微粒捕集器分區(qū)域微波再生過程功率優(yōu)化

胡洋春，吳鋼,，李岳林，李宗霖，張健，馮仁華

(1.長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南長沙，410114；2.重慶理工大學汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶，400054)

微波再生是一種主要的微粒捕集器主動熱再生方法，因其具有再生效率高、加熱均勻、二次污染小等特點，近年來已成為柴油機微粒捕集器再生技術(shù)研究的熱點[1-3]。但微波加熱再生過程中的功率消耗較高，對車載電源的沖擊較大，因此，對影響微粒捕集器再生過程的關(guān)鍵參數(shù)進行識別，以降低再生微波功率消耗為目標對這些關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，對于提高再生效率、降低再生過程對車載電源的沖擊具有重要意義[4]。為解決微波再生過程對車載電源沖擊大的問題，龔金科等[5]提出了將過濾單元均分成若干個小過濾單元進行分區(qū)域微波再生的技術(shù)方案，這種再生方式不僅降低了微波再生能耗，而且實現(xiàn)了微粒捕集器的連續(xù)再生，是一種極具應(yīng)用前景的微粒捕集器再生方案[6]。影響微粒捕集器再生性能的因素較多，目前國內(nèi)外學者對其進行了一些相關(guān)研究。孟忠偉等[7-8]研究了載體材料、微粒特性等參數(shù)對微粒捕集器再生性能的影響，發(fā)現(xiàn)SOF(soluble organic fraction，可溶性有機成分)的碳黑更容易再生，且再生效率更高。李小華等[9]研究了混合氣流量、再生溫度、氧氣濃度等參數(shù)對再生過程中壁面峰值溫度、再生時間等的影響。左青松等[10]研究了鈰錳基催化劑的質(zhì)量濃度對微粒捕集器再生過程的影響，結(jié)果表明當催化劑的質(zhì)量濃度為20 mg/L時，再生速率更快，再生程度更高。張彬等[11]分析了微波功率、排氣溫度等因素對微粒捕集器的劣化性能的影響。E 等[12]分析了氣流流量、再生溫度、氧含量等因素對再生性能的影響，結(jié)果表明廢氣氧濃度對復(fù)合材料再生終點影響最大。GAO等[13]研究了不同工況條件下柴油機排氣參數(shù)對PM氧化活性的影響。DENG等[14]研究了微粒質(zhì)量、壓降等參數(shù)對再生平衡過程的影響。分區(qū)域微波再生微粒捕集器與傳統(tǒng)微粒捕集器在結(jié)構(gòu)上有較大差異，其再生過程的控制方式也有所不同[15]，因此，本文作者對該微粒捕集器再生過程的影響因素進行辨識，得到各關(guān)鍵參數(shù)對再生效率和微波功率消耗的影響規(guī)律。

1 微粒捕集器分區(qū)域微波再生模型

圖1所示為分區(qū)域微波再生微粒捕集器再生單元的結(jié)構(gòu)簡圖。對于該再生單元，其再生啟動的判定原則為：以排氣背壓、排氣流量、排氣中含氧量、燃油耗損量等參數(shù)作為微波再生過程的控制參數(shù)，當累計燃油耗損量達到設(shè)定值Δm燃油，排氣背壓達到設(shè)定值p1時，微波再生控制系統(tǒng)ECU控制步進電機并轉(zhuǎn)動角度β，同時發(fā)送信息給微波發(fā)生器使其開始工作；在再生過程中，根據(jù)排氣流量、排氣中含氧量等參數(shù)實時調(diào)節(jié)旁通閥的開度和微波源功率，控制過濾單元的峰值溫度，從而達到優(yōu)化再生的目的；當過濾單元內(nèi)的排氣背壓降到設(shè)定值p2時，則關(guān)閉微波發(fā)生器，再生過程結(jié)束[16]。

圖1 再生單元結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Simplified diagram of regeneration area

1.1 微粒捕集器分區(qū)域微波再生數(shù)學模型

1.1.1 能量守恒方程

根據(jù)微粒捕集器分區(qū)域微波加熱再生機理，可以得出其再生單元上固相的能量平衡方程為[17-18]：

式中：c為過濾體固體相的比熱容；ρ為過濾體固體相的密度；λ為當量熱導(dǎo)率；φ為碳煙微粒位置與水平面夾角；x和r為碳煙微粒在過濾體內(nèi)位置坐標；T為過濾體內(nèi)熱力學溫度，T=273+τ；τ為攝氏溫度；G(r,x,τ)為微粒的微波熱；S(r,x,τ)為再生過程中產(chǎn)生的燃燒熱。

