臧志成 陳 鵬 朱 磊 趙 闖 朱義和 吳文付

(1. 凱龍高科技股份有限公司,無(wú)錫 214153)

排氣管?chē)娪驮偕腄OC輔助DPF系統(tǒng)起噴溫度的試驗(yàn)研究

臧志成1陳 鵬1朱 磊1趙 闖1朱義和1吳文付1

(1. 凱龍高科技股份有限公司,無(wú)錫 214153)

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，在固定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量的條件下，試驗(yàn)研究了不同柴油機(jī)氧化催化器(DOC)前溫度、排氣尾管燃油噴射速率、貴金屬(PGM)涂層含量時(shí)，DOC的碳?xì)浠衔?HC)轉(zhuǎn)化性能；得出DOC性能的變化規(guī)律、起噴溫度的標(biāo)定方法、PGM涂層含量對(duì)DOC催化器的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明： 隨著DOC前溫度的升高，DOC的HC轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，碳?xì)湫孤┈F(xiàn)象減弱?？赏ㄟ^(guò)標(biāo)定達(dá)到柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)目標(biāo)再生溫度所需的DOC前溫度(起噴溫度)隨噴油速率的脈譜圖確定尾管?chē)娚湓偕到y(tǒng)的起噴溫度。隨著噴油速率的增大，起噴溫度先逐漸降低，然后緩慢上升。PGM涂層含量增大，DOC的HC轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，達(dá)到DPF目標(biāo)再生溫度所需要的起噴溫度減小。PGM涂層含量為A和Bg/L時(shí)，達(dá)到目標(biāo)溫度所需的最低起噴溫度為240～244℃。

氧化催化器前溫度 排氣尾管?chē)娚?噴射速率 起噴溫度 柴油機(jī)顆粒捕集器

0 概述

隨著《車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)三、四、五階段)》、《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排放污染物限值及測(cè)量方法(中國(guó)三、四階段)》、《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)》等排放法規(guī)的頒布，如何降低柴油機(jī)尾氣污染物排放已成為眾多發(fā)動(dòng)機(jī)、整車(chē)廠(chǎng)所聚焦的問(wèn)題。目前，僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒標(biāo)定、改變?nèi)紵倚螤畹燃夹g(shù)已難以滿(mǎn)足逐漸加嚴(yán)的排放法規(guī)，依靠柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)可有效降低柴油機(jī)污染物排放。

當(dāng)前應(yīng)用的柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)主要包括： 去除氮氧化物(NOx)的選擇性催化還原(SCR)技術(shù)和去除顆粒物(PM)的柴油機(jī)顆粒捕集器技術(shù)(DPF)。DPF技術(shù)可通過(guò)過(guò)濾手段有效降低PM排放，其PM過(guò)濾效率高達(dá)95%以上[1-3]。

使用DPF系統(tǒng)時(shí)，隨著過(guò)濾碳煙的逐漸累積，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力增大，使得發(fā)動(dòng)機(jī)油耗升高，動(dòng)力下降，因此需定期將沉積在DPF過(guò)濾體內(nèi)的PM清除掉，即進(jìn)行DPF再生。目前，DPF有多種再生方式，總結(jié)起來(lái)可分為機(jī)械再生和熱再生2種。機(jī)械再生主要包括反吹再生、機(jī)械振動(dòng)再生[4-5]等，機(jī)械再生方式需將DPF裝置拆卸，并且收集的碳煙也需集中處理，難以滿(mǎn)足單一車(chē)輛的使用。目前，熱再生中的缸內(nèi)后噴再生和排氣尾管?chē)娪椭荚偕鷳?yīng)用最為廣泛，尤其是排氣尾管再生因其開(kāi)發(fā)費(fèi)用低、標(biāo)定周期短、適用車(chē)型廣等優(yōu)點(diǎn)，目前被大量后處理廠(chǎng)商采用[6]。

