一种等比例放大DPF孔道内积碳层运动可视化实验台及试验方法

一种等比例放大dpf孔道内积碳层运动可视化实验台及试验方法
技术领域
1.本发明涉及发动机尾气净化领域，具体涉及一种等比例放大dpf孔道内积碳层运动可视化实验台及试验方法。


背景技术：

2.柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，dpf）是控制发动机颗粒物排放的主要技术手段，能捕集发动机排气中95%以上的颗粒物。在dpf狭长的孔道中，颗粒物受曳力、重力及布朗力的作用在多孔介质壁面沉积，并随着捕集进程的推移，形成厚度、形状各异的碳积层（soot cake），极易使dpf孔道堵塞，从而造成dpf背压急剧升高，进一步降低发动机的动力性能和燃油经济性。
3.由于dpf内部受排气流高温的影响，导致孔道内部碳烟生成积碳层（soot cake）的时机难以掌控。dpf对颗粒的捕集过程可分为深床期、过渡期及积碳层期。排气流中的颗粒受曳力、重力及布朗力的作用，在碳积层期形成厚度、形状等不尽相同的积碳层。在dpf狭长的孔道中，沉积的积碳层受再生与排气流动的影响会发生运动，极易造成孔道前、中段堵塞，大大降低了废气流进入的通道剩余部分，会导致整个后处理系统的压降显著增加，造成发动机的燃油经济性损失，并随着时间的推移降低烟尘的有效存储容量。并且，积碳层在孔道壁面的沉积与分布形态直接影响着dpf的捕集和再生效率。另外由于dpf的孔道细小且狭长，其内部积碳层的运动形态难以被观测。因此，国内外多数研究者退而求其次，切割部分dpf样品，利用显微镜等设备观察孔道内碳烟沉积过程；部分研究人员也仅仅对积碳层的结构和厚度进行分析。基于上述特质，对积碳层在孔道内部运动过程及其分布特性进行研究显得极为重要。
4.

技术实现要素：

5.针对背景技术中存在的问题，本发明提出了一种等比例放大dpf孔道内积碳层运动可视化实验台及试验方法，通过探究不同厚度、表面积、分布形式的积碳层在孔道内的运动轨迹与分布特性，以此研究积碳层堵塞孔道的过程，并探明堵塞段位置、堵塞段长度、堵塞段密度等关键因素，借助本发明可探明积碳层堵塞孔道的关键问题，这将为预防dpf提前失效，降低排气背压升高引起的发动机油耗增加等问题提供直接技术支持。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：包括直流风机控制器1、直流风机2、进气稳压箱3、缩口管4、质量流量计5、dpf等比例放大模型6、积碳层放大模型22、微型摄像头7、气体压差测试仪8、终端控制计算机9、照相机10；其中，直流风机控制器1控制直流风机2的气流速度，直流风机2的出风口、进气稳压箱3、缩口管4、质量流量计5、dpf等比例放大模型6依次串联，dpf等比例放大模型6的dpf外壳11为采用透明材料制作，dpf等比例放大模型6顶部等间距布设系列微型摄像头7，dpf等比例放大模型6出口端堵头为透明材质，其外侧
设置照相机10，dpf等比例放大模型6出口端与气体压差测试仪8的检测口连接，终端控制计算机9接收质量流量计5、微型摄像头7、照相机10及气体压差测试仪8的数据并根据信号进行控制，同时显示测量数据及图像信息。
7.作为优选，dpf等比例放大模型6内通过横纵设置多孔介质壁面12将其内部空间分隔为多个dpf排气通道21，各个dpf排气通道21前后两端交替设置dpf透明堵头13，dpf等比例放大模型6前端右上侧的dpf排气通道21为积碳层布设通道16，积碳层布设通道16顶面设置dpf透明上盖板14，dpf透明上盖板14上均匀开有dpf壁面微孔15，dpf壁面微孔15的孔隙率与多孔介质壁面12保持一致，微型摄像头7根据dpf等比例放大模型6的长度，等间距布设在dpf透明上盖板14上方。
