唐粵清，張春潤(rùn)，井 磊，鄧成林，錢仁軍

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 裝備保障系，天津 300161；3.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

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基于乙醇氧化的DOC輔助DPF再生技術(shù)可行性研究

唐粵清1，張春潤(rùn)2，井 磊1，鄧成林3，錢仁軍1

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 裝備保障系，天津 300161；3.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

柴油車顆粒物排放問題是限制柴油車進(jìn)一步推廣的重要因素。在排氣管噴油再生技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種基于氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)氧化乙醇輔助柴油車顆粒物捕集器再生方法。對(duì)DOC氧化乙醇輔助再生技術(shù)的可行性、乙醇氧化的起始溫度和乙醇氧化的溫升效果進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示：DOC入口溫度大于235 ℃時(shí)，對(duì)乙醇氧化效率較高，具有很好的升溫效果，能夠滿足DPF再生的溫度要求，表明該技術(shù)路線具備很好的可行性。

柴油機(jī)；乙醇；顆粒物；DPF再生

隨著柴油車顆粒物排放的日益增加，排放法規(guī)對(duì)顆粒物排放限制日益嚴(yán)格，柴油車顆粒物污染成為汽車排放領(lǐng)域的重要問題[1]。柴油機(jī)顆粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)公認(rèn)是處理柴油車顆粒物排放最有效的措施，但是在使用過程中，隨著過濾體捕集的顆粒物的增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓升高，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生不良的影響，因此需要周期性地對(duì)DPF進(jìn)行再生[2]。正常情況下，顆粒物氧化溫度為600 ℃，而絕大多數(shù)運(yùn)行工況下，柴油機(jī)排氣溫度低于400 ℃[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)多種DPF再生技術(shù)進(jìn)行了研究，主要是通過噴油助燃[4]、微波加熱、紅外加熱等方法提高排氣溫度，但各種再生方法都有不足之處。微波加熱和紅外加熱設(shè)備較復(fù)雜，而且DPF內(nèi)部溫度不易控制，容易損壞過濾體；噴油助燃再生對(duì)柴油霧化效果要求較高，容易產(chǎn)生積碳或冒白煙現(xiàn)象。

乙醇作為一種可再生能源，具有易制取、易保存、易揮發(fā)、易氧化而且是含氧燃料等優(yōu)點(diǎn)，更適合用于提高排氣溫度，氧化捕集器中的顆粒物，實(shí)現(xiàn)DPF再生。本文對(duì)正常排氣溫度下乙醇能否較好地被氧化以及乙醇氧化釋放的能量能否使DPF入口溫度達(dá)到顆粒物起燃溫度進(jìn)行研究。

1 再生系統(tǒng)與試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

將再生系統(tǒng)安裝在氣道試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行可行性驗(yàn)證。氣道試驗(yàn)臺(tái)只對(duì)排氣的流量和排氣溫度進(jìn)行控制，同時(shí)利用溫度傳感器對(duì)DOC出口溫度進(jìn)行測(cè)量。

1.1 再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用氣泵的壓力在排氣管道內(nèi)噴射乙醇，在噴射壓力和排氣溫度的作用下使乙醇較好地霧化，利用氧化型催化轉(zhuǎn)化器(diesel oxidation catalyst, DOC)將乙醇蒸氣氧化，利用乙醇氧化釋放的大量熱量使DPF入口溫度提高至600 ℃以上，從而使捕集器中的顆粒物氧化，實(shí)現(xiàn)DPF再生。乙醇氧化輔助DPF再生系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 乙醇氧化輔助DPF再生系統(tǒng)原理

圖2所示為DPF再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，再生系統(tǒng)主要由氣助式乙醇噴射模塊、氧化催化轉(zhuǎn)換器、顆粒捕集器和相關(guān)的溫度、壓力、氧濃度傳感器組成。再生系統(tǒng)利用氣泵泵氣提供乙醇噴射壓力，氣體流經(jīng)穩(wěn)壓閥后分為兩路，一路提供穩(wěn)定的乙醇噴射壓力，一路經(jīng)穩(wěn)壓閥后提供穩(wěn)定的輔助空氣壓力，通過計(jì)量閥對(duì)乙醇噴射量進(jìn)行精確控制，通過控制器對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，進(jìn)而控制氣泵，確保儲(chǔ)氣罐氣壓穩(wěn)定在一定范圍。乙醇的噴射由二位二通閥和計(jì)量閥占空比進(jìn)行控制，乙醇噴射量根據(jù)系統(tǒng)傳感器采集的信息進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

圖2 乙醇氧化輔助再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

再生系統(tǒng)是由DOC和DPF耦合而成的一套后處理裝置，其主要的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 后處理裝置技術(shù)參數(shù)

1.2 氣道試驗(yàn)臺(tái)