進(jìn)行排氣尾管再生時(shí)，通過(guò)安裝在排氣尾管的噴嘴噴入再生燃油，利用DOC氧化碳?xì)鋪?lái)提高排氣溫度，使PM在較高的排氣溫度下與氧氣反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)DPF的再生。DOC有工作溫度范圍，當(dāng)DOC溫度較低時(shí)，噴入的再生燃油難以有效轉(zhuǎn)化，將造成“碳?xì)湫孤?，并容易發(fā)生不可控再生，影響DPF的再生安全性[7]；當(dāng)DOC溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致DPF的再生工況區(qū)間變小。確定合理的尾管?chē)娚湓偕鷾囟龋粌H能減弱再生時(shí)的碳?xì)湫孤┈F(xiàn)象，減小再生油耗，避免失控再生的發(fā)生，還可擴(kuò)大再生工況范圍，加快DPF技術(shù)的推廣。

國(guó)外，文獻(xiàn)[8]重點(diǎn)研究了碳?xì)鋰娮彀惭b位置對(duì)DOC性能的影響，文獻(xiàn)[9]研究了不同孔密度的DOC的碳?xì)?、CO的轉(zhuǎn)化性能差異。國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[6]研究了單一涂層量的DOC在單一工況下(DOC前排氣溫度不變)不同尾管?chē)娚鋰娪退俾蕰r(shí)DOC的升溫能力，文獻(xiàn)[10]仿真模擬了DOC的升溫曲線(xiàn)，文獻(xiàn)[11]試驗(yàn)研究了缸內(nèi)后噴對(duì)DOC入口溫度的影響。對(duì)于不同PGM涂層含量、DOC入口溫度下，不同噴油速率時(shí)DOC的升溫能力缺乏系統(tǒng)性的研究。本文基于凱龍藍(lán)烽公司的涂層和臺(tái)架資源，利用自主研發(fā)的尾管?chē)娚湎到y(tǒng)控制再生燃油，系統(tǒng)性地研究了DOC前溫度、尾管?chē)娚鋰娪退俾省GM涂層含量對(duì)尾管?chē)娚湓偕鷷r(shí)DOC升溫能力的影響，加快了DPF的產(chǎn)品化應(yīng)用。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究的試驗(yàn)設(shè)備主要包括柴油機(jī)測(cè)試臺(tái)架、DPF尾管?chē)娚湓偕到y(tǒng)、DOC+催化型DPF(CDPF)封裝樣件。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)參數(shù)

柴油機(jī)測(cè)試臺(tái)架的相關(guān)設(shè)備如表2所示。

表2 柴油機(jī)測(cè)試臺(tái)架設(shè)備

本次測(cè)試所用DOC、CDPF載體、PGM涂層參數(shù)如表3所示。尾管?chē)娚渲鞅粍?dòng)再生CDPF系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的布置圖如圖1所示。

表3 DOC、DPF載體及涂層參數(shù)

尾管?chē)娚渲鞅粍?dòng)再生(CDPF)系統(tǒng)主要由燃油泵、燃油控制閥、燃油噴嘴、DPF噴射控制器、燃油噴射系統(tǒng)、DOC、CDPF、DOC前排氣溫度傳感器、DPF前排氣溫度傳感器、DPF后排氣溫度傳感器和DPF壓差傳感器組成。

圖1 尾管?chē)娚渲鞅粍?dòng)再生CDPF系統(tǒng)布置圖

1.2 試驗(yàn)方法

本文以試驗(yàn)研究的方式研究了不同DOC前溫度、尾管?chē)娚鋰娪退俾?、DOC的PGM含量對(duì)DOC升溫性能的影響。

測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣流量和小時(shí)油耗，同時(shí)通過(guò)噴射監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)DOC前溫度、DPF前溫度、DPF后溫度和噴射系統(tǒng)油壓。