1.1.2 質(zhì)量守恒方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時間內(nèi)氧氣的消耗質(zhì)量與碳煙微粒的減少質(zhì)量應(yīng)該滿足[19]：

式中：ρw為碳煙微粒層的堆積密度；ad為比表面積；w為碳煙微粒層厚度；K為化學反應(yīng)速率；uW為氣流在過濾體內(nèi)的速度；MO2和MC分別為單位過濾體內(nèi)氧氣質(zhì)量濃度和積碳量；E為反應(yīng)活化能；Yf為排氣中氧濃度；δ為常數(shù)，δ=0.8；Pr為普朗特常數(shù)。

1.1.3 固相平衡方程

假設(shè)再生過程中無微粒進入到再生單元內(nèi)，則再生單元上固相的平衡方程式可表示為[20]

其解為

式中：mc( )

τ為過濾單元內(nèi)剩余微粒質(zhì)量；mc0為過濾單元內(nèi)的微粒初始質(zhì)量；Rc為微粒的反應(yīng)速率。

1.1.4 其他方程

在再生過程中，過濾單元上的微粒在某一時刻燃燒放熱可表達為

式中：Hc為過濾體骨架與微粒之間的對流換熱系數(shù)；Hf過濾體與氣流之間的對流換熱系數(shù)；下標c和f分別表示被捕集微粒與過濾單元。

氣流在含有微粒物質(zhì)的過濾單元內(nèi)流動屬于內(nèi)部流動，二者的對流換熱通量H可表示為

式中：A為常數(shù)系數(shù)，A=1.149；Re為當?shù)乩字Z數(shù)；m和n為經(jīng)驗常數(shù)，m=-0.707，n=1；l為過濾單元長度。

過濾單元骨架與微粒之間的對流換熱系數(shù)Hc、過濾單元與氣流之間的對流換熱系數(shù)Hf可分別表示為：

式中：uc為微粒與固相之間的相對速度；uf為氣流與固相之間的相對速度；dp為過濾體平均微孔直徑；ν為運動黏度。

微波能量在穿過不同的有耗介質(zhì)過程中會產(chǎn)生不同程度的衰減，其基本規(guī)律可表示為

式中：P(x，r)為某時刻過濾體內(nèi)x截面處的微波功率分布；α為等效衰減常數(shù)，

α0為微粒的微波衰減常數(shù)；αs為過濾體骨架的微波衰減常數(shù)；ε為過濾體的孔隙率；ρc為微粒的表觀密度(kg/m3)。

1.2 微粒捕集器分區(qū)域微波再生模型的驗證

基于上述數(shù)學模型并結(jié)合該微粒捕集器再生過程的實際情況，進行如下假設(shè)：

1)考慮到過濾體內(nèi)捕集的大部分微粒均是碳煙成分，且其他成分的微?；罨阅茌^低，基本不參與反應(yīng)，因此，微粒再生過程的反應(yīng)僅涉及C+O2→CO2，2C+O2→2CO 和 C+CO2→2CO 這 3 個反應(yīng)，且均為一級反應(yīng)；

2)在再生過程中，過濾單元內(nèi)的各氣相組分均滿足理想氣體狀態(tài)方程，其比熱容為定值；

3)在微波再生過程中，過濾單元內(nèi)部與外部環(huán)境不會產(chǎn)生熱交換，邊界為絕熱邊界，各反應(yīng)物在絕熱狀態(tài)下進行反應(yīng)。

根據(jù)上述數(shù)學模型及假設(shè)，以通流式泡沫陶瓷作為過濾單元材料進行計算模擬。表1所示為微粒捕集器過濾體的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置情況[21-22]。

表1 主要參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of main parameters

計算域內(nèi)過濾介質(zhì)所占空間采用空度法確定，其速度與壓力的耦合關(guān)系采用SMPLEC算法確定。r為選取截面距離過濾體內(nèi)徑截面的厚度，R為過濾體的總厚度。選取r/R為0，0.25和0.50共3個截面的再生溫度變化對再生溫度變化進行驗證，圖2所示為過濾體內(nèi)壁溫度變化計算值與實驗值的對比情況。選取r/R為0，0.25和0.50這3個截面的微粒質(zhì)量變化進行驗證，圖3 所示為過濾單元在這3個截面上微粒質(zhì)量對比。

從圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)：模擬仿真得到的過濾單元內(nèi)再生溫度較實驗值略偏低，而過濾單元內(nèi)微粒質(zhì)量較實驗值略偏高。這可能是由于本文的數(shù)學模型假定氣流速度和微波能流密度在整個過濾單元橫截面上均勻分布，而在實際再生過程中，過濾單元邊緣處的氣流速度要低于中心軸線處氣流速度，這不僅會造成邊緣區(qū)域傳熱緩慢，而且會造成過濾單元邊緣供氧量不足，從而導(dǎo)致邊緣區(qū)域的再生較緩慢[23]。隨著計算次數(shù)不斷增加，過濾單元內(nèi)溫度、微粒質(zhì)量計算結(jié)果與實驗結(jié)果出現(xiàn)一定偏差，但是從整體來看，對過濾單元內(nèi)溫度、微粒質(zhì)量變化的預(yù)測值與實驗值基本吻合。通過計算并對數(shù)據(jù)進行擬合可得：過濾體內(nèi)壁面溫度計算值與實驗值平均相對誤差不超過10%，過濾體徑向方向上微粒質(zhì)量變化計算值與實驗值平均相對誤差不超過4%，表明所建立的微波再生數(shù)學模型能對過濾單元內(nèi)再生過程熱變化趨勢進行較準確預(yù)測。

圖2 再生過程中溫度變化計算值與實驗值對比結(jié)果Fig.2 Temperature comparison of calculated and experimental values during regenrration

圖3 再生過程中微粒沉積質(zhì)量計算值與實驗值對比結(jié)果Fig.3 Loaded particulares mass comparison of calculated and experimental values during regeneration

2 正交試驗設(shè)計及結(jié)果分析

2.1 正交試驗設(shè)計

進行正交試驗的目的主要是分析微波再生過程中關(guān)鍵參數(shù)對微波功率的影響程度，為最終實現(xiàn)再生過程控制參數(shù)的優(yōu)化、提高再生效率提供依據(jù)[24]。根據(jù)微波再生過程的工作原理，選擇孔隙率A、再生時間B、電機旋轉(zhuǎn)角C、排氣溫度D、氧流量E這5 個關(guān)鍵參數(shù)作為研究對象。表2 所示為所選考察對象的因素水平。

正交試驗實驗次數(shù)的公式為

式中：N為實驗次數(shù)；K為因素；M為水平數(shù)。由于本文研究的是五因素四水平的正交試驗，故選擇表3所示的正交表作為正交設(shè)計的方案。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述正交方案，將各因素水平代入微波再生模型進行計算，表4所示為正交方案及仿真結(jié)果。仿真計算在同種工況下進行。表4中，Y1為再生效率，Y2為功率消耗。

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

表3 正交方案的設(shè)計表Table 3 Design table of orthogonal scheme

2.2.1 以微波再生效率為評價指標

表5所示為以微波再生效率為評價指標的極差分析結(jié)果。極差越大，表明因素對再生效率的影響就越大。從表5可知不同參數(shù)對再生效率的影響權(quán)重由大到小依次為排氣溫度、氧流量、再生時間、電機旋轉(zhuǎn)角、孔隙率。排氣溫度對分區(qū)域微粒捕集器微波再生過程中再生效率的影響權(quán)重最大，這主要是因為柴油機的排氣溫度越高，導(dǎo)致沉積在過濾體內(nèi)的微粒初始溫度就越高，在再生過程中達到起燃溫度所需的時間就會縮短，所以，高排氣溫度使得微波再生效率大幅度提高。

表6所示為以再生效率為評價指標的最優(yōu)方案對比情況。從表6可以看出：對采用極差分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合進行仿真計算后，其再生效率為98.8%，而未經(jīng)優(yōu)化前的原再生效率為90.0%。最優(yōu)參數(shù)組合的再生效率比原來的再生效率提高了8.8%，表明通過正交實驗設(shè)計方法分析能夠較迅速地找到1個較優(yōu)方案。

圖4所示為不同水平條件下各因素對微波再生效率的影響。從圖4可知：當以再生效率為評價指標時，各參數(shù)水平最優(yōu)的組合為2—1—2—4—3，即孔隙率A、再生時間B、電機旋轉(zhuǎn)角C、排氣溫度D、氧流量E分別取值為0.6，3 min，36°，500 ℃和 0.15 kg·s-1。

