瞬態(tài)工況下DPF溫度特性的數(shù)值分析

李小華， 程靜峰, 仇 滔， 岳廣照

(1. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124； 3. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

柴油機(jī)因具有輸出功率大、燃燒效率高、燃油經(jīng)濟(jì)型好等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[1].然而柴油機(jī)的顆粒物(PM)排放是同等排量汽油機(jī)的30～80倍[2]，極大危害了環(huán)境，因而研究如何降低柴油機(jī)PM排放具有重要意義.柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)是全球公認(rèn)的最有效的減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)微粒排放的后處理裝置，其捕集效率超過(guò)90%[3-4]，可以極大地降低柴油機(jī)的PM排放.常用的DPF通過(guò)將排氣中的顆粒物捕集在過(guò)濾器壁面上來(lái)清除顆粒[5].但使用過(guò)程中顆粒物的不斷累積會(huì)導(dǎo)致排氣溫度積聚，陡峭的溫度梯度容易造成熱應(yīng)力失效，破壞DPF結(jié)構(gòu)[6].已知DPF的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)引起內(nèi)部溫度場(chǎng)變化[7]，同時(shí)，加載過(guò)程所處的工況環(huán)境以及顆粒物沉積量對(duì)內(nèi)部的溫度分布有重要影響，通過(guò)對(duì)DPF內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行探究，可以最終達(dá)到優(yōu)化溫度分布、降低熱應(yīng)力極值的目的.目前，DPF溫度特性的研究主要集中于再生過(guò)程，對(duì)加載過(guò)程的研究較少，且DPF溫度模型研究主要集中于固體導(dǎo)熱方法[8-9]，關(guān)于氣體與固體之間的對(duì)流傳熱方法研究較少.費(fèi)騰等[10]建立了DPF的三維仿真模型，分析了再生條件下DPF載體內(nèi)溫度梯度的分布.文獻(xiàn)[8]基于一維進(jìn)出口通道之間的二維離散化建立了蜂窩壁流式DPF的傳熱模型，并將該模型應(yīng)用于具有高熱導(dǎo)率載體的設(shè)計(jì)與分析中.文獻(xiàn)[9]采用準(zhǔn)一維模型研究了直徑、長(zhǎng)度和孔密度對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下再生過(guò)程中DPF最高溫度的影響.

文中基于上述研究成果，采用有限元原理建立基于瞬態(tài)工況對(duì)流傳熱方法的DPF軸向溫度計(jì)算模型，分析來(lái)流流量、載體目數(shù)(CPSI)、載體長(zhǎng)度、顆粒物沉積量對(duì)DPF軸向溫度的影響規(guī)律，在保證結(jié)果準(zhǔn)確度較高的前提下提高運(yùn)算速度，從而為優(yōu)化DPF結(jié)構(gòu)，降低DPF熱損壞風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)DPF使用壽命，進(jìn)一步深入研究DPF工作特性提供參考.

1 模型假設(shè)及建立

1.1 模型假設(shè)

① 忽略孔道間形狀及流體流動(dòng)的不一致性[11].② 忽略氣體分子間的相互作用，將DPF內(nèi)氣體認(rèn)為是理想氣體[12].③ 忽略DPF孔道內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，忽略與外部環(huán)境的熱交換[13].④ 忽略DPF內(nèi)部氧化反應(yīng)放熱過(guò)程，將DPF簡(jiǎn)化為無(wú)源的物理捕集器.⑤ 忽略顆粒物在DPF孔道內(nèi)沉積的不一致性，認(rèn)為顆粒物在孔道內(nèi)均勻分布[11].

1.2 DPF溫度分析建模

1.2.1DPF軸向氣體溫度建模

DPF為前后交替封堵的孔道結(jié)構(gòu)[14]，氣流流入DPF孔道時(shí)，除了沿孔道軸向運(yùn)動(dòng)，還經(jīng)四周壁面向相鄰孔道滲透.由于單個(gè)DPF孔道的尺寸較小，軸向距離遠(yuǎn)大于徑向距離，因此氣流在DPF內(nèi)部的流動(dòng)可視為一維管道流動(dòng).排氣由DPF入口向出口的流動(dòng)過(guò)程使得DPF軸向呈現(xiàn)連續(xù)的熱量傳遞過(guò)程，然而不同軸向位置在不同時(shí)刻又保持相對(duì)獨(dú)立的溫度分布，整個(gè)溫度傳遞過(guò)程符合有限元方法的基本原理，因此文中利用有限元方法建立DPF軸向溫度模型.

