极限碳载量下催化型柴油机颗粒捕集器再生特性研究_陈贵升.pdf

第 44卷 第 3期2023年 6月Vol.44 No.3June 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering极限碳载量下催化型柴油机颗粒捕集器再生特性研究陈贵升1，曾辉许庆2，田文静1，张凯齐1，杨杰1，张涵1（1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；2.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，昆明 650093）Study on the Regeneration Characteristics of Catalytic Diesel Particulate Filter Under Ultimate Carbon LoadCHEN Guisheng1，ZENG Huixuqing2，TIAN Wenjing1，ZHANG Kaiqi1，YANG Jie1，ZHANG Han1（1.Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engine，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；2.Faculty of Public Safety and Emergency Management，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）Abstract：A three-dimensional catalytic diesel particulate filter（CDPF）model was built on the basis of a diesel engine with high pressure and common rail.The research on the regeneration characteristics of different structures of CDPF under the ultimate carbon load was carried out.The analysis on the effects of ash content and ash distribution coefficient on the regeneration characteristics of CDPF with different structures under different ultimate carbon load conditions was conducted.In accordance with the results，it indicates that the maximum temperature peaks of CDPF of symmetrical cell technology（SCT）and asymmetric cell technology（ACT）under the ultimate carbon load enhance with the growth of ultimate carbon load.The pressure drop of CDPF with different structures increases with the growth of the ultimate carbon load and the difference is obvious.As the ultimate carbon load increases，the temperature of the CDPF carrier and the soot regeneration rate have rapid growth and the peak value increases significantly.The pressure drop of CDPF and the maximum temperature of the carrier under the ultimate carbon load increase with the growth of ash content，and the pressure drop features of CDPF with different structures are quite various.The maximum temperature of the SCT structure carrier is higher than that of the ACT structure.With the growth of ash content，the soot regeneration rate of CDPF first increases and then decreases，and the soot regeneration rate has rapid increase and high peak value under high ash content.The obvious differences in pressure drop of CDPF of different structures with the same ash distribution coefficient exist under the ultimate carbon load.The pressure drop of the SCT structure is generally higher than that of the ACT structure.As the ash distribution coefficient increases，the soot regeneration rate and carrier temperature of CDPF with different structures first increase and then decrease.