8.作为优选，dpf外壳11、dpf透明堵头13及dpf透明上盖板14均采用高透光、低反射材质制成。
9.作为优选，多孔介质壁面12采用碳化硅或堇青石，或具备等比例放大后保持相同渗透率的材料制作。
10.作为优选，根据dpf等比例放大模型6的长度，将系列微型摄像头7呈直线、等距贴装的dpf外壳11的内壁上，确保可对孔道内部进行无死角拍摄。
11.作为优选，微型摄像头7为带补光灯的微型摄像头，照相机10为高分辨率摄像头。
12.作为优选，直流风机2与进气稳压箱3之间还设置有空气过滤器17。
13.作为优选，dpf等比例放大模型6前端还设置有层流整流器18。
14.作为优选，dpf等比例放大模型6出口端上设置后整流罩19，后整流罩19后端设置有背压调压阀20。
15.作为优选，s1、将各个部件和气流管道完成接装，dpf等比例放大模型6中的积碳层布设通道16为待观测积碳层放大模型22的形成区域；s2、通过终端控制计算机9触发直流风机控制器1控制直流风机2保持特定恒定转速，直流风机2的持续运转时间，气流速度可根据试验需求进行设定；s3、直流风机2的气流进入进气稳压箱3后，经过质量流量计5流入dpf等比例放大模型，终端控制计算机9实时接收质量流量计5的信号，并与设定值实时校对，误差在3%以内，认定直流风机运转正常；s4、随着积碳层布设通道16内形成积碳层放大模型22的过程，终端控制计算机9控制微型摄像头7和照相机10进行连续拍摄和摄像，同时接收dpf等比例放大模型6内积碳层放大模型22运动的实时影像，并保存微型摄像头7和照相机10所拍摄的影像；s5、终端控制计算机9触发直流风机控制器1停止直流风机2运转，该组实验结束；终端控制计算机9实时接收气体压差测试仪8信号，同时对压力进行预警监测，超过设定阈值后控制触发直流风机控制器1停止直流风机2运转，直至警报解除。
16.作为优选，积碳层放大模型22是将真实形态的积碳层外形轮廓拟合近似为包括三角形、正方形、圆形、长方形的多种基础形状组成的模型；对于不同组试验，采用变量控制法来逐一设置积碳层形状、表面积大小、厚度、密度以及积碳层在孔道中的分布形式，根据积碳层放大模型22的分布位置探明孔道的堵塞情况。
17.本发明的有益效果：本发明能够通过研究不同厚度、不同表面积、不同分布形式的积碳层在孔道内的
运动轨迹与分布特性，探究积碳层在孔道内的堵塞段位置、堵塞段长度、堵塞段密度等因素，进而有针对性的对孔道内部采取特定的催化剂涂覆措施，或通过采用dpf不同的再生控制策略，以解决孔道堵塞问题，进一步减轻由载体背压升高带来的发动机油耗升高、动力性下降等问题。
附图说明
18.图1为本发明的试验台工作系统示意图；图2为本发明的dpf等比例放大模型入口端示意图；图3为本发明的dpf等比例放大模型出口端示意图；图4为本发明的dpf等比例放大模型的内部结构示意图；图5为本发明的积碳层形态及拟合基元示意图；图6为本发明的不同形状的积碳层基元组合示意图；图7为本发明的不同表面积大小的积碳层基元组合示意图；图8为本发明的不同厚度的积碳层基元组合示意图；图9为本发明的不同分布形式的积碳层基元组合示意图；图中各标号为：直流风机控制器1；直流风机2；进气稳压箱3；缩口管4；质量流量计5；dpf等比例放大模型6；微型摄像头7；气体压差测试仪8；终端控制计算机9；照相机10；dpf外壳11；多孔介质壁面12；dpf透明堵头13；dpf透明上盖板14；dpf壁面微孔15；积碳层布设通道16；空气过滤器17；层流整流器18；后整流罩19；背压调压阀20；dpf排气通道21；积碳层放大模型22。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。
