DPF噴油助燃裝置工作參數對再生過程的影響＊

伏 軍，龔金科，吳 鋼，龍 罡，余明果，劉湘玲

（1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙 410082；2.邵陽學院機械與能源工程系，湖南邵陽 422004）

DPF噴油助燃裝置工作參數對再生過程的影響＊

伏 軍1，2，龔金科1?，吳 鋼1，龍 罡1，余明果1，劉湘玲1

（1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙 410082；2.邵陽學院機械與能源工程系，湖南邵陽 422004）

以噴油助燃再生方式為例，基于柴油機微粒捕集器（DPF）過濾體孔道熱再生模型，對噴油助燃再生裝置在不同工作參數下即噴油壓力、噴油率、補氣量等單因素變化時對再生過程過濾體排氣背壓、孔道內微粒層厚度及壁面峰值溫度等變化規律進行了研究與分析.結果表明：燃燒器的工作參數噴油壓力、噴油率、補氣量等對再生過程有顯著影響.隨著噴油壓力的提高，過濾體孔道再生壁面峰值溫度升高，加快再生速率.提高噴油率可加大燃燒器的功率，再生過程壁面峰值溫度增幅較大，從過濾體的安全耐熱溫度來看應加以控制，但噴油率提高到一定程度后，使排氣中氧含量不足，燃燒器燃燒效率下降，且影響微粒的氧化速度，導致再生速率隨之下降.適當補氣可增加排氣中氧含量，可加快再生過程，但進一步加大補氣量后由于對流傳熱散失作用加強將減緩再生過程.

柴油機；噴油助燃再生微粒捕集器；工作參數；再生

柴油機具有熱效率高、適應性好、功率范圍寬等優點，在車輛、施工機械等方面應用極為廣泛，其排放的微粒粒徑小、重量輕，能長時間懸浮于大氣中，極大地危害著人類的健康，隨環保形勢的日益嚴峻，柴油機的微粒排放問題已引起了人們足夠的重視，對其有效控制已成為當前柴油機發展過程中極其重要且極具挑戰的課題.目前，采用微粒捕集器（DPF）被認為是解決柴油機微粒排放問題最有效的手段［1－2］，其再生問題也成了人們研究的熱點，在諸多再生方式中，噴油助燃再生技術不受油品質量限制，燃燒器采用與柴油機相同的燃料，且各部件成熟件多，裝車使用時不需對發動機原結構做太大的改動，是一種適用性好、效率高和可靠性好的再生技術［3－4］.因此，本文以噴油助燃再生方式為例，結合DPF再生過程理論，基于自行設計的噴油助燃裝置，通過改變工作參數，如噴油壓力、噴油率、補氣量等來研究其對DPF再生過程排氣背壓、微粒層厚度及壁面峰值溫度等的變化規律，為噴油助燃再生裝置工作過程參數的控制與優化提供理論指導.

1 噴油助燃再生工作原理

圖1為DPF噴油助燃再生工作示意圖.在DPF捕集微粒過程中，由分布在過濾體前后的壓力傳感器1，2測得的排氣背壓信號實時反饋至電控單元（ECU），且與儲存在ECU的排氣背壓閾值MAP圖進行比較，當壓力降超過MAP圖在該工況下的設定值時，燃燒器立即工作，噴油系統、供氣系統分別通過噴油器3、進氣閥4按ECU所發出的指令定時定量進行噴油和進氣，迅速地完成霧化和混合過程.混合氣形成后則由安裝在燃燒器出口處的電熱塞5引燃，形成高溫燃氣，使排氣溫度大幅提高，當柴油機排氣溫度（由傳感器6，7測定）達到微粒的著火點，且排氣中氧氣含量充分時（ECU可根據發動機負荷－氧濃度關系控制進氣閥4的開啟來保證再生過程的氧含量），則沉積在DPF中的微粒迅速氧化燃燒，實現DPF的再生.

就再生過程而言，對于既定的噴油助燃裝置，其噴油壓力、噴油率及補氣量等的變化對排氣溫度、廢氣中氧含量及孔道微粒沉積厚度等有重要影響，進而影響過濾體的再生過程.為此，本文將通過調整噴油壓力、噴油率及補氣量等參數，實時測取相關試驗數據，建立過濾體不同的再生條件，基于過濾體孔道再生數學模型研究其再生特性.

