張震 劉曉日 師熙隆 馬鳴陽(yáng) 孫偉偉 陳春曉

摘要：柴油機(jī)顆粒物捕集器是柴油機(jī)顆粒物后處理最有效的方法，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)使顆粒物堆積造成堵塞，DPF再生的效率受到很多因素的影響，本文通過(guò)AVL的方法建立模型，進(jìn)行仿真，研究柴油機(jī)尾氣溫度和尾氣中氧含量對(duì)DPF熱再生的影響。

Abstract： The diesel particulate filter is the most effective way of diesel particulate matter post-processing. A long time using can make the particulate matter accumulation caused by congestion. DPF regeneration efficiency is affected by many factors. Based on the simulation method of AVL， the influences of diesel engine exhaust gas temperature and oxygen proportion in exhaust on the DPF thermal regeneration are studied.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)顆粒捕集器;再生溫度;尾氣中含氧量;再生效率

Key words： diesel engine particle filter;regeneration temperature;oxygen in exhaust gas;regeneration efficiency

0? 引言

柴油機(jī)的主要排放物有氮氧化物和顆粒物等[1]，隨著柴油機(jī)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，對(duì)柴油機(jī)的尾氣處理系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格要求，尤其是對(duì)于顆粒物的排放不僅對(duì)質(zhì)量有要求，而且數(shù)量上也提出了要求。傳統(tǒng)的柴油機(jī)后處理的方式是柴油機(jī)顆粒物捕集器，但是其缺點(diǎn)是隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，顆粒物沉積量的增加，會(huì)導(dǎo)致排氣背壓升高，進(jìn)而導(dǎo)致油耗增加，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性都會(huì)下降?，F(xiàn)有DPF再生技術(shù)的缺點(diǎn)有在低速低負(fù)荷的工況下，排氣溫度不能提供足夠的熱量使顆粒物燃燒，導(dǎo)致DPF再生失敗;排氣時(shí)氧氣濃度較低，為了達(dá)到再生條件需要提高再生溫度，增加了能源損耗，也增加了DPF的熱負(fù)擔(dān)。

影響柴油機(jī)顆粒物捕集器再生效率的原因很多，為了提高DPF的再生效率，國(guó)內(nèi)外都有很廣泛的研究，目前研究較多的加熱再生方法有：噴油助燃再生、電加熱再生、微波加熱再生，燃?xì)饧訜嵩偕鶾2]。將DPF與DOC緊密藕合安裝作為后處理系統(tǒng)，可以獲得更好的處理效果，所以目前主流再生技術(shù)往往同時(shí)使用主動(dòng)再生和被動(dòng)再生。未來(lái)的應(yīng)用發(fā)展方向?qū)⑹荄OC+DPF+SCR聯(lián)合應(yīng)用在汽車(chē)尾氣的后處理技術(shù)上，孫文等研究了DOC+DPF+SCR聯(lián)合的應(yīng)用對(duì)小型柴油機(jī)性能及排放的影響[3]。但是這些技術(shù)的應(yīng)用都沒(méi)有離開(kāi)DPF的熱再生。近年來(lái)，河北工業(yè)大學(xué)仝暢等主要研究了DPF的散熱及影響參數(shù)，探討了DPF殼體厚度、環(huán)境溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響[4]。西華大學(xué)的劉苗等在研究中通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)架，用炭黑模擬尾氣中顆粒物，做了嚴(yán)格的定量實(shí)驗(yàn)，分析研究了來(lái)流因素對(duì)DPF熱再生的影響，給出了DPF熱再生時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化情況[5]。DPF在熱再生時(shí)，載體后段的溫度要高于前段，因?yàn)槌练e在DPF中的顆粒物在再生過(guò)程中燃燒放熱，使DPF整體的溫度升高，這樣的大量放熱可能會(huì)對(duì)DPF本身材料造成損壞，河北工業(yè)大學(xué)劉曉日等提出了搭建一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的構(gòu)想，在DPF外圍設(shè)置環(huán)狀冷卻裝置[6]，通過(guò)冷卻水箱的循環(huán)，帶走DPF中過(guò)多的熱量，保證DPF不被高溫?fù)p壞。

本文主要分析尾氣溫度及尾氣中氧氣含量對(duì)DPF熱再生的影響。基于此種現(xiàn)象，通過(guò)AVL boost的方法建立模型 [7，8]，對(duì)尾氣溫度及尾氣中含氧量對(duì)DPF熱再生的影響開(kāi)展研究。

1? 尾氣溫度對(duì)DPF熱再生的影響

尾氣溫度對(duì)DPF的再生效率的影響是很明顯的，在DPF的熱再生過(guò)程中，若尾氣溫度過(guò)低則積碳不能完全燃燒，仍會(huì)造成DPF的堵塞，若尾氣溫度過(guò)高，雖然沉積的顆粒物可以完全燃燒但是過(guò)高的溫度會(huì)損壞DPF，因?yàn)椴牧嫌衅淠褪軠囟?。目前常用的過(guò)濾材料有泡沫式過(guò)濾體、壁流式蜂窩過(guò)濾體、部分流過(guò)濾體和金屬絲網(wǎng)過(guò)濾體，泡沫式過(guò)濾體通常采用陶瓷材料，根據(jù)其不同，可分為堇青石陶瓷，氧化鋁陶瓷等，廣泛應(yīng)用的堇青石材料耐受溫度不是很高，常見(jiàn)DPF結(jié)構(gòu)如圖1。