試驗(yàn)時(shí)，在不同DOC前溫度下，以不同的噴油速率向排氣尾管內(nèi)噴入再生燃油，測(cè)試不同PGM含量下的DOC的升溫性能。試驗(yàn)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣質(zhì)量流量保持為(230±3)kg/h，并通過(guò)增大發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩來(lái)提升DOC前溫度。DOC前溫度范圍為230～ 310℃，噴射系統(tǒng)的噴油壓力為(0.8±0.05)MPa；噴油脈寬為20～50，對(duì)應(yīng)的噴油速率如表4所示。

表4 不同噴油脈寬時(shí)的噴油速率

2 結(jié)果分析

2.1 溫度對(duì)DOC升溫能力的影響

安裝1#DOC和CDPF，尾管?chē)娚湎到y(tǒng)的噴油速率為16.4g/min時(shí)，DPF前溫度(即DOC后端溫度)隨DOC前溫度變化情況如圖2所示。

圖2 1#DOC升溫性能隨DOC前溫度的變化(噴油速率16.4g/min，貴金屬含量Ag/L)

由圖2可知，當(dāng)DOC前溫度為230℃時(shí)，DOC可轉(zhuǎn)化一定的再生燃油，表現(xiàn)為DPF前溫度上升，同時(shí)排氣管聯(lián)通大氣端排出大量未轉(zhuǎn)化的碳?xì)?，產(chǎn)生大量“白煙”，發(fā)生明顯的碳?xì)湫孤┈F(xiàn)象；當(dāng)DOC前溫度逐漸升高時(shí)，DPF前溫度逐漸升高，“白煙”明顯減少；當(dāng)DOC前溫度為311℃時(shí)，DPF前端溫度達(dá)到497℃，此時(shí)滿(mǎn)足CDPF的主動(dòng)再生溫度要求[5]。分析原因?yàn)?，DOC的升溫能力隨排氣溫度的升高而增強(qiáng)。當(dāng)DOC前溫度上升時(shí)，其轉(zhuǎn)化再生燃油的能力增強(qiáng)，氧化放熱增大，從而使得DPF前溫度逐漸升高，“白煙”現(xiàn)象逐漸消失。

2.2 尾管?chē)娚淞繉?duì)DOC升溫能力的影響

安裝1#DOC和CDPF，尾管?chē)娚湎到y(tǒng)的噴油速率改變時(shí)，達(dá)到目標(biāo)再生溫度(500℃)時(shí)的DOC前溫度(稱(chēng)為起噴溫度)如圖3所示。不同DOC前溫度、不同噴油速率時(shí)DOC的升溫性能曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 定流量時(shí)起噴溫度隨噴油速率的變化曲線(xiàn)(貴金屬含量Ag/L)

圖4 1#DOC升溫性能隨DOC前溫度和噴油速率的變化(貴金屬含量Ag/L)

由圖3可知，達(dá)到目標(biāo)再生溫度所需的起噴溫度與噴油速率呈先減小后增大的關(guān)系。由圖4可知，當(dāng)噴油速率為27.8g/min時(shí)，DOC前溫度為228℃時(shí)難以達(dá)到目標(biāo)溫度，并且試驗(yàn)時(shí)有大量的“白煙”排出。

分析以上現(xiàn)象的形成原因，當(dāng)噴油速率較小時(shí)，DOC氧化燃油釋放的能量較少，對(duì)應(yīng)的起噴溫度較高，當(dāng)噴油速率增大時(shí)，更多的燃油參與氧化反應(yīng)，氧化放熱量增多。因此，該噴油范圍內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度所需的起噴溫度逐漸下降(如16.4～24.0g/min的噴油速率時(shí))。但當(dāng)噴油速率繼續(xù)增大時(shí)，由于DOC的氧化能力所限，DOC無(wú)法完全氧化噴入的燃油，加之燃油霧化會(huì)吸收一定的熱量，導(dǎo)致達(dá)到目標(biāo)溫度所需的起噴溫度逐漸上升(如27.8g/min的噴油速率時(shí))。綜上所述，尾管?chē)娚湓偕鷷r(shí)，起噴溫度存在1個(gè)最低值，該規(guī)格的DOC在該流量下對(duì)應(yīng)的最低起噴溫度值在240～244℃之間。