圖1 DPF噴油助燃再生示意圖Fig.1 Burner-type diesel particulate filter

2 再生過程數學模型

根據Bissett的研究［5］，結合過濾體結構及微粒燃燒特點，對以往再生模型做適當簡化［6］，得到過濾體再生過程控制方程.

氣相連續性方程為：

式（1）～式（8）中各參量表征意義如表1所示（參量取值參見文獻［5－8］）.模型定解條件見表2.

表1 各方程參量表征意義Tab.1 Meaning of parameters for equations

表2 模型定解條件Tab.2 Definite solution condition for models

3 數值求解及結果分析

采用SIMPLE算法進行數值求解，其基本原理是先假設一壓力場，利用該壓力場求解動量方程的離散方程，獲得相應的速度場，并利用質量守恒方程來改進壓力場，要求與改進后的壓力場相對應的速度場能滿足連續性方程，再進行下一層次迭代求解［9］.結合本文具體問題，求解過程為：先給定進出口孔道初始壓力值，求解方程式（8）得到第1個節點氣流通過多孔壁面時的速度.再求解方程（1）、（2）就可得到下一節點的氣流速度，同時由方程（3）求得下一節點的氣體壓力.沿孔道長度z方向按上述過程求解，最終分別求得進、出口孔道最后節點的氣流速度、壓力.根據模型邊界條件要求，迭代結果要保證最后一個節點上的氣流速度值滿足v1（L，t）＝0或足夠小（近似為零），否則修正初始進口壓力值，從第1個節點開始重新迭代計算，直至滿足要求.同時，要保證出口孔道的最后一個節點的氣體壓力也滿足出口邊界條件，要近似等于Patm，否則重新給定出口孔道第1個節點的壓力值.重復上述迭代過程，這樣，便可求出氣體壓力場.根據各節點氣體壓力分布情況，通過噴油助燃裝置作為外熱源獲得的各廢氣溫度、方程式（4）、式（5）及氣體（將排氣視為理想氣體）狀態方程（9）求出孔道內氣體溫度分布.最后根據式（6）計算出微粒氧化反應生成焓ΔH，將求得的氣相流動參數和定解條件代入式（2），式（5）和式（7），從而求出過濾體壁面溫度和微粒層厚度分布等.

模型計算所需數據中，過濾體及其孔道物理參數如表3所示（其余參數見文獻［8］）.

表3 過濾體相關參數Tab.3 Parameters of filter

為獲得模型其他計算參數，如微粒沉積厚度、排氣氧含量、過濾體初始溫度、排氣質量流量、過濾體入口溫度等，在如圖2所示的試驗臺架上進行測量.

基于柴油機中小負荷，試驗隨機選取了柴油機負荷25%轉速1 400 r／min的工況，測得排氣體積流量、氧含量等實驗數據（見表4），并在一定噴油率下控制噴油壓力，測量該工況下過濾體入口端溫度（考慮到過濾體入口端處離火焰部位較遠，此時廢氣溫度已近均勻，可忽略端面處溫度梯度影響，在入口端面某點測得的溫度可近似代替入口孔道的入口溫度）.

圖2 柴油機微粒捕集器噴油助燃再生試驗臺Fig.2 Burner-type DPF regeneration test-bed

表4 柴油機試驗參數Tab.4 Trial parameters of diesel engine

對于微粒起始沉積厚度wb的確定，可以利用在穩態工況下由壓力傳感器測得的初始排氣背壓（Δp）來對其加以計算，對Δp具體模型可表述為［8，10］：

式中：Δp為排氣背壓，Pa；μ為氣流動力黏度，μ＝2.946×10－5N·s·m－2；kw為干凈過濾體小孔壁面滲透率；ks為小孔壁面上濾餅層的滲透率；F為動量傳遞系數，F＝28.454；ζ為局部壓力損失系數，ζ＝0.82.則wb＝f－1（Δp）.

通過迭代計算得到初始微粒沉積厚度wb＝13.08×10－5m.

將上述各參數代入數學模型求解，得到如圖3和圖4所示不同噴油壓力下過濾體孔道壁面峰值溫度、微粒層厚度隨時間變化情況.