為使試驗(yàn)條件可控，試驗(yàn)在氣道試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，氣道試驗(yàn)臺(tái)可以很好地用于模擬尾氣的流量條件和溫度條件。如圖3所示為氣道試驗(yàn)臺(tái)布置圖，氣道試驗(yàn)臺(tái)由鼓風(fēng)機(jī)、加熱箱、流量計(jì)、變頻控制箱、溫度控制箱、氣體管道以及再生系統(tǒng)組成。該試驗(yàn)臺(tái)可以通過流量計(jì)和變頻控制箱對(duì)管路中的氣體流量進(jìn)行反饋控制，利用加熱箱中的加熱電阻對(duì)管路流出的氣體進(jìn)行加熱，通過溫度控制箱對(duì)加熱箱出口處氣體溫度進(jìn)行精確控制。

圖3 氣道試驗(yàn)臺(tái)布置

2 再生可行性試驗(yàn)

將氣道試驗(yàn)臺(tái)氣體流量設(shè)置為140 m3/h,該流量下空速比適中，主要研究不同DOC入口溫度時(shí)，DOC出口溫度隨乙醇噴射量而變化的關(guān)系。試驗(yàn)前已經(jīng)對(duì)計(jì)量閥的乙醇噴射量進(jìn)行標(biāo)定，乙醇噴射壓力為300 kPa，輔助空氣壓力為150 kPa，計(jì)量閥標(biāo)定數(shù)據(jù)見表2。

試驗(yàn)中乙醇氧化效率根據(jù)能量守恒定律進(jìn)行估算，當(dāng)DOC出口溫度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，DOC系統(tǒng)的能量處于動(dòng)態(tài)平衡，即乙醇氧化釋放能量的功率和DOC系統(tǒng)流出能量的功率相等。DOC系統(tǒng)流出能量的功率計(jì)算式為

PΔΤ=Vexh·ρ·Cexh·ΔΤ+ΔΡ

(1)

式中：Vexh為排氣體積流量，m3/h；ρ為排氣的密度，kg/m3；Cexh排氣的比熱容，J/(kg·℃)；ΔT為DOC前、后的溫差，℃；ΔP為DOC散熱的功率，J/h。

表2 乙醇計(jì)量閥標(biāo)定數(shù)據(jù)表

DOC氧化乙醇釋放的熱功率Peth可根據(jù)下式計(jì)算：

Peth=Q·qeth

(2)

式中：Q為計(jì)量閥噴射速率，kg/h；qeth為乙醇燃燒熱，J/kg。

根據(jù)能量守恒可以計(jì)算出DOC平衡時(shí)DOC前、后的理論溫差，根據(jù)實(shí)際溫差與理論溫差的比值，可以判斷乙醇的氧化效率。

2.1 DOC氧化乙醇起始溫度試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖4所示為DOC入口溫度對(duì)DOC氧化乙醇后出口溫度的影響關(guān)系，氧含量下降時(shí)刻對(duì)應(yīng)乙醇噴射計(jì)量閥參數(shù)改變時(shí)刻。從圖中可以看出，當(dāng)乙醇計(jì)量閥開始噴射乙醇時(shí)，氧濃度開始下降，這是因?yàn)橐掖佳趸瘯?huì)消耗部分氧氣，而且乙醇?xì)怏w也會(huì)占用管道中的一部分體積，從而導(dǎo)致氧氣體積分?jǐn)?shù)下降。圖中DOC出口溫度在上升一段時(shí)間后基本保持穩(wěn)定，這是因?yàn)橐掖佳趸尫诺哪芰恳徊糠直籇OC載體吸收，一部分通過DOC表面散失到空氣中，一部分被管道內(nèi)流動(dòng)的氣體帶走。隨著DOC載體溫度逐漸升高，乙醇氧化釋放的熱量逐漸增大，DOC載體的溫度越來越高，DOC傳遞給空氣的熱量和流動(dòng)氣體帶走的熱量會(huì)越來越多，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)乙醇氧化釋放的熱量與DOC系統(tǒng)散失的熱量達(dá)到平衡。DOC不同入口溫度時(shí)出口平衡溫度見表3。其中，DOC入口溫度為215 ℃時(shí)DOC出口溫度達(dá)到平衡的時(shí)間最長(zhǎng)，這是由于在乙醇氧化過程中DOC后端溫度逐漸升高，而在DOC載體溫度升高的溫度范圍，恰好是DOC氧化乙醇能力提升較快的溫度范圍，從而導(dǎo)致出口溫度達(dá)到穩(wěn)定用時(shí)較長(zhǎng)。