將DPF沿軸向均勻切分為9個(gè)片區(qū)，分層結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，單個(gè)孔道結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.其中空白處為孔道氣體流通面積區(qū)域，用Ag表示，陰影為固體橫截面區(qū)域，用Aw表示.

圖1 DPF軸向分層結(jié)構(gòu)圖

圖2 單個(gè)孔道結(jié)構(gòu)圖

氣體流動(dòng)過(guò)程中氣體溫度隨移動(dòng)距離變化，孔道內(nèi)氣體溫度求解公式[15]如下：

(1)

式中：Tg表示DPF孔道內(nèi)氣體溫度，K；x表示片區(qū)長(zhǎng)度，m；h表示氣體與載體之間的對(duì)流傳熱系數(shù)，W·(m2·K)-1；C表示單個(gè)孔道橫截面周長(zhǎng)，m；ρg表示氣體密度，kg·m-3；Ag表示單個(gè)孔道內(nèi)氣體流通橫截面積，m2；cp,g表示氣體定壓比熱容，kJ·(kg·K)-1；v表示氣體流速，m·s-1；Tw表示載體溫度，K.

氣體溫度因?qū)α鱾鳠岫淖?，為得到同一時(shí)刻不同片區(qū)內(nèi)的氣體溫度，運(yùn)用隱式歐拉法對(duì)式(1)進(jìn)行空間離散，得到軸向各測(cè)點(diǎn)的氣體溫度方程如下：

(2)

1.2.2DPF載體溫度場(chǎng)建模

DPF內(nèi)部氣體損失內(nèi)能溫度逐漸降低，而DPF載體因?yàn)榈玫絻?nèi)能導(dǎo)致溫度升高，且隨作用時(shí)間不同，氣體與載體之間的傳熱強(qiáng)度逐漸變化，DPF載體的溫度求解公式如下：

(3)

式中：ρw表示DPF載體密度，kg·m-3；Aw表示DPF單個(gè)孔道固體橫截面積，m2；cw表示DPF載體比熱容，kJ·(kg·K)-1.

為得到單一片區(qū)內(nèi)不同時(shí)刻的載體溫度，通過(guò)顯式歐拉法對(duì)式(3)進(jìn)行時(shí)間離散，離散后載體溫度方程如下：

(4)

1.2.3對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中工況變化范圍較廣，對(duì)應(yīng)的排氣流量，排氣溫度大幅度變化，這些變化都將影響兩個(gè)求解方程中對(duì)流傳熱系數(shù)，因此需要對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)h進(jìn)行推導(dǎo)求解.在流體力學(xué)中，通常用雷諾數(shù)Re表示流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將試驗(yàn)工況的相關(guān)參數(shù)計(jì)算雷諾數(shù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值小于臨界雷諾數(shù)Rec=2 300，可以確定氣體在DPF內(nèi)部孔道的流動(dòng)屬于層流狀態(tài).根據(jù)齊德-泰勒公式可知，在層流狀態(tài)下，努塞爾數(shù)Nu用式(5)表示，對(duì)流傳熱系數(shù)h如式(6)所示.

(5)

(6)

式中：Nuf和Ref表示定性溫度下的努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)，定性溫度為流體的平均溫度；l表示DPF各片區(qū)長(zhǎng)度，m；d為特征長(zhǎng)度，在此為孔道當(dāng)量直徑，m；Pr為普朗特?cái)?shù)；μ為動(dòng)力黏度，kg·(m·s)-1，下標(biāo)f和w分別表示流體平均溫度及壁面溫度；λ表示流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1.

2 模擬仿真試驗(yàn)

2.1 仿真模型

圖3為Simulink仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖.模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，氣體溫度求解方程和載體溫度求解方程均由入口向出口求解.各片區(qū)通過(guò)氣體溫度相連接，上一片區(qū)氣體出口溫度為下一個(gè)片區(qū)的氣體入口溫度.初始第一片區(qū)的氣體溫度為DPF入口處溫度傳感器采集到的溫度，初始載體溫度為環(huán)境溫度.

