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影響DPF再生因素的實驗研究

2020-01-06 22:38:39·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報  
　
柴油機(jī)以熱效率高、 燃油經(jīng)濟(jì)性好、 可靠性高和動力性強(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入口過渡段長度對碳黑沉積分布的影響，并基于外加熱源再生性能試驗臺架，研究過渡段長度、再生溫度和再生時間對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入口處添加不同長度的過渡段，使得碳黑在DPF內(nèi)部實現(xiàn)不同的沉積分布，其長度范圍為0～50 cm。圖2為DPF加載碳黑前、后的對比。通過改變過渡段的長度實現(xiàn)載體內(nèi)部不同的碳煙顆粒沉積分布。圖3為再生性能測試臺架示意。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?？諝饨?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)到試驗所設(shè)定的流量；再經(jīng)過電加熱器加熱，升到試驗設(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 再生時的溫度場和壓降變化數(shù)據(jù)由溫度傳感器和壓力傳感器測量，由采集程序進(jìn)行采集和控制，并在線顯 示和存儲。
圖1 碳黑加載裝置示意
圖2 DPF加載碳黑前、后對比
圖3 再生性能測試臺架示意
測點(diǎn)分布如圖4所示，選取K型熱電偶測試DPF內(nèi)部溫度，載體內(nèi)部共有 14 個溫度測點(diǎn)。直徑35mm處沿軸向均勻分布5個測點(diǎn)；在直徑為72、95和 120 mm處分別有3個測點(diǎn)，共個測點(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)部測試溫度示意(長度單位：mm)
 
02、過渡段長度對DPF再生性能的影響
采用不同過渡段長度(0～50cm)加載碳黑，進(jìn)行DPF再生試驗，試驗得到的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再生時內(nèi)部溫度場作為對比，如圖6所示。圖5中，無過渡段時DPF內(nèi)部出現(xiàn)溫度波峰，而50cm過渡段時，DPF內(nèi)所有測點(diǎn)均未出現(xiàn)溫度波峰。試驗發(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)過渡段長度為0時，DPF內(nèi)部最高溫度最大；當(dāng)過渡段長度為10～30cm時，隨著過渡段長度的增加，DPF再生過程中的溫度波峰逐漸減小當(dāng)過渡段長度增加到40 cm后波峰消失。圖6中，在加載碳黑時發(fā)現(xiàn)，無過渡段條件下加載碳黑時，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，碳黑在DPF內(nèi)部的沉積則相對均勻。DPF 再生時，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 過渡段長度對DPF內(nèi)部最高溫度的影響
圖6 過渡段長度對 DPF內(nèi)部溫度場的影響
過渡段長度對DPF再生性能的影響如圖7所示。當(dāng)過渡段長度為0和10cm時，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；隨著過渡段長度的增加，使得DPF內(nèi)部碳黑沉積逐漸趨于均勻，再生時無局部高溫出現(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流散熱速率兩方面因素決定，加載時隨著過渡段長度增加，DPF中心區(qū)域碳黑顆粒沉積量減少，使得DPF再生時顆粒氧化放熱速率減小。而來流流量不變，DPF再生過程中對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 過渡段長度對DPF再生性能的影響
 
03、過渡段長度固定時DPF的再生特性
入口過渡段的長度會在一定程度上影響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(過渡段長度為50cm時)的DPF再生特性進(jìn)行研究。
3.1再生溫度對DPF再生溫度場的影響
圖8為不同再生溫度對DPF再生溫度場的影響。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，載體內(nèi)部也未出現(xiàn)局部高溫。且在整個升溫和恒溫再生階段中， DPF內(nèi)部各測點(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 DPF溫度場的影響
3.2 再生溫度對 DPF 再生性能的影響
  圖9為再生溫度對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，再生效率達(dá)到93.6% 。DPF內(nèi)部碳黑沉積較為均勻時，再生溫度的增加使得碳黑氧化速率加快，相同時間內(nèi)有更多的碳黑燃燒釋放能量，從而再生效率增加。同時，其效能比也相應(yīng)增加。此外，525 ℃以上再生時有利于碳黑顆粒在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，同時使得溫度梯度也相應(yīng)增加。
圖9 再生溫度對DPF再生性能的影響
3.3 再生時間對DPF再生溫度場的影響
圖10為再生時間為250～3000s時的DPF內(nèi)部最高溫度。再生時間對DPF 壁面最高溫度無明顯影響，整個再生持續(xù)過程中未出現(xiàn)溫度波峰，且DPF內(nèi)部溫度場各個測點(diǎn)并未隨再生時間的增加出現(xiàn)明顯的波動?？梢?，在碳黑顆粒加載量一定且沉積分布均勻時，DPF內(nèi)部不會出現(xiàn)局部碳黑劇烈氧化燃燒的情況，無溫度波峰出現(xiàn)。
圖10 不同再生時間時的DPF內(nèi)部最高溫度
3.4 再生時間對DPF再生效率的影響
圖11為不同再生溫度時再生時間(250～3000s)對DPF的再生效率影響規(guī)律。當(dāng)再生溫度為500 ℃時，再生效率與再生時間近似呈線性關(guān)系。說明均勻沉積時，緩慢氧化條件下，DPF內(nèi)部的碳黑氧化再生效率與再生時間近似呈正比。當(dāng)再生溫度為525 ℃時，再生效率同樣隨再生時間增加而增加；在2500s 之后， 增長趨于平緩，再生效率達(dá)到了60% 以上。再生溫度為550 ℃時，再生時間為 1500s及以下時再生效率迅速增加，1500s 之后隨著再生時間的增加，增長趨于平緩；相比再生溫度為525 ℃，再生效率增長的時間拐點(diǎn)提前。當(dāng)再生溫度為 575 ℃時，再生效率的變化趨勢與550 ℃較為一致，在1000s 左右出現(xiàn)增長拐點(diǎn)，此時的再生效率已達(dá)到 93.6% ，繼續(xù)增加再生時間，對再生效率的影響不大。
圖11 不同再生溫度和再生時間對DPF再生效率的影響
 
04、結(jié)論
（1）隨著過渡段長度的增加， 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。
（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。
（3）碳黑沉積較為均勻時，再生時間的增加能夠在一定程度上提高再生效率；提高再生溫度將會出現(xiàn)再生時間拐點(diǎn)，且隨著再生溫度的增加，再生時間拐點(diǎn)提前 拐點(diǎn)之后繼續(xù)增加再生時間，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[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2019,37(04):329-336.
 
 
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