20.请参照图1至图4，所述等比例放大dpf孔道内积碳层运动可视化实验台及试验方法包括直流风机控制器1、直流风机2、进气稳压箱3、缩口管4、质量流量计5、dpf等比例放大模型6、微型摄像头7、气体压差测试仪8、终端控制计算机9、照相机10；其中，直流风机控制器1控制直流风机2的气流速度，直流风机2的出风口、进气稳压箱3、缩口管4、质量流量计5、dpf等比例放大模型6依次串联，dpf等比例放大模型6的dpf外壳11为采用透明材料制作，dpf等比例放大模型6顶部等间距布设系列微型摄像头7，dpf等比例放大模型6出口端外侧设置照相机10，dpf等比例放大模型6出口端上与气体压差测试仪8的检测口连接，终端控制计算机9接收质量流量计5、微型摄像头7、照相机10及气体压差测试仪8的数据并进行显示。其中，直流风机2用于模拟通入发动机排放气体，进气稳压箱3用于减缓或消除来自直流风机中的气流波动，从而保证供源气压稳定。缩口管4用于对进气稳压箱中的气流进行二次加速、质量流量计5用于测量进入dpf等比例放大模型前端的气体流量。气体压差测试仪8用于检测dpf等比例放大模型6内部风压变化差值，易于实时监测dpf等比例放大模型6内部变化的压降。同时，在管道发生堵塞等情况检测到风压大于设定阈值时，气体压差测试仪8反馈信号至终端控制计算机9，终端控制计算机9控制直流风机控制器1发出动作指令停止直流风机2运转，保障试验台运行安全。积碳层放大模型22是将真实形态的积碳层拟合为包括三
角形、正方形、圆形、长方形的多种基础形状组成的模型；对于不同组试验，采用变量控制法来逐一分析积碳层形状、表面积大小、厚度、密度以及积碳层在孔道中的分布形式，积碳层在孔道中随气流运动后，探明孔道堵塞的分布情况。微型摄像头7和照相机10用于可视化观测dpf等比例放大模型6上积碳层运动情况，即积碳层形状、表面积大小、厚度、密度及运动情况，满足试验需求。
21.并且在本实施例中，原dpf尺寸与dpf等比例放大10倍的模型参数如下：表1dpf孔道模型及积碳层模型参数将dpf及积碳层等比例放大10倍后，必须遵循流动相似条件，包括几何相似、运动相似、动力相似。
22.进一步优选地，dpf等比例放大模型6内通过横纵设置多孔介质壁面12将其内部空间分隔为多个dpf排气通道21，各个dpf排气通道21前后两端交替设置dpf透明堵头13，本例中，dpf等比例放大模型6前端右上侧的dpf排气通道21为积碳层布设通道16，积碳层布设通道16前端开口、后端设置dpf透明堵头13，其它dpf排气通道21亦是一端设置dpf透明堵头13而另一端开口，使得尾气在dpf等比例放大模型6内部空间不断变向流通，尾气内颗粒能被多孔介质壁面12充分拦截堆积，形成积碳层放大模型22。同时，本例中的照相机10正对积碳层布设通道16设置布置，便于将原本难以观测的烟碳堆积情况和烟碳层运动情况放大，能够便于采用相机进行直观观测研究，为发动机排放气体研究创新工作提供有力支撑。优选地，本例中的孔介质壁面12采用碳化硅或堇青石，或具备等比例放大后保持相同渗透率的材料制作。其中，为了便于相机采集积碳层布设通道16内的积碳层图像，dpf外壳11、dpf透明堵头13、dpf透明上盖板14均采用高透光、低反射材质制成，dpf透明上盖板14上均匀开有dpf壁面微孔15，dpf壁面微孔15的孔隙率与多孔介质壁面12保持一致，使其能够与多孔介质壁面12一同能够流通气体，不干涉气体正常流通沉降，微型摄像头7设置在dpf透明上盖板14上方，能够清晰获取积碳层布设通道16内积碳层图像。本例中微型摄像头7为呈直线且等距布置的摄像头组，摄像头贴装的dpf外壳11的内壁上，布置的长度为从dpf外壳11入口至出口的距离，能够呈线性观测多孔介质壁面12从入口端至出口端的积碳变化情况，便于对积碳层在孔道内的运动轨迹、时间等特性进行探究。此外，微型摄像头7为带补光的微型摄像头，照相机10为高分辨率摄像头，便于清晰拍摄积碳层放大模型22的图像，提升实验的效率和准确性。
