈線性關(guān)系。說明均勻沉積時(shí)，緩慢氧化條件下，DPF內(nèi)部的碳黑氧化再生效率與再生時(shí)間近似呈正比。當(dāng)再生溫度為525 ℃時(shí)，再生效率同樣隨再生時(shí)間增加而增加；在2500s 之后， 增長(zhǎng)趨于平緩，再生效率達(dá)到了60% 以上。再生溫度為550 ℃時(shí)，再生時(shí)間為 1500s及以下時(shí)再生效率迅速增加，1500s 之后隨著再生時(shí)間的增加，增長(zhǎng)趨于平緩；相比再生溫度為525 ℃，再生效率增長(zhǎng)的時(shí)間拐點(diǎn)提前。當(dāng)再生溫度為 575 ℃時(shí)，再生效率的變化趨勢(shì)與550 ℃較為一致，在1000s 左右出現(xiàn)增長(zhǎng)拐點(diǎn)，此時(shí)的再生效率已達(dá)到 93.6% ，繼續(xù)增加再生時(shí)間，對(duì)再生效率的影響不大。
圖11 不同再生溫度和再生時(shí)間對(duì)DPF再生效率的影響
 
04、結(jié)論
（1）隨著過渡段長(zhǎng)度的增加， 再生效率和效能比先保持不變，之后逐漸降低， 繼而又趨于穩(wěn)定；DPF內(nèi)部最高值溫度與最大溫度梯度均呈逐漸降低的趨勢(shì)。
（2）隨著再生溫度的增加， 再生效率和效能比先緩慢增加而后迅速增加，DPF 內(nèi)部最高溫度和最大溫度梯度呈線性增加的趨勢(shì)。
（3）碳黑沉積較為均勻時(shí)，再生時(shí)間的增加能夠在一定程度上提高再生效率；提高再生溫度將會(huì)出現(xiàn)再生時(shí)間拐點(diǎn)，且隨著再生溫度的增加，再生時(shí)間拐點(diǎn)提前 拐點(diǎn)之后繼續(xù)增加再生時(shí)間，再生效率增加量較小。
文獻(xiàn)來源及推薦閱讀
[1] 孟忠偉,李鑒松,秦源,杜雨恒,蔣淵,方嘉.DPF再生及其顆粒物數(shù)量濃度排放性能的試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2019,37(04):329-336.
 
 
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