基于碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)工況的DPF再生實(shí)驗(yàn)研究

朱萬冬，梁鄭岳，陳曉克，李常侃，葉玉勝

1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司 廣西南寧 537005；2. 廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院 廣西南寧 530007

0 引 言

由于顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）處理技術(shù)能實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%以上的顆粒過濾效率，成為達(dá)標(biāo)國六、T4 排放必不可少的關(guān)鍵部件［1-2］。DPF后處理技術(shù)主要用于捕集發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中顆粒成分，當(dāng)DPF捕集顆粒到一定程度后，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力增大，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗惡化、動(dòng)力下降、堵塞冒煙等發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)加大，影響車輛的正常使用。因此，必須定期除去DPF載體捕集的顆粒，即進(jìn)行DPF再生。

目前，DPF再生的方式有機(jī)械再生和熱再生兩種。機(jī)械再生通過反吹、振動(dòng)等方式，需要拆卸DPF裝置，會(huì)占用車輛運(yùn)行時(shí)間和增加費(fèi)用。通常排氣管的溫度只有300 ℃左右，熱再生通過提升DPF入口溫度到600 ℃以上，實(shí)現(xiàn)累積碳顆粒的燒毀清除。缸內(nèi)后噴再生和排氣尾管碳?xì)鋰娚湓偕捎诰哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、標(biāo)定周期短、開發(fā)費(fèi)用低、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，受到了商用車研發(fā)單位的青睞［3］。

缸內(nèi)噴射是通過發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴油器在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)后噴油，在氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）上氧化反應(yīng)升溫，提高DPF入口的溫度，實(shí)現(xiàn)DPF中累積的碳顆粒快速燃燒，但該技術(shù)存在遠(yuǎn)后噴對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。碳?xì)鋰娚涫侵竿ㄟ^一支單獨(dú)安裝在排氣管的噴油器將燃油噴射到DOC前的排氣管中，與排氣混合后到DOC中氧化反應(yīng)升溫，DPF累積顆粒在較高的排溫下與氧氣反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)再生。碳?xì)鋰娚淇梢杂行Ы鉀Q機(jī)油稀釋問題，不影響發(fā)動(dòng)機(jī)本身運(yùn)行，具有研究意義。盡管目前在碳?xì)鋰娚漕I(lǐng)域已有了一定的研究成果，但對(duì)于排氣管燃油碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)的噴射頻率、碳?xì)浠旌掀鞯炔考绊懭匀狈ο到y(tǒng)性研究［4-5］。

本文通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，在固定DOC和DPF入口溫度的條件下，系統(tǒng)性地研究了排氣尾管燃油噴射頻率和碳?xì)浠旌掀鲗?duì)DOC的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化性能的影響，得出了DOC性能的變化規(guī)律，并通過了整車驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

臺(tái)架實(shí)驗(yàn)采用玉柴某款滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型柴油機(jī)，其參數(shù)如表1 所示，主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)如表2 所示。本研究的DPF碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)如圖1 所示。

圖1 碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of hydrocarbon injection system

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Engine specifications

表2 主要設(shè)備列表Tab.2 Main test instruments and equipment

如圖1 所示，碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)主要由斷油電磁閥、壓力傳感器、碳?xì)鋰娮臁⑻細(xì)浠旌掀鞯炔糠纸M成，布置在DOC 前端。碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)的燃油通過低壓燃油泵供給；斷油電磁閥用于車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)（On-Board Diagnostics，OBD）診斷及非再生工況下關(guān)閉燃油輸送；壓力傳感器用于監(jiān)控碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)的燃油壓力和油管中油壓進(jìn)行OBD診斷；碳?xì)鋰娮旄鶕?jù)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）指令進(jìn)行燃油噴射；碳?xì)浠旌掀饔糜诩訌?qiáng)噴出的燃油和排氣混合，使混合均勻的碳?xì)淠軌蛟贒OC充分氧化燃燒，從而提高DOC轉(zhuǎn)化效率。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過實(shí)驗(yàn)研究了排氣尾管燃油噴射頻率和碳?xì)浠旌掀鲗?duì)DOC碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化性能的影響。