本文使用AVL? Boost 軟件中內(nèi)置的 DPF 模型，該模型由進(jìn)口邊界、DPF載體段和出口邊界3部分組成，見(jiàn)圖2。在模擬過(guò)程中排氣質(zhì)量流量和氧含量保持不變。通過(guò)改變不同的進(jìn)氣溫度，觀察溫度變化（進(jìn)入DPF再生段的尾氣溫度）對(duì)DPF熱再生的影響。

本文分別模擬了在氧氣濃度為14%、20%、24%時(shí)，不同的進(jìn)氣溫度對(duì)DPF熱再生的影響，模擬結(jié)果如圖3所示。我們將模擬的進(jìn)口溫度（進(jìn)入DPF的尾氣溫度）設(shè)定為500℃至600℃之間，每隔20℃設(shè)定一種工況，通過(guò)對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，在尾氣中的氧濃度不發(fā)生變化時(shí)，溫度變化對(duì)DPF的再生效率是有影響的，而且隨著溫度的升高，再生效率也是有所增加的。但是溫度不可能無(wú)限的升高，因?yàn)槲覀冞€要考慮實(shí)際的進(jìn)氣情況，以及顆粒物捕集器的制作材料的耐受溫度，防止溫度過(guò)高對(duì)DPF的損壞。經(jīng)過(guò)上述圖像的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣溫度到達(dá)550℃以上時(shí)，DPF再生速率的增加并不明顯，而且550℃為DPF內(nèi)沉積顆粒物的再生起燃點(diǎn)，所以在選擇輔助加熱再生時(shí)，可以選擇550℃為加熱溫度。

2? 尾氣中氧含量對(duì)DPF熱再生的影響

柴油機(jī)是富氧燃燒[9，10]，尾氣中含氧量較多，采取控制變量法，保持進(jìn)氣溫度不變，改變不同的氧含量，采用同樣的模型進(jìn)行模擬。控制溫度不變，將氧濃度設(shè)定為7%、14%、20%、24%、30%這五個(gè)工況，將溫度分別設(shè)定為500℃、550℃、600℃。通過(guò)模擬分析在溫度不變的情況下，氧氣濃度對(duì)DPF熱再生的影響。模擬結(jié)果如圖4所示。由圖可見(jiàn)，隨著氧氣濃度的增加，DPF的再生效率也隨之改善，在氧氣濃度為20%左右時(shí)，DPF的再生情況明顯改善，此后氧氣濃度增加，顆粒物的減小幅度增加的并不明顯。

3? 結(jié)論

通過(guò)AVL boost的方法建立模型，進(jìn)行仿真模擬，研究結(jié)果表明溫度的升高以及氧氣濃度的提升都會(huì)對(duì)柴油機(jī)顆粒物捕集器的再生產(chǎn)生積極的影響。結(jié)合客觀條件的限制，比如材料的耐受溫度等影響，確定出DPF再生效率最高的參數(shù)，溫度為550℃，氧氣濃度為20%左右時(shí)，該DPF有較高的再生效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]江舸.淺談柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放與控制技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（22）：41-42.

[2]姜大海.車(chē)用柴油機(jī)微粒捕集器噴油助燃復(fù)合再生技術(shù)研究[D].北京交通大學(xué)，2017.

[3]孫文，王蘭紅，孫柯，白書(shū)戰(zhàn)，李國(guó)祥.DOC+DPF+SCR后處理系統(tǒng)對(duì)小型柴油機(jī)性能及排放的影響[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2019，36（05）：1-4，19.

[4]仝暢，劉曉日，陳林睿，張鐵臣，黎蘇.散熱參數(shù)對(duì)DPF溫度的影響[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2018，35（06）：30-34，46.

[5]劉苗.溫度對(duì)DPF再生性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[D].西華大學(xué)，2017.

[6]劉曉日，封碩，張鐵臣，黎明，張啟成，黎蘇.一種DPF再生控制系統(tǒng)及該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)[P].CN207048843U，2018-02-27.

[7]姚紅飛.淺談基于AVL-BOOST軟件的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程[J].科技與創(chuàng)新，2015（15）：17-18.

[8]黃開(kāi)勝，馬晗清.基于Simulink和AVL Boost的DPF再生系統(tǒng)建模和控制策略研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2013，34（S1）：19-24.

[9]王志磊，劉文斌，吳亞龍，宋楊.共軌柴油機(jī)不同噴孔形式對(duì)燃油噴霧及燃燒特性的影響[J].柴油機(jī)，2019，41（05）：18-20，34.

[10]伍賽特.柴油機(jī)燃燒過(guò)程的主要影響因素及改善措施[J].能源與節(jié)能，2019（11）：63-64，71.