圖3 噴油壓力對孔道壁面峰值溫度的影響Fig.3 Effect of oil-spray pressure on wall maximum temperature of filter channels

圖4 不同噴油壓力再生過程微粒層厚度隨時間的變化曲線Fig.4 Change of particulate layer thickness with different oil-spray pressure

從模擬結果來看，再生時燃燒器工作后，在每一種噴油壓力P下，過濾體孔道壁面峰值溫度在前期變化較緩，其主要原因為入口孔道內沉積微粒在該階段與高溫廢氣有一傳熱過程.當微粒溫度達到其起燃溫度后，微粒才開始氧化燃燒，由于柴油機排氣在中低負荷下處于富氧狀態，此時微粒急劇反應，氧化放熱遠大于排氣帶走的熱量，過濾體孔道內壁面峰值溫度急劇上升，在過濾體孔道后端位置峰值溫度達到極點，隨著微粒逐漸消耗，氧化反應減緩，孔道壁面峰值溫度開始下降，但下降趨勢較緩，直到過渡至微粒完全氧化，此時峰值溫度變化平穩.在不同噴油壓力下，隨油壓的增加，對應的壁面峰值溫度變化幅度越大，原因可歸納為其他工作參數不變時，隨噴油壓力的提高，燃燒器內燃油霧化效果越好，燃燒效率提高，提高了過濾體入口廢氣溫度，縮短了微粒的起燃期，對加速DPF再生過程有利.圖4為再生10 min過濾體孔道內微粒沉積層厚度的變化模擬結果，隨著噴油壓力升高，燃燒器燃燒效率有所改善，廢氣溫度升高，加快了微粒的氧化速率.但從圖3和圖4中噴油壓力P＝2.0 MPa，P＝2.1 MPa兩種情況來看，當噴油壓力變化幅度較小時峰值溫度、微粒氧化速率變化不明顯.

為考察噴油率變化對過濾體壁面峰值的影響，在相同壓力（P＝2.5 MPa）測取燃燒器不同噴油率時過濾體入口廢氣溫度值作為模型計算參數，迭代求解后得到孔道壁面峰值溫度、排氣背壓隨時間的變化曲線，如圖5所示.

由圖5可知，提高噴油率實際上是加大噴油量，燃燒器功率增加，微粒迅速起燃，過濾體孔道壁面峰值溫度急劇上升，當噴油率q從42.2 g／min增大至65 g／min時壁面峰值溫度曲線急劇上升，此時從過濾體安全耐熱使用壽命角度來講，需要對其加以控制.當微粒消耗到一定程度后，微粒層厚度減小，熱量對流散失作用相對增強，峰值溫度開始下降，微粒氧化速率變緩，直至再生完全后峰值溫度不再變化.但進一步加大噴油量，在不予補氣的情況下，當噴油率q分別為75 g／min，92 g／min時，燃油燃燒耗氧將使排氣進入過濾體孔道中的氧含量不足，導致微粒層氧化速率減緩，壁面峰值溫度下降，且從q＝75 g／min，q＝92 g／min壁面峰值溫度兩曲線對比情況來看，噴油率增加后燃燒耗氧量增大，此時參與微粒氧化反應的氧含量降低，導致孔道壁面峰值溫度降低.

圖5 噴油率對過濾體孔道壁面峰值溫度、排氣背壓隨時間的變化曲線Fig.5 Effect of oil-spray rate on wall maximum temperature ＆exhaust back-pressure

從圖5臺架再生試驗排氣背壓變化情況可以看出，適量增大噴油率，當噴油率q從42.2 g／min增大至65 g／min時，可加快再生過程，縮短再生時間.但隨著噴油率的進一步增大，在不補氣的情況下，將出現廢氣中氧含量不足，微粒氧化反應速度減緩，導致再生過程減慢，所需再生時間延長，當噴油率q＝75 g／min增大至92 g／min時，由于參與微粒氧化反應的氧含量降低，孔壁微粒層氧化速率減緩，此時導致噴油率q＝92 g／min對應的排氣背壓隨時間的變化反較q＝75 g／min時對應的曲線變化小，此時，為保證再生速率與效率，應及時補充空氣.

控制進氣閥開度得到不同補氣量，由于補氣過程中空氣流速較低，補氣壓力較小，對燃燒器燃燒性能、過濾體再生過程影響不予考慮，僅對補氣量（體積流量）對再生的影響進行研究，結果如圖6所示.

