錢仁軍，資新運(yùn)，劉 洋，張衛(wèi)鋒，井 磊

(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 軍用車輛系，天津 300161；3.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161)

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● 車輛工程 Vehicle Engineering

基于預(yù)混式燃燒器的DPF再生策略

錢仁軍1，資新運(yùn)2，劉 洋3，張衛(wèi)鋒2，井 磊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 軍用車輛系，天津 300161；3.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161)

柴油機(jī)微粒捕集器是解決柴油機(jī)顆粒物排放污染最有效、最具發(fā)展前景的手段，但實(shí)車的適時(shí)再生技術(shù)限制了它的商業(yè)化進(jìn)程。采用預(yù)先混合式的燃燒器，在臺(tái)架對(duì)并聯(lián)式雙微粒捕集器系統(tǒng)中的碳化硅材質(zhì)微粒捕集器進(jìn)行再生技術(shù)研究，并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，制定適用于并聯(lián)式雙微粒捕集器系統(tǒng)實(shí)車適時(shí)再生的控制策略，降低了實(shí)車再生對(duì)整車運(yùn)行狀況的影響。

柴油機(jī)微粒捕集器；預(yù)混式燃燒器；再生技術(shù)

柴油機(jī)具有燃油消耗率低、CO2排放量少，低轉(zhuǎn)速時(shí)大功率、高轉(zhuǎn)矩輸出等優(yōu)點(diǎn)[1]，目前不僅在重型車上廣泛采用柴油機(jī)，在輕型車乃至轎車上也趨于柴油化，全球每年對(duì)于柴油車的需求以5.5%的比例增長(zhǎng)[2]。但是隨著柴油車產(chǎn)銷量和保有量的急劇增加，其帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，其主要污染物是碳煙顆粒物(particulate matter, PM)和氮氧化物(NOx)[3]，其尾氣中NOx的濃度與汽油機(jī)相當(dāng)，PM是汽油機(jī)的幾十倍。輕型柴油車國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ排放法規(guī)分別將PM排放限制在0.025 g/km和0.005 g/km。經(jīng)過(guò)多年的研究證明，僅僅通過(guò)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已無(wú)法滿足更高排放法規(guī)的要求，為此，柴油車后處理技術(shù)的研究就成為了一種必然。

目前，柴油機(jī)微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)技術(shù)是被認(rèn)為最接近實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的柴油車微粒后處理技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾體材料和過(guò)濾體再生，而再生方法及其控制策略是過(guò)濾體再生的技術(shù)難點(diǎn)[4]。捕集器的再生是指及時(shí)除去捕集器內(nèi)微粒的過(guò)程，一般采取燃燒的方法。根據(jù)再生原理的不同，可將捕集器的再生分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩類：主動(dòng)再生是利用外加能源將微粒加熱至600 ℃以上實(shí)現(xiàn)再生；被動(dòng)再生是利用柴油機(jī)排氣本身所具有的能量對(duì)DPF進(jìn)行再生。由于DPF主動(dòng)再生的熱量可以提高SCR( selective capalytic reduction)的工作效率，因此，主動(dòng)熱再生的DPF+SCR方案是當(dāng)前應(yīng)對(duì)歐VI的研究熱點(diǎn)之一[5]。目前國(guó)內(nèi)外主動(dòng)再生方式多采用全流主動(dòng)再生，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度提高，能耗較高[6-7]。本文所采用的燃燒器再生技術(shù)屬于主動(dòng)再生方法之一，由于燃料直接取自發(fā)動(dòng)機(jī)所用柴油，因此能耗較低、響應(yīng)速度快、且易于實(shí)現(xiàn)在用車的改造，符合我國(guó)燃油高硫特性的基本國(guó)情。在美國(guó)，燃燒器較為廣泛地應(yīng)用于重型柴油車、工程機(jī)械等領(lǐng)域，比較典型的為卡特彼勒和道依茨車型[8]。

本文旨在運(yùn)用一種新型預(yù)混式燃燒器，在臺(tái)架和實(shí)車上對(duì)并聯(lián)式雙微粒捕集器系統(tǒng)的再生過(guò)程進(jìn)行研究，并制定出相應(yīng)的再生過(guò)程控制策略。

