排氣管噴油再生的DOC輔助DPF系統(tǒng)起噴溫度的試驗(yàn)研究

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,無錫 214153)

排氣管噴油再生的DOC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,無錫 214153)

通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，在固定發(fā)動機(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，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。可通過標(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噴射再生系統(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，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 排氣尾管噴射 噴射速率 起噴溫度 柴油機(jī)顆粒捕集器

0 概述

隨著《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國三、四、五階段)》、《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排放污染物限值及測量方法(中國三、四階段)》、《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》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)動機(jī)、整車廠所聚焦的問題。目前，僅靠發(fā)動機(jī)燃燒標(biāo)定、改變?nèi)紵倚螤畹燃夹g(shù)已難以滿足逐漸加嚴(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)可通過過濾手段有效降低PM排放，其PM過濾效率高達(dá)95%以上[1-3]。

使用DPF系統(tǒng)時，隨著過濾碳煙的逐漸累積，發(fā)動機(jī)排氣阻力增大，使得發(fā)動機(jī)油耗升高，動力下降，因此需定期將沉積在DPF過濾體內(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，難以滿足單一車輛的使用。目前，熱再生中的缸內(nèi)后噴再生和排氣尾管噴油助燃再生應(yīng)用最為廣泛，尤其是排氣尾管再生因其開發(fā)費(fèi)用低、標(biāo)定周期短、適用車型廣等優(yōu)點(diǎn)，目前被大量后處理廠商采用[6]。

進(jìn)行排氣尾管再生時，通過安裝在排氣尾管的噴嘴噴入再生燃油，利用DOC氧化碳?xì)鋪硖岣吲艢鉁囟龋筆M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，噴入的再生燃油難以有效轉(zhuǎn)化，將造成“碳?xì)湫孤保⑷菀装l(fā)生不可控再生，影響DPF的再生安全性[7]；當(dāng)DOC溫度過高時，會導(dǎo)致DPF的再生工況區(qū)間變小。確定合理的尾管噴射再生溫度，不僅能減弱再生時的碳?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。

國外，文獻(xiàn)[8]重點(diǎn)研究了碳?xì)鋰娮彀惭b位置對DOC性能的影響，文獻(xiàn)[9]研究了不同孔密度的DOC的碳?xì)洹O的轉(zhuǎn)化性能差異。國內(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)不同尾管噴射噴油速率時DOC的升溫能力，文獻(xiàn)[10]仿真模擬了DOC的升溫曲線，文獻(xiàn)[11]試驗(yàn)研究了缸內(nèi)后噴對DOC入口溫度的影響。對于不同PGM涂層含量、DOC入口溫度下，不同噴油速率時DOC的升溫能力缺乏系統(tǒng)性的研究。本文基于凱龍藍(lán)烽公司的涂層和臺架資源，利用自主研發(fā)的尾管噴射系統(tǒng)控制再生燃油，系統(tǒng)性地研究了DOC前溫度、尾管噴射噴油速率、PGM涂層含量對尾管噴射再生時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)測試臺架、DPF尾管噴射再生系統(tǒng)、DOC+催化型DPF(CDPF)封裝樣件。試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)參數(shù)

柴油機(jī)測試臺架的相關(guān)設(shè)備如表2所示。

表2 柴油機(jī)測試臺架設(shè)備

本次測試所用DOC、CDPF載體、PGM涂層參數(shù)如表3所示。尾管噴射主被動再生CDPF系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的布置圖如圖1所示。

表3 DOC、DPF載體及涂層參數(shù)

尾管噴射主被動再生(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 尾管噴射主被動再生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、尾管噴射噴油速率、DOC的PGM含量對DOC升溫性能的影響。

測試過程中，通過臺架測試系統(tǒng)讀取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣流量和小時油耗，同時通過噴射監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測DOC前溫度、DPF前溫度、DPF后溫度和噴射系統(tǒng)油壓。