23.进一步地，直流风机2与进气稳压箱3之间还设置有空气过滤器17，空气过滤器17内部选择粗滤网过滤结构，主要滤除大颗粒杂物，排除试验外的非必要因素对积碳层运动过程的影响。
24.进一步地，dpf等比例放大模型6前端还设置有层流整流器18，内部为网格状的或者圆孔状的气流通道，能够将气体均匀分布后进入dpf等比例放大模型6，提升试验中颗粒沉积的效果和准确性。
25.进一步地，dpf等比例放大模型6出口端上设置后整流罩19，后整流罩19后端设置有背压调压阀20。后整流罩19能够收集dpf等比例放大模型6剩余排放的尾气，并通过背压调压阀20排出收集处理。
26.上述的试验台的采用如下试验步骤：s1、将各个部件和气流管道完成接装。
27.s2、通过终端控制计算机9触发直流风机控制器1控制直流风机2保持特定恒定转速，直流风机2的持续运转时间，气流速度可根据试验需求进行设定；s3、直流风机2的气流进入进气稳压箱3后，经过质量流量计5流入dpf等比例放大模型，终端控制计算机9实时接收质量流量计5的信号，并与设定值实时校对，误差在3%以内，认定直流风机运转正常。
28.s4、随着积碳层布设通道16内形成积碳层放大模型22的过程，终端控制计算机9控制微型摄像头7和照相机10进行连续拍摄和摄像，同时接收dpf等比例放大模型6内积碳层放大模型22运动的实时影像，并保存微型摄像头7和照相机10所拍摄的影像。
29.s5、终端控制计算机9触发直流风机控制器1停止直流风机2运转，该组实验结束；终端控制计算机9实时接收气体压差测试仪8信号，同时对压力进行预警监测，超过设定阈值后控制触发直流风机控制器1停止直流风机2运转，直至警报解除。
30.进一步地，积碳层放大模型22是将真实形态的积碳层外形轮廓拟合近似为包括三角形、正方形、圆形、长方形等多种基础形状组成的模型；对于不同组试验，采用变量控制法来逐一设置积碳层形状、表面积大小、厚度、密度以及积碳层在孔道中的分布形式。
31.积碳层放大模型22依据真实积碳层形态进行同等放大处理，积碳层在孔道中的设置位置为以下几种：1）根据真实积碳层形态，拟合为不同形状的积碳层基元组合，分别为正方形、圆形、三角形、长方形或混合形状等形状，如图5和图6所示。
32.2）不同大小的积碳层基元组合，积碳层外围尺寸范围为0.5mm~7mm，如图7所示。
33.3）不同厚度的积碳层基元组合，积碳层厚度为0.3mm~2mm。如图8所示。
34.4）不同分布形式的积碳层基元组合，分别为均匀分布、线性增加、线性减小、凹型、凸型。如图9所示。
35.最后，可根据积碳层放大模型22的积碳层基元组合形状、分布位置可便于探明孔道的堵塞情况。
36.综上，通过使用上述方法和试验台，能够研究不同状态的积碳层在孔道内的运动轨迹、时间等特性，探究积碳层堵塞孔道的位置、堵塞长度、堵塞密度等因素，进而有针对性的对孔道内部采取特定的催化剂涂覆措施，或通过控制dpf载体温度、气流速度，解决孔道堵塞问题，进一步减轻由载体背压升高带来的发动机油耗升高问题。
37.最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。