1 試驗(yàn)原理

1．1 預(yù)混式燃燒器本體的工作原理

預(yù)混式燃燒器本體主要由預(yù)混腔、燃燒室、蒸發(fā)電熱塞、點(diǎn)火電熱塞和二級(jí)油路組成，其中一級(jí)油路的燃油用于加熱預(yù)混腔，使得二級(jí)油路的燃油在預(yù)混腔內(nèi)與空氣更充分的混合。預(yù)混式燃燒器工作時(shí)，一級(jí)油路泵出的燃油被蒸發(fā)電熱塞加熱蒸發(fā)形成混合氣，混合氣在點(diǎn)火電熱塞附近被點(diǎn)燃，燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)預(yù)混腔進(jìn)行加熱；二級(jí)油路泵出的燃油和空氣進(jìn)入到加熱后的預(yù)混腔進(jìn)行混合，之后再由孔道進(jìn)入到燃燒室實(shí)現(xiàn)燃燒。由于二級(jí)燃油和空氣在高溫預(yù)混腔內(nèi)預(yù)先混合，因此其燃燒效率更高，且二次污染低。

1．2 再生原理

并聯(lián)式雙微粒捕集器實(shí)車試驗(yàn)系統(tǒng)的總體布置結(jié)構(gòu)如圖1所示，臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)與其相似，只不過(guò)需要在風(fēng)機(jī)與燃燒器之間加裝流量計(jì)，以確定鼓入燃燒器的氣量。之所以采用燃燒器跟DPF直接相連的形式，而不將燃燒器布置在分岔口前端，主要是為了保證燃燒器點(diǎn)火時(shí)燃燒熱量的充分利用和燃燒器工作時(shí)不會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣干擾。通過(guò)在燃燒器前端加裝排氣切換閥，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)要對(duì)一路DPF進(jìn)行再生時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣通過(guò)另外一路排出，改善了燃燒器的工作環(huán)境，為DPF的成功再生和降低再生時(shí)的二次污染創(chuàng)造了條件。

預(yù)混式燃燒器系統(tǒng)主要由燃燒器本身的點(diǎn)火系統(tǒng)和配套的控制系統(tǒng)、供油系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)組成。點(diǎn)火系統(tǒng)的主要組成部件是兩支電熱塞；控制系統(tǒng)則由控制器和控制面板組成。若要實(shí)現(xiàn)燃油在燃燒器內(nèi)燃燒，需要一個(gè)合理的油氣配比，控制系統(tǒng)決定噴油、給氣時(shí)機(jī)以及噴油、給氣量；點(diǎn)火系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將混合氣點(diǎn)燃。四者共同實(shí)現(xiàn)將空氣溫度或者空氣與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的混合氣溫度提高到600 ℃以上將PM點(diǎn)燃，繼而實(shí)現(xiàn)DPF的再生。

圖1 并聯(lián)式雙微粒捕集器總體布置

2 試驗(yàn)裝置與設(shè)備

試驗(yàn)所選用的主要設(shè)備見表1。

由于PM的起燃溫度至少要600 ℃，這要求預(yù)混式燃燒器將DPF前溫度加熱到至少600 ℃，而PM燃燒時(shí)又會(huì)釋放一定的熱量，這使DPF內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)局部高溫而造成DPF損壞。臺(tái)架再生過(guò)程的研究是制定DPF再生過(guò)程控制策略的根本，為了在再生控制策略制定過(guò)程中對(duì)DPF內(nèi)部的溫度變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按圖2所示在臺(tái)架再生的DPF前后和內(nèi)部共布置了7支溫度傳感器，其中1、2為PT200溫度傳感器，其余為K偶溫度傳感器。這種布置方式，一方面不影響DPF的再生過(guò)程，另一方面還可以時(shí)刻監(jiān)測(cè)DPF內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布均勻性和溫度場(chǎng)的傳遞速度。

表1 試驗(yàn)選用主要儀器設(shè)備

圖2 溫度傳感器布置

3 再生及再生數(shù)據(jù)分析

3．1 臺(tái)架再生數(shù)據(jù)及分析

按照?qǐng)D1將顆粒物負(fù)載量為20.5 g的兩個(gè)DPF和其他試驗(yàn)裝置安裝到臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)中。再生過(guò)程的流程為：