2.3 貴金屬涂層含量對(duì)DOC升溫能力的影響

圖5為使用PGM涂層含量為Ag/L和Bg/L的DOC時(shí)，噴油速率分別為16.4、20.2和 22.1g/min 時(shí)，DPF前溫度隨DOC前溫度的變化曲線(xiàn)。

圖5 不同PGM涂層含量DOC的升溫性能

由5可知，當(dāng)DOC前溫度和噴油速率相同時(shí)，使用涂層含量較大的DOC時(shí)，DPF前溫度更高。形成該現(xiàn)象的原因?yàn)?，隨著DOC的PGM涂層含量的增大，其轉(zhuǎn)化碳?xì)涞哪芰υ鰪?qiáng)，相同的噴油速率下，氧化燃油放出的熱量更大，因此，相同噴油速率、相同DOC前溫度時(shí)，使用PGM涂層含量高的DOC時(shí)，DPF前溫度更高。

圖6為采用不同PGM涂層含量的DOC在不同噴油速率時(shí)，達(dá)到目標(biāo)再生溫度時(shí)所需的起噴溫度曲線(xiàn)。表5為不同PGM涂層和噴油速率時(shí)的起噴溫度圖譜表。

圖6 不同PGM含量時(shí)起噴溫度隨噴油速率的變化

PGM涂層含量起噴溫度/℃16.4g/min18.3g/min20.2g/min22.1g/min24.0g/min28.7g/minA310287263250245244B307266251243240242

由圖6和表5可知： 使用不同PGM涂層含量的DOC，相同噴油速率時(shí)，達(dá)到目標(biāo)再生溫度所需的起噴溫度不同，較大PGM涂層含量的DOC起噴溫度更低。主要原因?yàn)椋琍GM涂層含量較大時(shí)，DOC的HC轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)，燃油氧化放熱更多，達(dá)到相同的目標(biāo)溫度所需的DOC前溫度也更低。在DOC的PMG涂層含量為Bg/L時(shí)，排氣尾管再生系統(tǒng)的最低起噴溫度為240～242℃。

3 DPF主動(dòng)再生起噴溫度的確定

尾管?chē)娚銬PF主動(dòng)再生系統(tǒng)起噴溫度的確定，除了考慮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況、噴射燃油的霧化效果外，還需考慮DOC的轉(zhuǎn)化性能。圖7為DPF與DOC的溫度差值隨DOC前溫度和噴油速率的變化關(guān)系曲線(xiàn)。

由圖7中噴油速率為16.4g/min時(shí)DPF-DOC的溫度差值曲線(xiàn)可知，隨著DOC前溫度的增大，DPF-DOC溫度差值先快速增大，然后緩慢減小。結(jié)合16.4g/min噴油速率時(shí)的DPF前溫度變化曲線(xiàn)可知，DPF前溫度由451℃上升為502℃期間，DOC前溫度增大了64℃，而DPF前溫度僅增大了51℃。由此可以確定，DOC前溫度上升到一定程度后，DOC的HC轉(zhuǎn)化能力已很難增加，若此時(shí)仍不能滿(mǎn)足目標(biāo)再生溫度，可通過(guò)增大噴油速率提升DOC的HC轉(zhuǎn)化放熱量，從而實(shí)現(xiàn)DPF的主動(dòng)再生。