試驗(yàn)時，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，測試不同PGM含量下的DOC的升溫性能。試驗(yàn)期間，發(fā)動機(jī)的排氣質(zhì)量流量保持為(230±3)kg/h，并通過增大發(fā)動機(jī)扭矩來提升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，對應(yīng)的噴油速率如表4所示。

表4 不同噴油脈寬時的噴油速率

2 結(jié)果分析

2.1 溫度對DOC升溫能力的影響

安裝1#DOC和CDPF，尾管噴射系統(tǒng)的噴油速率為16.4g/min時，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，DOC可轉(zhuǎn)化一定的再生燃油，表現(xiàn)為DPF前溫度上升，同時排氣管聯(lián)通大氣端排出大量未轉(zhuǎn)化的碳?xì)洌a(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，DPF前溫度逐漸升高，“白煙”明顯減少；當(dāng)DOC前溫度為311℃時，DPF前端溫度達(dá)到497℃，此時滿足CDPF的主動再生溫度要求[5]。分析原因?yàn)椋珼OC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，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 尾管噴射量對DOC升溫能力的影響

安裝1#DOC和CDPF，尾管噴射系統(tǒng)的噴油速率改變時，達(dá)到目標(biāo)再生溫度(500℃)時的DOC前溫度(稱為起噴溫度)如圖3所示。不同DOC前溫度、不同噴油速率時DOC的升溫性能曲線如圖4所示。

圖3 定流量時起噴溫度隨噴油速率的變化曲線(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，DOC前溫度為228℃時難以達(dá)到目標(biāo)溫度，并且試驗(yàn)時有大量的“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，DOC氧化燃油釋放的能量較少，對應(yīng)的起噴溫度較高，當(dāng)噴油速率增大時，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)。但當(dāng)噴油速率繼續(xù)增大時，由于DOC的氧化能力所限，DOC無法完全氧化噴入的燃油，加之燃油霧化會吸收一定的熱量，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)。綜上所述，尾管噴射再生時，起噴溫度存在1個最低值，該規(guī)格的DOC在該流量下對應(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，噴油速率分別為16.4、20.2和 22.1g/min 時，DPF前溫度隨DOC前溫度的變化曲線。

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，使用涂層含量較大的DOC時，DPF前溫度更高。形成該現(xiàn)象的原因?yàn)椋S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，使用PGM涂層含量高的DOC時，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，達(dá)到目標(biāo)再生溫度時所需的起噴溫度曲線。表5為不同PGM涂層和噴油速率時的起噴溫度圖譜表。

圖6 不同PGM含量時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，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，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，排氣尾管再生系統(tǒng)的最低起噴溫度為240～242℃。

3 DPF主動再生起噴溫度的確定

尾管噴射DPF主動再生系統(tǒng)起噴溫度的確定，除了考慮發(fā)動機(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。

由圖7中噴油速率為16.4g/min時DPF-DOC的溫度差值曲線可知，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噴油速率時的DPF前溫度變化曲線可知，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，若此時仍不能滿足目標(biāo)再生溫度，可通過增大噴油速率提升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)車輛經(jīng)常在高速工況運(yùn)行時(DOC前排氣溫度大于300℃)，噴入少量燃油即可滿足主動再生的溫度要求；當(dāng)車輛DOC前排氣溫度在240～300℃的范圍內(nèi)運(yùn)行時，可在起噴溫度時進(jìn)行噴油再生，以減少碳?xì)湫孤┈F(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)車輛DOC前溫度在240～250℃時，為了避免因碳?xì)湫孤┰斐啥挝廴荆璞M可能少的在該DOC前溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行主動再生；當(dāng)車輛排氣溫度始終低于240℃時，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，來確定起噴溫度。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，起噴溫度為240～244℃；PGM涂層含量Bg/L時，起噴溫度為240～242℃。

(4) DPF尾管噴射系統(tǒng)噴射溫度的確定，除了考慮DOC的轉(zhuǎn)化性能，還需結(jié)合車輛的運(yùn)行狀況。

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2016-02-13)