(1)打開控制系統(tǒng)，關(guān)閉需要再生的DPF1一路的排氣切換閥；

(2)預(yù)混式燃燒器一級(jí)點(diǎn)火；

(3)預(yù)混式燃燒器一級(jí)、二級(jí)過(guò)渡；

(4)預(yù)混式燃燒器二級(jí)穩(wěn)定燃燒，DPF1再生；

(5)再生結(jié)束。

為了制定實(shí)車自動(dòng)再生過(guò)程控制策略，需要記錄臺(tái)架再生DPF時(shí)相關(guān)操作的時(shí)間及不同操作間的時(shí)間間隔，具體操作步驟：完成試驗(yàn)系統(tǒng)的裝配后，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，打開控制系統(tǒng)操作界面，控制排氣切換閥，使廢氣由DPF2一路排出；電熱塞通電，預(yù)熱1 min左右后一級(jí)開始供油，十幾秒鐘后，待油進(jìn)入燃燒器時(shí)開始給風(fēng)，此時(shí)油量和風(fēng)量皆不宜過(guò)大，以免將火熄滅或產(chǎn)生油煙引起污染；通過(guò)DPF1前的溫度傳感器采集的溫度來(lái)判斷燃燒器是否被成功點(diǎn)燃，點(diǎn)火成功后，逐步加大一級(jí)油量和氣體流量，稍停一段時(shí)間后開始二級(jí)供油；二級(jí)供油量開始較小，氣體流量也不應(yīng)變化過(guò)大，否則容易將火熄滅，逐步加大二級(jí)油量和氣量，二級(jí)若能正常燃燒，則關(guān)閉兩個(gè)電熱塞和一級(jí)供油；待DPF1后溫度達(dá)到500 ℃時(shí)即認(rèn)為再生結(jié)束。

圖3為照此策略對(duì)20.5 g碳化硅DPF1再生的曲線圖。DPF1的初始質(zhì)量為6.224 5 kg，再生后回到初始質(zhì)量，再生效率達(dá)到了100%。

圖3 臺(tái)架DPF1再生曲線

從圖4中曲線可知，DPF內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布情況是周邊強(qiáng)、中間弱，DPF內(nèi)部的溫度場(chǎng)傳遞速度是周邊慢、中間快。由于碳化硅材質(zhì)的DPF至少可以耐1 200 ℃高溫，綜合整個(gè)曲線圖可知，DPF內(nèi)部溫度沒(méi)有超過(guò)DPF的熔點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)闇囟葐?wèn)題使DPF損壞，但存在DPF內(nèi)部溫升較快的問(wèn)題，且整個(gè)再生過(guò)程將近750 s，再生時(shí)間較長(zhǎng)。

3．2 實(shí)車再生數(shù)據(jù)及分析

本文將DPF再生系統(tǒng)在萬(wàn)豐牌柴油車上進(jìn)行整車集成，并開展了試驗(yàn)研究。

實(shí)車再生控制策略是在臺(tái)架再生過(guò)程的基礎(chǔ)上展開的。為了將DPF再生技術(shù)走向?qū)嵱没?，?shí)車再生過(guò)程控制應(yīng)以自動(dòng)再生為主，減少駕駛員對(duì)再生過(guò)程的參與，這要求自動(dòng)再生過(guò)程控制策略有更多的反饋和判斷。且鑒于臺(tái)架再生過(guò)程中溫升過(guò)快，本文采用了溫度、時(shí)間和斜率3種反饋方法相結(jié)合的策略，當(dāng)DPF前溫升斜率達(dá)到一定值時(shí)，即按配比減少燃燒器油的供給量，并對(duì)風(fēng)機(jī)給氣量進(jìn)行調(diào)整，以確保再生過(guò)程中DPF溫度的可調(diào)，不會(huì)出現(xiàn)不可控因素。

通過(guò)之前試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳化硅DPF再生時(shí)，燃燒器和DPF內(nèi)存在大量的熱能，再生后的DPF需要一段時(shí)間才能冷卻到發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度值，采用臺(tái)架再生策略雖可以高效率地實(shí)現(xiàn)DPF的再生，但存在著能源利用不充分和再生周期長(zhǎng)的情況。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在DPF再生過(guò)程中，當(dāng)燃燒器二級(jí)穩(wěn)定燃燒，且DPF內(nèi)部PM被點(diǎn)燃后，如果DPF后溫度達(dá)到450 ℃時(shí)，即可停止二級(jí)燃油的噴射，然后逐步打開排氣切換閥，讓一定量的廢氣通入正在再生的DPF，由于廢氣的排量較風(fēng)機(jī)氣量大，它可以較快地完成剩余PM的燃燒，快速實(shí)現(xiàn)DPF的再生，這樣既縮短了再生時(shí)間，同時(shí)又較早地停止了二級(jí)燃油的噴射，節(jié)省了燃油，是一種高效率的再生方式。