圖3 Simulink仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 模型驗(yàn)證

為了保證模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確程度，需要對(duì)DPF溫度模型進(jìn)行驗(yàn)證.試驗(yàn)選用的DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)：載體材料為堇青石；目數(shù)200目；壁厚0.32 mm；直徑260 mm；長(zhǎng)度270 mm；體積14.3 L.在DPF內(nèi)部中心軸等距布置9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)獲取內(nèi)部溫度，每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖1中相應(yīng)片區(qū)的中心點(diǎn).選用的試驗(yàn)工況為典型的加速和減速過(guò)程，具體的變化過(guò)程如下：從A25工況(1 213 r·min-1,330 N·m)升至B75工況(1 825 r·min-1,1 022 N·m)再降至A25工況，測(cè)試持續(xù)時(shí)間為500 s，初始碳煙量為0.

DPF溫度模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖4所示.在溫度上升過(guò)程，DPF前端、中部及后端位置模擬值與試驗(yàn)值吻合程度較高，最大誤差為8.1 K；在溫度下降過(guò)程，3個(gè)位置模擬值與試驗(yàn)值吻合程度較差，溫度誤差在12.5 K左右，且集中于溫度下降初始階段，在溫度下降后期吻合性較好.從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值溫度下降速度要快于試驗(yàn)值溫度下降速度，這是由于模型忽略了DPF載體自身的固體熱慣性，將DPF載體溫度的連續(xù)下降簡(jiǎn)化為瞬時(shí)下降，縮短了溫度變化時(shí)間.由于在初始階段，氣體與載體溫差較大傳熱較強(qiáng)，載體降溫速率較大，因此僅在起始位置誤差較大，在后期誤差逐漸縮小.模擬值與試驗(yàn)值基本吻合，最大數(shù)據(jù)誤差在10%以內(nèi)，認(rèn)為建立的溫度模型能夠反映DPF溫度的實(shí)際情況.

圖4 DPF溫度模型計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用仿真模型研究各個(gè)因素對(duì)DPF軸向溫度的影響規(guī)律.仿真可變參數(shù)為：流量173～1 072 kg·h-1；載體孔目數(shù)100～300目；載體長(zhǎng)度270～360 mm；顆粒物沉積量1～8 g·L-1.通過(guò)分析相關(guān)表征參數(shù)，得到DPF載體溫度特性的評(píng)價(jià).將模型的9個(gè)片區(qū)編號(hào)為1#-9#，入口端為1#，出口端為9#，定義1#與9#達(dá)到相同溫度之間的最大遲滯時(shí)間為tmax.軸向相鄰片區(qū)之間溫度差與間距的商為軸向溫度梯度，用(dT/dx)i-j表示，其中i表示前一片區(qū)編號(hào)，j表示后一片區(qū)編號(hào).圖5顯示了DPF軸向各區(qū)域溫度梯度變化.由圖5可知，(dT/dx)1-2的軸向溫度梯度曲線最高，可推斷，DPF載體因熱沖擊造成結(jié)構(gòu)破壞多發(fā)生于入口處，此結(jié)論與費(fèi)騰等[10]研究較為一致，因此文中取tmax、(dT/dx)1-2進(jìn)行溫度特性分析.由于載體升溫過(guò)程和降溫過(guò)程原理類似，且升溫過(guò)程的最大溫度梯度高于降溫過(guò)程，為降低測(cè)試點(diǎn)密度，增強(qiáng)圖表可讀性，后續(xù)試驗(yàn)僅探究升溫過(guò)程載體的溫度特性.

