姚廣濤，張 程，何錦勇，黃利平，張衛(wèi)鋒，毛 明

(軍事交通學院汽車工程系，天津 300161)

前言

柴油機以其優(yōu)良的動力性、燃油經(jīng)濟性和高可靠性在交通運輸領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與汽油機相比，雖然柴油機的CO、HC排放量較低，NOx排放略高于汽油機，但是其PM排放量遠高于汽油機，是柴油機最主要的排氣污染物，也是機動車PM排放的主要分擔者［1－2］。

DPF技術(shù)是目前國際上公認有效的柴油機微粒排放后處理技術(shù)［3］，該技術(shù)現(xiàn)在處于系統(tǒng)優(yōu)化和降低成本的階段［4－5］。

DPF的再生問題一直是制約DPF技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸。DPF結(jié)合DOC技術(shù)是目前被廣泛采用的一套柴油機排氣凈化技術(shù)路線［6］。HC通過DOC可使發(fā)動機排氣溫度提升至PM起燃溫度，從而實現(xiàn)DPF的再生。使DOC開始工作的措施包括使用缸內(nèi)技術(shù)如缸內(nèi)后噴，和使用缸外技術(shù)如DOC前加噴燃油。由于目前國產(chǎn)電控柴油機噴射控制系統(tǒng)多數(shù)為國外匹配，因此國內(nèi)實現(xiàn)缸內(nèi)后噴受到一定制約。為此本文中選擇在DOC前噴射燃油的方式使DOC工作，并自主設(shè)計了一套燃油噴射裝置，其霧化效果較好，可以輔助燃油快速蒸發(fā)，同時為DOC工作提供一定量的氧氣，對于氧化催化反應(yīng)的進行和再生效率的提高有很好的促進作用。

1 工作原理

伴隨著DPF內(nèi)捕集PM的增多，要去除PM，即DPF的再生。在不采取任何措施的情況下，通常發(fā)動機排氣溫度很難達到DPF的再生溫度。通過設(shè)計的試驗裝置，使發(fā)動機排氣經(jīng)過兩級升溫后達到DPF的再生溫度，從而實現(xiàn)DPF的再生。

試驗選用涂覆有某種催化劑的DPF，其起燃溫度為500℃，快速反應(yīng)溫度為550℃，DOC的起始工作溫度為250℃。當不進行DPF再生時，DOC和DPF正常工作，發(fā)動機按正常工況運轉(zhuǎn)。當要對DPF進行再生時，首先通過提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速或增加負載等措施使發(fā)動機排氣溫度達到250℃，實現(xiàn)一級升溫，使DOC開始工作;在DOC前噴射燃油和新鮮空氣，DOC通過氧化催化反應(yīng)，使排氣溫度提升到550℃，實現(xiàn)二級升溫，使DPF快速實現(xiàn)再生。

2 試驗系統(tǒng)的組成和搭建

試驗系統(tǒng)由發(fā)動機、DPF、DOC、燃油霧化噴射系統(tǒng)、溫度傳感器、壓差傳感器和控制器等組成。

圖1為試驗系統(tǒng)組成示意圖，圖中T1、T2、T3為3支溫度傳感器，P1為壓差傳感器，噴嘴即為燃油霧化噴射系統(tǒng)中的噴嘴。

試驗發(fā)動機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗用發(fā)動機主要參數(shù)

燃油霧化噴射系統(tǒng)主要構(gòu)成部件有:燃油箱、壓力腔、二位三通閥、調(diào)壓閥、混合腔、計量閥和噴嘴等，圖2為燃油霧化噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

燃油霧化噴射系統(tǒng)工作時，從氣源過來的壓縮空氣分兩路，一路經(jīng)調(diào)壓閥2到混合腔，再到噴嘴;另一路經(jīng)調(diào)壓閥1，通向兩個二位三通閥，在控制器的控制下，二位三通閥交替工作，壓縮空氣也交替通向兩個壓力腔。在系統(tǒng)不工作時，兩個壓力腔處于與外界大氣環(huán)境相通狀態(tài)，燃油自動充滿腔體。當系統(tǒng)開始工作時，二位三通閥1工作，二位三通閥2處于斷電狀態(tài)，壓縮空氣進入壓力腔1，使燃油在氣體壓力作用下打開單向閥2，先通過計量閥按需噴入混合腔內(nèi)，再與輔助霧化壓縮空氣混合，并隨其流向霧化噴嘴。經(jīng)過一定時間的噴射，開啟二位三通閥2，兩壓力腔同時工作一段時間后，使二位三通閥1斷電，1腔不工作，2腔工作，如此交替變換工作，達到連續(xù)噴射。

