基于DOC氧化乙醇助燃再生DPF研究

焦宇飛，姚廣濤，鄧成林，張衛鋒，資新運

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161)

基于DOC氧化乙醇助燃再生DPF研究

焦宇飛1，姚廣濤2，鄧成林2，張衛鋒2，資新運2

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161)

針對傳統的噴油助燃再生的柴油機顆粒捕集器(DPF)容易產生二次污染的缺點，提出借助柴油機氧化催化轉換器(DOC)氧化乙醇產生熱量進行DPF再生的方法。搭建系統硬件平臺，在發動機臺架上進行發動機排氣溫度和乙醇噴射量對DOC氧化乙醇效率特性研究，并根據氧化特性設定相關控制策略。將系統安裝在堆高機上進行實車試驗，試驗表明，DOC氧化乙醇能夠實現DPF再生。

乙醇助燃系統；柴油機顆粒捕集器(DPF)；柴油機氧化催化器(DOC)；氧化效率

柴油機具有良好的動力與經濟性，被廣泛用于大型道路與非道路移動機械上。但隨著國Ⅴ排放標準的實施，顆粒物排放成為柴油機進一步推廣應用的短板。柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filer，DPF)是降低顆粒物排放最直接、有效、實用的方法，再生技術是DPF的關鍵[1]。

對于DPF再生，目前使用較為廣泛的是噴油助燃再生技術，該技術主要通過在柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)前噴射一定量的霧化柴油，通過DOC氧化柴油釋放熱量，提升DPF溫度達到顆粒物著火點，實現DPF的再生，這種方法具有經濟實用的優點[2-3]。但也存在一些不足，主要體現在：柴油密度與黏度較大，難以完全霧化，導致再生時難以完全氧化易產生CO、HC等造成二次污染[4-5]；柴油中的硫成分對于DOC壽命影響很大，很容易造成催化劑中毒；柴油的沸點與燃點較高，柴油機在低速與怠速狀態溫度較低，難以達到再生條件等。相對于柴油，乙醇密度和黏度都比較低，噴射過程更易被霧化；乙醇屬于含氧燃料，且沸點較低、辛烷值高，再生過程更易被完全氧化產生更多熱量，并減少二次污染的產生；乙醇中不含任何硫成分，不會產生影響DOC壽命的硫酸鹽成分；乙醇屬于可再生產品，清潔環保，非常經濟適用。因此，采用DOC氧化乙醇的方法實現DPF再生，比傳統噴油助燃系統有更大的優勢。本文設計了一套利用DOC氧化乙醇的方法實現DPF再生的裝置，并借助在線故障診斷(on-board diagnostics，OBD)技術實現數據的實時監控與故障報警。

1 基于乙醇助燃再生DPF系統構建

1.1 系統組成

基于乙醇助燃再生DPF再生系統構成如圖1所示，再生系統包括排氣管路、電控單元(electronic control unit，ECU)、溫度傳感器、背壓傳感器、氧傳感器、乙醇噴射系統、DOC、DPF以及車載無線模塊等。乙醇噴射系統由乙醇罐、儲氣罐、氣泵、穩壓閥和二位二通閥構成。系統控制氣泵為乙醇提供噴射氣壓，在一定的噴射氣壓下空氣罐氣體流經穩壓閥后分成兩路，一路氣體經過阻尼孔提供乙醇輔助噴射壓力，另一路氣體則提供乙醇的噴射壓力，通過計量閥和二位二通閥調節乙醇噴射占空比實現乙醇噴射量的調節。

圖1 乙醇助燃DPF再生系統

系統通過測定尾氣的溫度和背壓，判斷合適的再生時機，根據DOC氧化乙醇特性，選擇合適的噴射時機和噴射量達到迅速提升DPF溫度實現再生的目的。再生數據通過車載無線模塊實時上傳互聯網，通過遠程客戶端實現對DPF再生過程的實時監控與診斷。

1.2 再生系統原理

再生時，噴射系統在尾氣管上游噴射霧化乙醇，乙醇與尾氣混合后流經DOC，在DOC催化劑的作用下，乙醇被氧氣氧化，釋放熱量提升排氣溫度，使DPF升溫達到再生目的。

2 乙醇氧化效率

為保證DPF再生成功，乙醇在DOC氧化過程中，溫度必須達到顆粒物的著火點溫度600°C，但又不能過高以避免損壞DPF。溫度的控制受乙醇氧化效率與氧化時間的影響較大。因此需要研究乙醇在DOC中的氧化效率，來確定乙醇噴射的最佳時機與噴射量。