結(jié)合以上兩點(diǎn)，在臺(tái)架再生過(guò)程控制策略的基礎(chǔ)上制定實(shí)車自動(dòng)再生過(guò)程的控制策略。部分控制策略流程如圖4—7所示。

圖4 燃燒器點(diǎn)火判斷邏輯框圖

圖5 燃燒器一級(jí)燃燒判斷邏輯框圖

圖6 一級(jí)、二級(jí)過(guò)渡判斷邏輯框圖

圖7 再生結(jié)束判斷邏輯框圖

按照?qǐng)D1將DPF2、再生后的DPF1和其他試驗(yàn)裝置裝到實(shí)車試驗(yàn)系統(tǒng)中，由于實(shí)車系統(tǒng)客觀條件的因素，不能使用K偶型溫度傳感器檢測(cè)DPF內(nèi)部溫度，只能通過(guò)使用PT200溫度傳感器監(jiān)控DPF前后的溫度及DPF前溫升的斜率進(jìn)行相應(yīng)的判斷。DPF前溫度作為判斷燃燒器工作狀態(tài)的依據(jù)，當(dāng)其溫度值和溫升斜率在預(yù)定時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，則認(rèn)為其工作正常。DPF后溫度作為再生進(jìn)程的判斷依據(jù)，當(dāng)DPF后溫度達(dá)到一定值時(shí)，則認(rèn)為DPF完全再生。實(shí)車再生與臺(tái)架再生的過(guò)程是一致的。圖8所示為采用上述控制策略對(duì)DPF2再生的曲線圖，DPF2的初始質(zhì)量為6.152 3 kg，再生后經(jīng)稱重計(jì)算可知，再生效率達(dá)到了98.5%。

從圖8中曲線可知，DPF前的溫升較臺(tái)架再生過(guò)程得到很大改善，且最高溫度點(diǎn)也有所下降；在停止二級(jí)燃油噴射后，引入廢氣后DPF后的溫度持續(xù)上升，直到再生結(jié)束，整個(gè)DPF再生過(guò)程平穩(wěn)，且整個(gè)再生過(guò)程持續(xù)時(shí)間不到400 s，再生過(guò)程對(duì)整車運(yùn)行的影響降低了很多。

圖8 實(shí)車DPF2再生曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用了一種新型的預(yù)混式燃燒器，并在再生過(guò)程中初步驗(yàn)證了這種燃燒器的優(yōu)良性能。搭建了臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)，運(yùn)用7個(gè)溫度傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)捕集器內(nèi)部的溫度進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)，時(shí)刻掌握DPF內(nèi)部溫度的變化情況，制定出了臺(tái)架再生控制策略。搭建了實(shí)車試驗(yàn)系統(tǒng)，制定了實(shí)車自動(dòng)再生過(guò)程控制策略。在臺(tái)架控制策略的基礎(chǔ)上，引入斜率反饋控制，解決了DPF內(nèi)部溫升過(guò)快的問(wèn)題；引入提前停止二級(jí)燃油噴射并引入一定量發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的方法，解決了再生周期長(zhǎng)的問(wèn)題。對(duì)實(shí)車自動(dòng)再生過(guò)程控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，取得了較好的效果，將再生過(guò)程對(duì)整車性能的影響降低了很多，為并聯(lián)式雙微粒捕集器在工程機(jī)械和在用車改造領(lǐng)域的商業(yè)化推廣應(yīng)用做了鋪墊工作。

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(編輯：張峰)

DPF Regeneration Strategy Based on Premixed Burner

QIAN Renjun1, ZI Xinyun2, LIU Yang3, ZHANG Weifeng2, JING Lei1

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

DPF (diesel particulate filter) is considered to be the most effective and promising way to reduce the pollution of diesel particulate emission, but the regeneration technology restricts its commercialization process. The paper studies regeneration technology of silicon carbide particulate filter in parallel double DPF system with premixed burner and tests it with real vehicle. It also formulates a regeneration control strategy for parallel double DPF system, which can reduce the influence of vehicle regeneration on vehicle operation status.

DPF (diesel particulate filter) ; premixed burner; regeneration technology

2016-04-19；

2016-06-07．

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

錢仁軍(1991—)，男，碩士研究生； 資新運(yùn)(1971—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.12.012

TK421.5

A

1674-2192(2016)12- 0048- 05