表3 DOC不同入口溫度時(shí)出口平衡溫度 ℃

根據(jù)式(1)(2)進(jìn)行估算，DOC出口溫度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)DOC入口與DOC出口理論溫差為60 ℃，DOC入口溫度依次從265 ℃到165 ℃，DOC入口與平衡時(shí)出口溫度差依次是58、53、51、20、13 ℃，因此，當(dāng)DOC入口溫度大于215 ℃時(shí)，隨著乙醇氧化使DOC溫度逐步變高，根據(jù)平衡時(shí)DOC前、后溫差與理論溫差的比值可以判斷乙醇氧化效率可以達(dá)到85%以上，但215 ℃時(shí)DOC后溫度上升時(shí)間長(zhǎng)，該過程中可能產(chǎn)生污染氣體較多，因此考慮至少235 ℃時(shí)開始進(jìn)行乙醇噴射。

(a)入口溫度265 ℃溫度曲線

(b)入口溫度235 ℃溫度曲線

(c)入口溫度215 ℃溫度曲線

(d)入口溫度185 ℃溫度曲線

(e)入口溫度165 ℃溫度曲線圖4 DOC入口溫度對(duì)DOC升溫效果的影響

2.2 DOC氧化乙醇溫升試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)乙醇氧化起始溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定DOC入口溫度為235 ℃時(shí)可以進(jìn)行乙醇噴射，乙醇噴射量由計(jì)量閥占空比控制，試驗(yàn)中計(jì)量閥占空比分別是0、10%、25%、40%、55%、70%和85%。如圖5所示為出口溫度隨乙醇噴射量變化的關(guān)系。氧含量下降時(shí)刻對(duì)應(yīng)乙醇噴射計(jì)量閥參數(shù)改變時(shí)刻。由圖可知，該入口溫度條件下，計(jì)量閥占空比的變化導(dǎo)致DOC出口溫度成階梯狀，每一階梯的溫度達(dá)到最高點(diǎn)后基本達(dá)到平衡，這是乙醇氧化釋放的熱量與氣流帶走的熱量與系統(tǒng)散熱之和達(dá)到平衡的結(jié)果；DOC出口溫度通過噴射乙醇可以使DOC出口溫度即DPF入口溫度達(dá)到730 ℃，可以滿足DPF再生的溫度要求。只考慮乙醇氧化升溫階段時(shí)間，3 min內(nèi)可以將DOC出口溫度提高至650 ℃。

圖5 乙醇噴射量對(duì)DOC升溫效果的影響

3 結(jié) 論

(1)DOC入口溫度對(duì)乙醇氧化效率影響較大，在DOC溫度大于235 ℃的情況下，DOC氧化乙醇升溫效率較高，可以開始進(jìn)行乙醇噴射。

(2)DOC入口溫度滿足乙醇氧化的初始溫度時(shí)，可以通過噴射乙醇快速將DOC出口即DPF入口溫度升高至DPF再生溫度，滿足DPF再生需要。

(3)該再生系統(tǒng)能滿足DPF再生的需求，并且對(duì)原始排氣溫度的要求相對(duì)有所降低，對(duì)于DPF車載實(shí)時(shí)再生具有更廣的適應(yīng)性，對(duì)DPF再生技術(shù)的研究具有一定的借鑒意義。

[1] JOHNSON T. Review of vehicular emissions trends[J]. SAE Int. J. Engines:2015, 8(3), doi:10.4271/2015-01-0993.

[2] 張春潤(rùn),姜大海.柴油機(jī)排氣微粒捕捉器燃?xì)庠偕夹g(shù)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2002,20(5):391-394.

[3] KOTRBA A, BROCKMAN A, MARTIN S, et al. Secondary fuel injection layout influences on DOC-DPF active regeneration performance[J]. SAE Int. J. Commer.Veh. 2013,6(2), doi:10.4271/2013-01-2465.

[4] 劉宏威,張凱凱,姚廣濤,等.采用缸內(nèi)后噴和排氣管噴油的DOC輔助DPF再生技術(shù)的研究[J].汽車工程,2015,37(4):391-395.

(編輯：張峰)

Feasibility of DPF Regeneration Technology with DOC Ethanol Oxidation

TANG Yueqing1， ZHANG Chunrun2， JING Lei1， DENG Chenglin3， Qian Renjun1

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 2.Equipment Support Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 3.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Particulate matter emission is a restriction for popularizing diesel vehicles. This paper proposes a regeneration technology for diesel particulate filter (DPF) with diesel oxidaton catalyst(DOC) on the base of exhaust pipe oil injection regeneration technology, and tests the feasibility of regeneration technology with DOC ethanol oxidation, and initial temperature and heating effect of ethanol oxidation. The result shows that DOC ethanol oxidation has high efficiency and great heating effect while DOC inlet temperature is above 235℃ and can meet the requirement of DPF regeneration, which can prove the feasibility of this technology.

diesel; ethanol; particulate matter (PM); DPF regeneration

2016-04-25；

2016-05-24．

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA065303).

唐粵清(1992—)，男，碩士研究生；

張春潤(rùn)(1957—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師.

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.012

TK421．5

A

1674-2192(2016)11- 0049- 05