摘要：基于某高压共轨柴油机搭建了三维催化型柴油机颗粒捕集器（catalytic diesel particulate filter，CDPF）模型，研究了极限碳载量下不同结构 CDPF 的再生特性，分析了不同极限碳载量条件下灰分量及灰分分布系数对不同结构 CDPF 再生特性的影响。结果表明：文章编号：1000-0925（2023）03-0055-08440033收稿日期：2022-10-19修回日期：2022-11-11基金项目：国家自然科学基金重点项目（51866004）Foundation Item：Key Project of National Natural Science Foundation of China（51866004）作者简介：陈贵升（1979），男，博士，主要研究方向为内燃机燃烧及后处理排放控制技术，E-mail：cgs_；杨 杰（通信作者），E-mail：。2023年第 3期内燃机工程极限碳载量下对称孔道结构（symmetrical cell technology，SCT）和非对称孔道结构（asymmetric cell technology，ACT）CDPF 最高温度峰值随着极限碳载量增加而上升，不同结构 CDPF 压降随着极限碳载量的增加而上升且差距明显。随着极限碳载量的升高，CDPF 载体温度及碳烟再生速率上升迅速且峰值明显增高。极限碳载量下，CDPF 压降及载体最高温度随着灰分量的增加而上升，不同结构 CDPF 压降特性差异较大，SCT 结构载体最高温度高于 ACT 结构，CDPF 碳烟再生速率随灰分量的增加先上升后下降，在灰分量高时碳烟再生速率上升快且峰值高。极限碳载量下，相同灰分分布系数的不同结构 CDPF 压降差距明显，SCT 结构压降整体高于 ACT 结构，不同结构 CDPF 碳烟再生速率和载体温度均随灰分分布系数的增加先上升后下降。关键词：柴油机；柴油机颗粒捕集器；极限碳载量；再生特性；灰分Key words：diesel engine；diesel particulate filter（DPF）；ultimate carbon load；regeneration characteristic；ashDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.03.007中图分类号：TK4740概述柴油车污染物排放是大气污染的重要来源1，大气中的细小颗粒物可以随着呼吸进入人体，对人体健康造成重大威胁2，柴油机颗粒物（particulate matter，PM）排放是同等排量汽油机的 30 倍80倍3。柴 油 机 颗 粒 捕 集 器（diesel particulate filter，DPF）是减少柴油 PM 排放最有效的技术，其过滤效率可达 95%4以上。DPF 孔道内碳饼层有助于提升 DPF 的过滤效率，但碳烟颗粒物的逐渐累积会导致发动机进气量减少、排气背压增大、缸内残余废气增多等问题，降低发动机的燃烧效率，影响发动机的动力性和经济性5。当颗粒物沉积导致载体负荷较高时，过高的温度会导致 DPF 载体烧损及催化剂失效6。文 献7中 基 于 计 算 流 体 力 学（computational fluid dynamics，CFD）软件的单通道燃烧模型，对高碳载量及催化剂活性强的催化型柴油颗粒捕集器（catalytic diesel particulate filter，CDPF）再生时内部再生情况进行了研究。文献 89 中通过模拟仿真分析了 DPF 压降随烟尘负荷的变化；文献 10 中通过试验台架进行了碳化硅 CDPF 再生温度试验，对不同碳载量下高温极限被动再生特性进行了研究。这些研究都观察了碳载量的增加对再生特性的影响，没有对初始碳载量较高的情况进行考虑。文献11 中为 DPF 设计了一种非对称堵漏布局，对非对称孔道结构（asymmetric cell technology，ACT）的压降特性进行了研究。文献 1213 中通过数值模拟对不同结构 DPF 的灰分沉积过程进行了研究，结果表明 ACT 结构 DPF 由于结构的特殊性可以提高载体承载碳烟和灰分的容量；文献 14 中研究了排气中氧气体积分数对 DPF 安全再生过程的影响，结果表明在载体材料安全温度和加载背压限值条件下可实现碳载量阈值拓展；文献 15 中通过对发动机进行降怠速不受控再生试验，以 DPF 的最高温度和热梯度评定载体碳载量极限，最终将 7 g/L 作为安全再生碳载量限值；文献 16 中对不同碳载量的 DPF进行降怠速再生试验，试验中降怠速工况下，碳化硅载体在碳载量为 12 g/L 时发生了损坏。这些研究均通过试验进行，很少有尝试通过数值模拟的形式对极限碳载量下的 CDPF 再生特性进行研究。目前，满足下一阶段排放法规柴油颗粒物捕集器正在朝着高孔密度、超薄壁和非对称结构方向发展17。已有研究主要是对 DPF 在不同结构不同碳载量下的压降特性、再生特性等进行研究，但对超过10 g/L 极限碳载量下 CDPF 的再生特性的研究较少。本 文 中 通 过 数 值 模 拟 对 某 高 压 共 轨 柴 油 机CDPF 建立 DOC+CDPF 后处理系统模型，研究了不同结构 CDPF 在极限碳载量下的再生特性及极限碳载量下不同灰分量、不同灰分分布系数对 CDPF后处理系统性能的影响，为下一阶段 CDPF 工程开发和选型提供一定的理论依据。1模型构建及验证1.1数学模型AVLFIRE 后处理模块能够模拟各种化学物理反应过程，这些模型模拟了元素内的流体流动、非均相化学反应、催化剂表面物质的吸附和解吸及非均相煤烟再生反应。通过数学模型求解气相中的连续性、动量、物种和能量平衡，结合固相能量守恒和 56内燃机工程2023年第 3期化学反应模型，可以得出求解时间和空间的详细结果，例如通道