圖5 DPF軸向各區(qū)域溫度梯度

3.1 流量對(duì)DPF載體溫度特性的影響

在來(lái)流流量分別為173、371、587、813和1 072 kg·h-1，入口溫度從438 K升至677 K，初始碳煙量為0條件下，模擬DPF加熱過(guò)程.不同流量下載體溫度和升溫速率的變化情況如圖6所示.由圖6a可知，來(lái)流流量由173 kg·h-1增加至1 072 kg·h-1，9#溫度-時(shí)間曲線逐漸向前推移，tmax由41 s降低至14 s且下降速率逐漸減小.這是因?yàn)檩d體溫度升高來(lái)自于排氣的熱量傳遞，在排氣進(jìn)入載體的初始時(shí)刻，排氣與載體的溫差達(dá)到最大，對(duì)流傳熱最強(qiáng)，載體升溫速率最大；隨著載體溫度升高，排氣與載體之間溫差降低，對(duì)流傳熱減弱，載體升溫速率逐漸減少，當(dāng)排氣與載體溫度相等時(shí)，對(duì)流傳熱近似為0，升溫速率趨近于0，導(dǎo)致載體的溫度-時(shí)間曲線為一條持續(xù)上升且上升速率逐漸減少的曲線.排氣從入口至出口的沿程不斷發(fā)生熱交換，到達(dá)出口時(shí)與載體溫差達(dá)到最低，對(duì)流傳熱最弱，升溫速率最低，載體入口和出口雖然在同一起始點(diǎn)開始升溫，但是入口升溫速率大于出口，導(dǎo)致升溫曲線存在滯后.然而，流量的增加只能加快載體升溫，無(wú)法改變載體入口先受熱升溫，后端再受熱升溫的整體順序，即增大流量并不能使載體各部分同步升溫，必然存在遲滯時(shí)間和軸向溫度梯度.因此當(dāng)流量持續(xù)增加，tmax的下降速率不斷減小并向0趨近.由圖6b可知，在第50 s時(shí)，9#的升溫速率隨來(lái)流流量增加而增加，這是由于來(lái)流流量增加導(dǎo)致氣體流速加快，對(duì)流傳熱增強(qiáng)，載體升溫速率增加；在第100 s至150 s內(nèi)，9#的升溫速率隨流量的增加而減小，原因是前期載體溫度快速上升導(dǎo)致溫差降低，對(duì)流傳熱減弱，升溫速率減少；在第200 s之后，9#的升溫速率達(dá)到近似相等的水平并漸趨近于0，這是因?yàn)檩d體完成整體的升溫過(guò)程，與氣體溫差進(jìn)一步降低，對(duì)流傳熱持續(xù)減弱并最終趨于0.

圖6 不同流量下溫度及升溫速率隨時(shí)間的變化

不同流量下載體入口處溫度梯度變化如圖7所示.由圖7可知，(dT/dx)1-2曲線在升溫初始時(shí)刻迅速上升，在第44 s附近達(dá)到最高點(diǎn)，之后以較快的速度下降，且隨時(shí)間增加下降速率逐漸減少，靠近350 s時(shí)趨近于0.這是因?yàn)樵谏郎爻跏紩r(shí)刻，載體入口受到高溫排氣直接熱沖擊，氣體與載體之間的強(qiáng)烈溫差使得對(duì)流傳熱顯著增強(qiáng)，載體入口升溫迅速，后續(xù)載體沒有直接遭受高溫沖擊，對(duì)流傳熱相對(duì)溫和，升溫速率較慢，導(dǎo)致入口載體和后續(xù)載體在初始時(shí)刻形成較大溫度梯度.隨著時(shí)間增加，入口載體與氣體溫差減小，對(duì)流傳熱減弱，后續(xù)載體對(duì)流傳熱增強(qiáng)，溫度升高且升溫速率增加，軸向溫差減小，導(dǎo)致溫度梯度逐漸降低并趨向于0.來(lái)流流量為173、371、587、813和1 072 kg·h-1時(shí)，(dT/dx)1-2極值分別為1 449.62、1 082.29、875.94、740.75和635.00 K·m-1，最大降幅達(dá)到56.2%.隨來(lái)流流量增加，(dT/dx)1-2極值降低且下降速率不斷減少，持續(xù)時(shí)間減少，上述結(jié)論與孟忠偉等[16]的研究較為一致，根據(jù)研究顯示，流量增加使得載體溫度梯度呈下井趨勢(shì)，有助于載體傳熱.這是由于增加流量加速了載體孔道內(nèi)氣體流動(dòng)，對(duì)后續(xù)載體對(duì)流傳熱的增強(qiáng)作用尤為顯著，使載體升溫加速，降低溫度梯度，減少溫度梯度的持續(xù)時(shí)間.通過(guò)研究不同流量對(duì)DPF溫度特性的影響可知，流量增加提高了氣體的流速，增加了熱量的基數(shù)，從而加劇了對(duì)流傳熱，導(dǎo)致載體在更快的升溫速率下完成升溫過(guò)程.因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇合理的排氣流量，盡可能降低DPF升溫的遲滯時(shí)間，從而加速整個(gè)載體的升溫過(guò)程使DPF盡快達(dá)到熱平衡狀態(tài)，減小DPF受到的熱應(yīng)力沖擊，改善后處理系統(tǒng)可靠性.