乙醇氧化效率在理論上通過下式得到[6]：

(1)

噴射質量可以通過稱取乙醇噴射完畢實際減少質量獲取，乙醇氧化質量則要通過燃燒釋放的能量來計算。根據能量守恒定律，將排氣加熱到DPF再生溫度需要吸收的功率：

QΔt=VExh·ρ·CExh·ΔT+ΔQ

式中：VExh為發動機排氣流量，m3/h；GFuel為燃油質量流量，kg/h；n為發動機轉速，r/min；l為發動機排量，L；k為渦輪增壓器增壓比；ρ為排氣密度，kg/m3；CExh為排氣比熱容，J/kg·K；ΔT為排氣升溫，K；ΔQ為DOC散失熱量，J/h。

在較短時間內，DOC散失熱量較少可忽略，排氣的比熱容和密度用空氣的比熱容和密度近似替代[7]。由于乙醇氧化放熱的熱功率近似等于排氣升溫所需的功率，即

QΔt=QEth

(2)

式中QEth為DOC氧化乙醇釋放的熱功率，QEth=Q·qEth·ΔT乙醇氧化溫度。其中：Q為計量閥噴射速率，kg/h；qEth為乙醇燃燒熱，J/kg。

通過式(1)、式(2)可以得出乙醇氧化質量：

(3)

因此通過測定DOC后溫度、DOC前溫度、噴射時間就可以計算出乙醇氧化質量。

為了研究乙醇的氧化效率受排氣溫度與噴射量的影響，搭建發動機試驗臺架。試驗中采用康明斯6BT5.9型號發動機，發動機具體參數見表1，DOC與DPF相關參數見表2。

表1 發動機參數

表2 DOC和DPF參數

臺架主要由發動機、測功機、控制臺、后處理裝置、數據采集系統、尾氣分析儀以及相應的傳感器等組成。根據發動機臺架管道布置，將DOC+DPF后處理裝置安裝在排氣管道直管處，尾氣分析儀兩個取氣口分別設置在DOC入口前25 cm處和DOC與DPF之間耦合間隙處。

在一定的噴射量與噴射時間條件下，通過調節發動機轉速與負荷，測得發動機不同排溫下的乙醇氧化效率隨DOC入口溫度變化(如圖2所示)。由圖可知DOC在低于220°C溫度時，乙醇氧化效率較低，高于220°C以后，隨著DOC溫度的逐步提升，乙醇氧化效率迅速提升，并在270°C時達到接近90%的氧化效率，隨著DOC溫度的進一步提升，乙醇氧化效率提升速率變緩。

為研究乙醇氧化效率與乙醇噴射量的關系，在臺架試驗中測得乙醇噴射系統在輔助壓力為400 kPa時，發動機轉速分別在1 000、1 400、1 800 r/min時，不同轉矩和占空比的乙醇氧化效率(如圖3—5所示)。

圖2 乙醇氧化效率隨DOC入口溫度的變化曲線

圖3 1 000 r/min時乙醇氧化效率曲線

圖4 1 400 r/min時乙醇氧化效率曲線

圖5 1 800 r/min時乙醇氧化效率曲線

由圖可知：在同一轉速下，乙醇氧化效率隨轉矩的增加而增加；在相同的轉速與轉矩下，乙醇氧化效率隨占空比的增加而逐步增加。占空比在30%以前，乙醇氧化效率較低，隨著占空比的增加乙醇氧化效率迅速提升，達到60%以后上升趨勢逐漸減緩。

根據乙醇氧化特性和應用過程中的經濟實用性，在乙醇噴射再生系統中，選取270°C作為實現再生時DOC進氣溫度。再生過程中，乙醇以60%占空比進行噴射。系統工作時，利用背壓傳感器、溫度傳感器等對相關參數進行記錄，同時計時器對ECU上電時間進行計時。當背壓超過限值，或者ECU工作時間超過設定限值，且DOC入口溫度到達270°C以上并能夠持續40 s，說明具備再生條件，DCU控制乙醇噴射系統，以60%的占空比向尾氣中噴射霧化乙醇，乙醇在DOC中迅速氧化使得DOC、DPF溫度迅速提升。當DOC后排氣溫度即DPF前排溫達到600°C時，達到PM顆粒著火點，開始進行再生[8]。為了避免溫度一直上升損壞DPF，當DOC后排溫達到700°C時，DCU控制乙醇噴射系統改變占空比，以30%的占空比進行噴射，降低乙醇氧化溫度。當溫度降到600°C以下時，重新改變占空比，從而控制再生時溫度在合理區間，直到再生完成為止。OBD系統對再生過程進行監測實時上傳數據并進行診斷，如果出現問題，則發出報警，點亮故障報警指示燈。