圖6 補氣量對壁面峰值溫度、微粒層厚度的影響Fig.6 Effect of air-supply flux on wall maximum temperature ＆particulate layer thickness

由圖6可知，當加大補氣量，體積流量V從450 L／min增大到600 L／min時，增大了排氣中氧含量，有助于微粒的氧化，起燃后，孔道壁面峰值溫度上升劇烈且增幅較大.當排氣處于富氧狀態下，隨著補氣量的進一步加大，體積流量V增大到800 L／min時，對微粒的氧化促進作用并不明顯，當補氣量超過某一范圍時，由于空氣傳熱散失作用增強，反而導致微粒壁面峰值溫度下降.從再生10 min模擬結果來看，微粒層厚度隨再生時間的變化速率隨補氣量的增加而加快，這一點可從V＝450 L／min，V＝600 L／min微粒層厚度變化率曲線看出來；但進一步加大補氣量后，如V＝800 L／min時，對促進微粒的氧化速率作用不明顯，甚至由于對流傳熱散失嚴重，將削弱微粒的燃燒效率，使微粒層厚度隨時間的變化率反而下降.

試驗還隨機選取了其他中小負荷工況，通過對噴油壓力、噴油率及補氣量單因素控制，對過濾體的再生過程影響同上述變化規律基本一致.

4 結 論

1）中小負荷工況下，噴油助燃裝置工作參數對DPF再生過程有著重要影響，通過對噴油壓力、噴油率、補氣量等參數單因素的調整來考察對DPF的再生影響規律，為DPF噴油助燃再生過程的優化控制提供理論指導.

2）隨著噴油壓力的提高，過濾體孔道再生壁面峰值溫度升高，微粒氧化速率加快，微粒沉積厚度下降較快，再生時間縮短，但當噴油壓力變化幅度較小時，則對DPF再生過程影響不顯著.

3）在正常工作油壓下，提高噴油率可加大燃燒器的功率，再生過程壁面峰值溫度增幅較大，排氣背壓變化明顯，較大幅度地縮短再生過程，但從過濾體的安全耐熱溫度來看應加以控制，避免過濾體燒熔燒裂.噴油率提高到一定程度后，燃油燃燒耗氧量增加，則排氣中氧含量不足，如果不及時補氣，將使燃燒器燃燒效率下降，且影響微粒的氧化速度，導致再生過程變緩甚至再生不完全.

4）在噴油助燃再生過程中，適當補氣可增加排氣中的氧含量，微粒一旦起燃，將加快其氧化速率，加快再生過程.但進一步加大補氣量后，由于空氣與壁面微粒間的對流傳熱散失作用加強，對促進再生過程的作用不明顯.

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Study of the Impact of the Working Parameters of a Burner-type DPF on Regeneration

FU Jun1，2，GONG Jin-ke1?，WU Gang1，LONG Gang1，YU Ming－guo1，LIU Xiang-ling1

（1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China；2.Dept of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang Univ，Shaoyang，Hunan 422004，China）

Taking a burner-type diesel particulate filter（DPF）as an example and based on the pyrogenation regeneration model，the variety laws of the exhaust back-pressure，particulate layer thickness and wall maximum temperature，etc.during the burner-type DPF regeneration were studied and analyzed under different working parameters，such as oil-spray pressure，spray rate and air-supply flux.The results indicate that the working parameters could influence the regeneration evidently.With the improvement of the oil-spray pressure，the wall maximum temperature increased markedly，and the regeneration rate was quickened.The burner power became stronger with the increase of oil-spray rate，and the amplitude of the wall maximum temperature was greater.But for the safe endurable temperature of DPF，the oil-spray rate must be controlled.When the oil-spray rate reached a certain extent，the oxygen content in the exhaust was deficient，the combustion efficiency decreased，and the soot oxidation velocity and regeneration rate slowed down.It increased the oxygen content by air supply and the regeneration process quickened.But with more air-supply quantity，the regeneration may slow down because of the enhancement of convection transfer heat loss.

diesel engine；burner-type DPF；working parameter；regeneration

TK421.5

A

1674-2974（2011）06-0043-06＊

2010-11-19

國家自然科學基金資助項目（50876027）；湖南省教育廳資助項目（08C797）；湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主課題資助項目（61075002）

伏 軍（1979－），男，湖南岳陽人，邵陽學院講師，湖南大學博士研究生

?通訊聯系人，E-mail：gongjinke＠126.com