圖7 不同流量下溫度梯度隨時(shí)間變化

3.2 孔目數(shù)對(duì)DPF載體溫度特性的影響

設(shè)定DPF孔目數(shù)分別為100、150、200、250和300目，排氣流量恒為173 kg·h-1，模擬DPF加熱過(guò)程，如圖8所示.由圖8a上圖可知，孔目數(shù)由100增加至300目,tmax由52 s降低至32 s，遲滯時(shí)間線性降低.這是因?yàn)榭啄繑?shù)增加使得載體的過(guò)濾面積成倍增加，同等加熱條件下載體更容易快速升溫，傳熱性能線性增強(qiáng)，加速升溫過(guò)程.由圖8b可知，在第50 s時(shí)，300目DPF載體升溫速率最高，100目載體升溫速率最低，升溫速率隨孔目數(shù)增加而增加；在第100 s至第250 s范圍內(nèi)，升溫速率變化規(guī)律相反，孔目數(shù)越高，升溫速率越低；在第250 s之后各載體升溫速率差別較小.隨著時(shí)間增加，升溫速率隨孔目數(shù)變化由增加變?yōu)闇p少，這是由于孔目數(shù)較多的載體更早完成快速加熱過(guò)程，載體溫度已升至較高水平，此時(shí)孔目數(shù)較少的載體處于快速升溫階段，因此載體孔目數(shù)與升溫速率呈反向關(guān)系.在250 s之后，各載體溫度均達(dá)到較高水平，升溫速率相差不大.

不同孔目數(shù)下載體入口處溫度梯度變化如圖9所示.由圖9可知，隨著孔目數(shù)由100目增加至300目，(dT/dx)1-2極值分別為1 619.32、1 531.66、1 465.89、1 398.65和1 326.43 K·m-1，呈線性下降趨勢(shì)且持續(xù)時(shí)間減少.這是由于載體孔目數(shù)增加，過(guò)濾面積線性增加，相同時(shí)間有更多內(nèi)能由氣體傳遞至載體，加熱入口的同時(shí)更加快速地加熱后續(xù)載體，導(dǎo)致載體溫差減小，溫度梯度線性降低；同時(shí)傳熱加快也使溫度在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，使溫度梯度持續(xù)時(shí)間減少.通過(guò)研究載體孔目數(shù)對(duì)DPF溫度特性的影響可知，增加孔目數(shù)有利于減少載體溫度梯度，加速載體傳熱，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡可能增加載體的孔目數(shù)或者增加單個(gè)孔道的孔徑尺寸，從而增加DPF氣體流通面積和傳熱效率，減小再生頻率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性.

圖8 不同孔目數(shù)下溫度及升溫速率隨時(shí)間變化

3.3 長(zhǎng)度對(duì)DPF載體溫度特性的影響

在DPF長(zhǎng)度分別為270、360、450、540和630 mm，排氣流量恒為173 kg·h-1，孔目數(shù)恒為200目條件下模擬DPF溫度變化，如圖10所示.由圖10a可知，載體長(zhǎng)度由270 mm增加至630 mm，tmax由42 s線性增加至53 s，從局部放大圖上可更直觀地看到上述變化.原因是載體長(zhǎng)度增加導(dǎo)致體積和總質(zhì)量增加，達(dá)到相同的目標(biāo)溫度需要更多的內(nèi)能，軸向?qū)α鱾鳠釡p弱，且載體長(zhǎng)度增加導(dǎo)致氣體流通距離變長(zhǎng)，導(dǎo)致在氣體在孔道內(nèi)的遲滯時(shí)間線性增加.由圖10b可知，在第50 s時(shí)，升溫速率隨載體長(zhǎng)度增加而減少；在第100 s至第200 s范圍內(nèi)，升溫速率隨載體長(zhǎng)度增加而增加；在第250 s之后，各載體升溫速率基本相同.原因是在初始時(shí)刻，長(zhǎng)度越長(zhǎng)的載體擁有更長(zhǎng)的片區(qū)長(zhǎng)度及更大的片區(qū)質(zhì)量，同等傳熱條件下升溫幅度低于長(zhǎng)度較小載體，因此在初始時(shí)刻升溫速率隨載體長(zhǎng)度增加而減少；在第100 s至200 s范圍內(nèi)，長(zhǎng)度較長(zhǎng)的載體擁有更大的溫差和更快的傳熱速率，導(dǎo)致升溫速率趨勢(shì)相反；250 s之后各載體升溫速率放緩差異較小，此時(shí)主要受較小溫差影響.