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

為了驗證乙醇系統的再生效果，將其安裝在卡爾瑪KWT751E型堆高機上進行實車試驗。根據堆高機結構特點，將乙醇噴頭裝在排氣管尾部距離DOC前端10 cm處。在DOC前、后分別布置溫度和背壓傳感器。

3.2 試驗過程

堆高機再生一次數據如圖6所示。由數據可知，發動機啟動初期排溫度較低，在120°C左右；在運行至800 s左右時，開始進行再生，DOC溫度迅速上升至600°C，并能夠穩定在600～700°C，再生過程共計持續600 s。DPF相對DOC溫度有相對延遲，經過加熱，DPF溫度能夠達到600°C以上，能夠滿足再生條件，實現DPF的成功再生。

圖6 再生數據監測

4 結 論

(1)本文設計的一套利用DOC氧化乙醇助燃

DPF系統，通過進行實車試驗，證明該系統能夠使DOC溫度維持在600～700°C，幫助DPF實現再生；

(2)乙醇氧化效率受DOC氧化溫度與噴射占空比影響較大，在270°C、占空比為60%時，能夠達到較為理想的乙醇氧化效率。

[1] HARADA K, YAMADA H. Development of high performance catalyzed DPF with new soot particulate trap regeneration[J]. Catalysis Suverys from Asia, 2010(14):176-184.

[2] 張德滿,李舜酩,李凱,等.DOC輔助DPF再生方法研究[J].機械工程學報,2010,46(24):108-117.

[3] GAO W Z, FENG L M. FEM analysis on acoustic performance of wall flow diesel particulate filters[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2011,24(4): 701-706.

[4] ZHAO H, GE Y S, ZHANG T Z. Unregulated emissions from diesel engine with particulate filter using Fe-based fuel borne catalyst[J]. Journal of Environ menal Sciences, 2014,26:2027-2033.

[5] 資新運,杜小東,張衛鋒,等.柴油機DPF系統OBD功能模塊結構設計[J].內燃機,2012,46(6):28-30.

[6] 王丹,劉仲長,王忠恕,等.柴油機微粒捕集器缸內次后噴主動再生方法[J].吉林大學學報(工學版),2012,35(4):551-556.

[7] 馮謙,樓狄明,計維斌,等.DOC/DOC+CDPF對重型柴油機氣態物排放特性的影響研究[J].內燃機工程,2014,32(3):1-6.

[8] Andrew P E York，Mehrdad Ahmadinejad. Modeling of the Catalyzed Continuously Regenerating Diesel Particulate Filter (CCR-DPF) System: Model Development and Passive Regeneration Studies[C]. SAE Paper 2007-01-0043.

(編輯：張峰)

Oxidizing Ethanol with DOC to Assist DPF Regeneration

JIAO Yufei1, YAO Guangtao2, DENG Chenglin2, ZHANG Weifeng2, ZI Xinyun2

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

Since traditional regeneration diesel particulate filer (DPF) easily produces secondary pollution, the paper firstly puts forward the method of oxidizing ethanol with diesel oxidation catalyst (DOC) to assist DPF regeneration. Then, it establishes hardware platform of the system and studies the influence of engine exhaust temperature and ethanol injection quantity on oxidation efficiency on engine test bed, and sets up related control strategy according to the oxidation property. Finally, it tests the system on forklift, and the result shows that oxidizing ethanol with DOC can realize DPF regeneration.

ethanol combustion-supporting system; diesel particulate filer (DPF); diesel oxidation catalyst (DOC); oxidation efficiency

2017-02-27；

2017-03-16. 作者簡介： 焦宇飛(1991—)，男，博士研究生.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.009

TK421

A

1674-2192(2017)08- 0037- 04

● 車輛工程 Vehicle Engineering