圖7 DPF與DOC的溫度差值隨DOC前溫度的變化

該排氣流量下，當(dāng)車(chē)輛經(jīng)常在高速工況運(yùn)行時(shí)(DOC前排氣溫度大于300℃)，噴入少量燃油即可滿(mǎn)足主動(dòng)再生的溫度要求；當(dāng)車(chē)輛DOC前排氣溫度在240～300℃的范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可在起噴溫度時(shí)進(jìn)行噴油再生，以減少碳?xì)湫孤┈F(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)車(chē)輛DOC前溫度在240～250℃時(shí)，為了避免因碳?xì)湫孤┰斐啥挝廴?，需盡可能少的在該DOC前溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行主動(dòng)再生；當(dāng)車(chē)輛排氣溫度始終低于240℃時(shí)，應(yīng)避免進(jìn)行噴油再生。

4 總結(jié)

(1) DOC的升溫能力隨排氣溫度的升高而增強(qiáng)。隨著DOC前溫度升高，DOC的燃油轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，碳?xì)湫孤┬纬傻摹鞍谉煛敝饾u減少。

(2) 可以通過(guò)標(biāo)定達(dá)到目標(biāo)再生溫度所需的DOC前溫度隨噴油速率的變化關(guān)系曲線(xiàn)，來(lái)確定起噴溫度。隨著噴油速率的增大，起噴溫度先逐漸降低，然后緩慢上升。

(3) PGM涂層含量增大，起噴溫度減小，相同DOC前溫度下的DOC轉(zhuǎn)化HC能力增強(qiáng)。PGM涂層含量Ag/L時(shí)，起噴溫度為240～244℃；PGM涂層含量Bg/L時(shí)，起噴溫度為240～242℃。

(4) DPF尾管?chē)娚湎到y(tǒng)噴射溫度的確定，除了考慮DOC的轉(zhuǎn)化性能，還需結(jié)合車(chē)輛的運(yùn)行狀況。

[1] NISHANT S, SILPA M. DPF soot estimation challenges and mitigation strategies and assessment of available DPF technologies[C]. SAE Paper. Detroit, Michigan, USA.2013,2013-01-0838.

[2] MENG T Y， DAN L, VEMURI B. Analysis of ignition in diesel particulate filter[J]. Catalysis Today,2013,216： 158-168.

[3] 孟忠偉，李路，陳鵬，等.含水DPF壓降特性的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2015,36(3)： 68-71.

[4] 方顯忠，李國(guó)良，閆淑芳，等.進(jìn)氣和壓縮氣反吹缸內(nèi)燃燒再生的柴油機(jī)微粒過(guò)濾器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013,43(3)： 22-27.

[5] 寧智，劉雙喜，資新運(yùn)，等.柴油機(jī)排氣微粒旋流凈化技術(shù)的初步研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2000,18(2)： 140-144.

[6] 劉宏威，張凱凱，姚廣濤，等.用缸內(nèi)后噴和排氣管?chē)娪偷腄OC輔助DPF再生技術(shù)的研究[J].汽車(chē)工程，2015,37(4)： 391-395.

[7] HOON L, CHRISTOPHER J R. Modeling uncontrolled regeneration of diesel particulate filters, taking into account hydrocarbon slip[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D： Journal of Automobile Engineering,2013,277(2)： 281-296.

[8] TIMOTHY G, ARGUN Y, ROBERT S, et al. Evaluation of a DPF regeneration system and DOC performance using secondary fuel injection[C]. SAE Paper. Rosemont, Cook, Illinois, USA，2009,2009-01-2884.

[9] ISALINE L, ATHANASIOS T. A thermally efficient DOC configuration to improve CO and THC conversion efficiency[C]. SAE Paper. Detroit, Michigan, USA.2013,2013-01-1582.

[10] 李頂根，朱紅雨，成曉北.柴油機(jī)DOC輔助DPF再生燃油噴射規(guī)律的優(yōu)化[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī),2015(1)： 49-53.

[11] 曹明柱，王曉鵬，王云鵬，等.柴油機(jī)缸內(nèi)后噴對(duì)DOC溫度的試驗(yàn)分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2015(4)： 52-57.

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