2.2.2 以再生過程消耗的功率為評價指標

表7所示為以微波功率消耗為評價指標的極差分析結(jié)果。從表7可知不同參數(shù)對微波功率的影響權(quán)重由大到小依次為再生時間、電機旋轉(zhuǎn)角、排氣溫度、氧流量、孔隙率。顯然，再生時間對分區(qū)域微粒捕集器微波功率的影響最大，其次是排氣溫度。這主要是因為在其他條件穩(wěn)定的情況下，延長再生時間會使過濾體再生過程對功率的要求大幅度降低。而隨著排氣溫度不斷增加，達到過濾體內(nèi)沉積微粒起燃溫度所需的時間有所縮短，微粒的預(yù)熱時間也會縮短。因此，在再生過程中，可以適當?shù)亟档臀⒉üβ?，避免過濾單元內(nèi)的再生峰值溫度過高。

表8所示為以功率消耗為評價指標的最優(yōu)方案對比。從表8可知：對采用極差分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合進行仿真計算后，其微波功率平均消耗為72 W；而在原來的計算結(jié)果中，其功率消耗為100 W。最優(yōu)參數(shù)組合的功率消耗平均值降低28%，因此，采用最優(yōu)參數(shù)組合大幅度降低了再生過程中的微波功率消耗。

表4 正交方案及仿真結(jié)果Table 4 Orthogonal schemes and simulation results

表5 以微波再生效率為評價指標的極差分析結(jié)果Table 5 Range analysis results with regeneration efficiency as evaluation indexes

表6 以再生效率為評價指標的最優(yōu)方案對比Table 6 Comparison of optimal schemes with regeneration efficiency as evaluation indexes

圖4 不同水平條件下各因素對微波再生效率的影響Fig.4 Effect of various factors on microwave regeneration efficiency under different levels

圖5所示為不同水平條件下各因素對微波再生功率影響。從圖5可見：當以微波功率為評價指標時，各參數(shù)水平最優(yōu)的組合為2—4—1—4—2，即孔隙率A、再生時間B、電機旋轉(zhuǎn)角C、排氣溫度D、氧流 量E分別取值 為 0.6，7.5 min，30°，500 ℃和 0.1 kg·s-1。

表7 以功率消耗為評價指標的極差分析結(jié)果Table 7 Range analysis results with power consumptron as evaluation idexes

表8 以功率消耗為評價指標的最優(yōu)方案對比Table 8 Comparison of optimal solutions with power consumption as evaluation indexes

圖5 不同水平條件下各因素對微波再生功率影響Fig.5 Influence of various factors on microwave regenerative power under different levels

圖6 所示為各因素對再生過程評價指標的影響。由圖6可見：不論是以再生效率還是以再生過程中功率的耗損作為評價指標，孔隙率A、排氣溫度D這2 個影響因素都能夠在同一水平下滿足要求，而再生時間B、電機旋轉(zhuǎn)角C、氧流量E只有在不同水平下才能滿足要求；當排氣溫度不超過400 ℃時，對微波再生功率的影響并不明顯，但當排氣溫度從400 ℃上升到500 ℃時，微波功率的消耗明顯減小。其原因主要是此時的排氣溫度更接近微粒自身起燃溫度，能夠大大地縮短微粒的起燃時間，進而減少再生過程微波能量的耗損。

圖6 各因素對再生過程評價指標的影響Fig.6 Effects of various factors on evaluation indexes of regeneration process under different levels

3 結(jié)論

1)過濾體內(nèi)尾氣的初始溫度越高，再生速率越快，效率越高，耗損的微波功率越少，尤其是當過濾體尾氣初始溫度超過700 K時，過濾體再生過程的預(yù)熱時間明顯縮短。

2)隨著微波再生時間增加，微波功率耗損的最大值也不斷減小。當再生時間由7.5 min 減至3.0 min 時，再生過程中功率消耗的最大值增大2.1倍。

3)通過正交試驗設(shè)計方法分析得出的分區(qū)域微波再生微粒捕集器最優(yōu)參數(shù)組合，其再生效率提高9.8%，功率消耗的平均值降低28%。

4)本文的研究結(jié)果不僅能夠為分區(qū)域微波再生微粒捕集器的微波再生功率控制提供理論依據(jù)，而且能為其他類型微粒捕集器的主動再生過程控制提供參考。