不同長(zhǎng)度下載體入口處溫度梯度變化如圖11所示.由圖11可知，隨載體長(zhǎng)度增加，(dT/dx)1-2極值降低且下降速率逐漸減少，溫度梯度的持續(xù)時(shí)間變化較小.這一結(jié)果與孟忠偉等[17]研究結(jié)果相一致，根據(jù)研究顯示，增加載體長(zhǎng)度有利于吸收溫度能量，使得載體內(nèi)部能量傳遞區(qū)域緩慢，降低溫度梯度.這是因?yàn)檩d體長(zhǎng)度增加，體積和過(guò)濾面積相應(yīng)增大，總質(zhì)量增加.載體前端在遭受熱沖擊時(shí)可將熱量分散在更大的接觸面積，降低與后續(xù)載體之間的溫差，降低溫度梯度.但增加載體長(zhǎng)度與4.1節(jié)所述增加排氣流量相同，都無(wú)法改變載體先前端升溫再后端升溫的順序，無(wú)法達(dá)到載體各處同時(shí)升溫，因此(dT/dx)max的下降速率逐漸減少.當(dāng)載體長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，更低的傳熱速率避免較大的溫度梯度，同時(shí)也導(dǎo)致后續(xù)載體因長(zhǎng)度增加而延長(zhǎng)溫度梯度持續(xù)時(shí)間；當(dāng)載體長(zhǎng)度較短時(shí)，雖然遭受熱沖擊時(shí)溫度梯度急劇上升，但后續(xù)載體傳熱速度快，升溫速率高，縮短了溫度梯度的持續(xù)時(shí)間，因此載體長(zhǎng)度對(duì)溫度梯度持續(xù)時(shí)間影響較小.通過(guò)研究載體長(zhǎng)度對(duì)DPF溫度特性的影響可知，DPF的長(zhǎng)度對(duì)溫度特性影響很大，因此在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)當(dāng)在空間布局合理的情況下選擇合適的DPF長(zhǎng)度，從而減少載體的升溫速率，對(duì)減緩DPF入口熱沖擊破壞，延長(zhǎng)使用壽命有很大作用，但增大的遲滯時(shí)間不利于控制策略的快速響應(yīng)和反饋調(diào)節(jié).

圖11 不同長(zhǎng)度下溫度梯度隨時(shí)間變化

3.4 顆粒物負(fù)載量對(duì)DPF載體溫度影響

不同顆粒物沉積量下載體溫度和升溫速率變化如圖12所示.

圖12 不同沉積量下溫度及升溫速率隨時(shí)間變化

由圖12a可知，當(dāng)顆粒物沉積量分別為0、1.0、2.2、4.0和8.0 g·L-1時(shí)，tmax分別為42、44、47、51和56 s，整體的遲滯時(shí)間呈增加狀態(tài)，從右側(cè)放大圖上可以更加清晰地看出增加趨勢(shì)，說(shuō)明顆粒物沉積量與前后端遲滯時(shí)間具有正相關(guān)性.由圖12b可知，在升溫初始時(shí)刻，隨負(fù)載量增加升溫速率減少；在100 s至200 s范圍內(nèi)升溫速率隨負(fù)載量增加而增加；在200 s后，各負(fù)載量下載體升溫速率近似相等.這是由于當(dāng)負(fù)載量增加時(shí)，載體壁面碳煙層厚度增加且孔道尺寸發(fā)生變化，DPF壁面可通過(guò)性降低，壁面過(guò)濾速度總體降低，氣流流動(dòng)受阻，對(duì)流傳熱減弱，最終導(dǎo)致遲滯時(shí)間增加.這個(gè)結(jié)論與S.BENSAID等[18]的研究較為一致.根據(jù)S.BENSAID等[18]以及M.A. MOKHRI等[19]的研究顯示，當(dāng)DPF內(nèi)部碳載量增加時(shí)，DPF入口端和出口端的氣體滲流速度逐漸下降，中部區(qū)域的氣體滲流速度逐漸上升，沿DPF軸向滲流速度分布將變得更加平坦，但總體速度下降.由于模型中假設(shè)顆粒物在孔道中均勻平鋪，整體厚度較小，對(duì)氣體流動(dòng)的阻礙作用有限，導(dǎo)致各負(fù)載量遲滯時(shí)間差異較小.