試驗所選用的 DPF材料為堇青石，尺寸為:φ190×200mm，掛煙量為20.5g;所選用的DOC配方Pt與Pd的比例為1∶1，貴金屬涂覆量為80g/ft3，其實物見圖3;溫度傳感器型號為PT200，其輸出信號為0～5V，可耐1 000℃高溫。

3 試驗與結(jié)果分析

首先將掛完煙的過濾體按照圖1安裝到試驗系統(tǒng)中;然后將發(fā)動機排氣溫度提升至250℃以上，試驗中所選的發(fā)動機穩(wěn)定工況參數(shù)為:轉(zhuǎn)速1 400r/min，轉(zhuǎn)矩40N·m，功率5.86kW，實際排氣溫度為292℃;再通過控制系統(tǒng)控制燃油霧化噴射系統(tǒng)在DOC前噴射燃油，此刻發(fā)現(xiàn)DOC并未開始工作，繼續(xù)加大發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負載，以便繼續(xù)提升排氣溫度，在時間為1 000s以后發(fā)現(xiàn)DPF前溫度出現(xiàn)急劇上升，可以判斷此刻DOC參與工作，此時DOC入口溫度為320℃。理論上講，該DPF前排氣溫度達到500℃時，DPF內(nèi)PM達到起燃溫度開始再生，DPF后溫度達到400℃時即認為DPF再生結(jié)束，停止燃油噴射。圖4為試驗中通過上位機軟件所采集到的DPF前后溫度與DPF壓差的關(guān)系曲線。

由圖可見:試驗開始，DOC前不噴射燃油時，DPF前后的壓差略高于10kPa;當要對DPF進行再生時，提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負載至上述穩(wěn)定工況，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，其排氣流量也逐步增加，DPF前后溫度和壓差均穩(wěn)定上升，當發(fā)動機工況穩(wěn)定后，三者皆處于基本穩(wěn)定狀態(tài);當再次提升發(fā)動機轉(zhuǎn)速，DOC開始工作后，在流量和溫度的雙重作用下，DPF前后溫度和壓差出現(xiàn)了短暫的迅速上升，當DPF前溫度達到550℃時，DPF前后壓差開始急劇的下降，即認為此刻DPF快速再生。從圖中還可以看出，一旦DPF開始再生后，在發(fā)動機尾氣的輔助下，其再生速度非常快。再生后測量過濾體質(zhì)量，計算出其再生效率為97%。

4 結(jié)論

提出了一種基于DOC升溫的排氣管燃油噴射霧化裝置的柴油機DPF再生技術(shù)方案，并在臺架上進行了試驗驗證。設(shè)計的燃油霧化噴射裝置應(yīng)用于DOC工作所需燃油的噴射:一方面增加了燃油的霧化面積，利于燃油的蒸發(fā);另一方面，由于噴射采用的是高壓氣源，可以為DOC工作提供一定量的新鮮空氣，利于氧化催化反應(yīng)的進行，有助于提高DPF的再生效率。該技術(shù)方案可以實現(xiàn)DPF的再生，且其再生效率較高。此外，這種再生方式基本上可以應(yīng)用于絕大多數(shù)的發(fā)動機以及發(fā)動機的大多數(shù)工況，具有一定的實際應(yīng)用意義。

［1］中國汽車工業(yè)協(xié)會，國務(wù)院發(fā)展研究中心產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟研究部，中國汽車工程學會，等.中國汽車工業(yè)年鑒中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2008［M］.北京:社會科學文獻出版社，2008:12.

［2］中華人民共和國環(huán)境保護部.中國機動車污染防治年報(2010年度)［R］.2010:17－18.

［3］Timothy V Johnson.Diesel Emission Control in Review［C］.SAE Paper 2007－01－0233.

［4］Timothy V Johnson.Diesel Emission Control in Review［C］.SAE Paper 2008－01－0069.

［5］Timothy V Johnson.Review of Diesel Emissions and Control［C］.SAE Paper 2010－01－0301.

［6］張德滿，李舜酩，李凱，等.DOC輔助DPF再生方法研究［J］.機械工程學報，2010，46(24):107－110.