不同負(fù)載量下載體入口處溫度梯度變化如圖13所示.由圖可知，當(dāng)顆粒物沉積量為0、1.0、2.2、4.0和8.0 g·L-1時(shí)，(dT/dx)1-2極值分別為1 465.88、1 478.62、1 493.24、1 521.16和1 621.21 K·m-1，呈指數(shù)型上升趨勢(shì)，且溫度梯度持續(xù)時(shí)間小幅上升.原因是顆粒物沉積量增加降低DPF壁面滲透率，延長(zhǎng)了氣體在載體內(nèi)部的滯留時(shí)間，同時(shí)降低傳熱速率，使熱量在載體內(nèi)部出現(xiàn)積聚，引起溫度梯度上升.當(dāng)顆粒物沉積達(dá)到極限，即孔道完全堵塞時(shí)，熱量將被限制在孔道內(nèi)無(wú)法向后續(xù)載體傳遞，溫度積聚在此時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，溫度梯度在短時(shí)間內(nèi)會(huì)大幅度上升接近甚至超過(guò)載體可承受最大溫度梯度限值，因此(dT/dx)1-2極值隨著顆粒物沉積量的增加上升速率不斷增加.因而顆粒物沉積量對(duì)DPF溫度特性有很大影響，顆粒物的累積會(huì)明顯提高溫度梯度極值，增強(qiáng)內(nèi)部溫度積聚作用，造成DPF熱應(yīng)力破壞隱患.在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)DPF局部區(qū)域負(fù)載量較大時(shí)，會(huì)引起對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫度梯度增加，但對(duì)整體的壓降沒有太大影響，如果繼續(xù)負(fù)載直到壓降到達(dá)限值時(shí)進(jìn)行再生操作，顆粒物阻塞的區(qū)域會(huì)在再生過(guò)程中產(chǎn)生陡峭的溫度梯度，在整體壓降滿足再生條件下造成熱應(yīng)力破壞.因此，可根據(jù)模擬的試驗(yàn)結(jié)果反向推斷出DPF的局部顆粒物沉積程度，進(jìn)而制定更加準(zhǔn)確的再生策略.

圖13 不同沉積量下溫度梯度隨時(shí)間變化

4 結(jié) 論

1) 提高來(lái)流流量，遲滯時(shí)間tmax和軸向溫度梯度極值下降且下降速率減少.增加入口流量能夠增強(qiáng)對(duì)流傳熱，大幅加速DPF的升溫過(guò)程，減小載體前后端升溫的遲滯時(shí)間和內(nèi)部的溫度梯度，但增加流量只能減緩DPF受到的熱沖擊，無(wú)法消除熱沖擊引起的溫度梯度和遲滯時(shí)間.

2) 增加載體孔目數(shù)，遲滯時(shí)間tmax和軸向溫度梯度極值均線性降低.增加DPF載體孔目數(shù)有助于加速載體升溫，促進(jìn)溫度分布均勻，線性降低DPF前后端升溫遲滯時(shí)間和溫度梯度，對(duì)減小DPF再生頻率，延長(zhǎng)DPF使用壽命有很大作用.

3) 增加載體長(zhǎng)度，遲滯時(shí)間tmax線性增加，軸向溫度梯度極值降低且速率減少.DPF長(zhǎng)度對(duì)DPF溫度特性影響較大，增加DPF長(zhǎng)度有利于減小載體升溫速率，降低內(nèi)部的溫度梯度，減緩DPF入口熱沖擊破壞；但較小的升溫速率延長(zhǎng)了遲滯時(shí)間，不利于使用過(guò)程中控制策略的快速響應(yīng)和反饋調(diào)節(jié).

4) 增加顆粒物沉積載量，遲滯時(shí)間tmax上升，軸向溫度梯度極值呈指數(shù)上升.顆粒物沉積對(duì)DPF溫度特性有很大影響，顆粒物負(fù)載量增加對(duì)遲滯時(shí)間的影響較小，但會(huì)導(dǎo)致溫度梯度快速上升，增加DPF使用過(guò)程中熱損壞的風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)溫度特性可反應(yīng)DPF局部區(qū)域的負(fù)載情況，進(jìn)而反向推斷出DPF內(nèi)部顆粒物的沉積量，確定更加準(zhǔn)確的再生時(shí)刻.