通過分析原機(jī)再生實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，選取了碳?xì)渑欧泡^高的2個(gè)典型工況（工況①，1 000 r/min @264 N·m；工況②，1 200 r/min@335 N·m）進(jìn)行研究。為了方便對(duì)比和評(píng)價(jià)，控制DOC入口溫度和DPF入口溫度一致，以考核不同碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)部件對(duì)碳?xì)渑欧诺挠绊憽Ｆ渲蠨OC入口溫度通過缸內(nèi)后噴標(biāo)定實(shí)現(xiàn)，DPF入口溫度通過碳?xì)鋰娚溟]環(huán)控制為600 ℃。

碳?xì)鋰娮靽娚漕l率基于噴嘴及控制器驅(qū)動(dòng)能力設(shè)定，碳?xì)浠旌掀骰诹鲌鼍鶆蛐院捅硥嚎刂七M(jìn)行方案選擇。

2 結(jié)果分析

2.1 碳?xì)鋰娮靽娚漕l率對(duì)碳?xì)渑欧诺挠绊?/h3>

碳?xì)鋰娮靽娚漕l率是指單位時(shí)間內(nèi)噴嘴打開的次數(shù)。如圖2 所示，基于相同油壓，實(shí)現(xiàn)DPF入口再生溫度600 ℃，隨著碳?xì)鋰娮靽娚漕l率增加，碳?xì)渑欧艥舛冉档汀Ｖ饕蚴菃挝粫r(shí)間內(nèi)噴油量一定的條件下，碳?xì)鋰娮靽娚漕l率增加，也就是增加噴射次數(shù)，燃油霧化越好，燃油與排氣混合得越充分，即霧化混合可以較好地提升DOC轉(zhuǎn)化效率。反之，噴射頻率過低會(huì)使噴射出來的碳?xì)潇F化不好，霧化不良的碳?xì)湟簿筒荒艹浞秩紵a(chǎn)生大量的碳?xì)渑欧牛瑥亩鴮?dǎo)致冒白煙現(xiàn)象和油耗高問題。

圖2 不同碳?xì)鋰娮靽娚漕l率對(duì)碳?xì)渑欧诺挠绊慒ig.2 Effects of different injection frequencies on HC emission

如圖3 所示，碳?xì)鋰娮靽娚漕l率為5 ～ 10 Hz時(shí)，單位時(shí)間的HC噴射量逐漸減少；10 ～ 12 Hz時(shí)，單位時(shí)間的碳?xì)鋰娚淞炕静蛔儭８鶕?jù)頻率與周期的關(guān)系，碳?xì)鋰娚漕l率越大，碳?xì)鋰娮斓墓ぷ髦芷谠蕉獭５怯捎趪娮斓奈锢硖匦裕細(xì)鋰娮旃ぷ髦芷谶^短會(huì)導(dǎo)致噴嘴在沒有完全打開的情況下再次關(guān)閉，影響燃油的正常噴射。因此，每一個(gè)碳?xì)鋰娮於加幸粋€(gè)最佳工作周期，也就是最大的噴射頻率。

圖3 不同碳?xì)鋰娮靽娚漕l率對(duì)碳?xì)鋰娚淞坑绊慒ig.3 Effects of different injection frequencies on HC injection volume

綜合碳?xì)鋰娮煊布芰吞細(xì)渑欧沤Y(jié)果，最終選擇了10 Hz的噴射頻率。

2.2 碳?xì)浠旌掀鲗?duì)HC排放的影響

如圖4 所示，原方案混合器為十字型的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)混合器，基于流場均勻性、流速及背壓因素，設(shè)計(jì)了3 種不同的方案。方案①：在原方案基礎(chǔ)上增加擾流柱，通過加強(qiáng)氣體擾動(dòng)，增強(qiáng)油氣混合能力。方案②：考慮擾流的同時(shí)增加氣體流速，以達(dá)到油氣快速充分混合。方案③：通過擾流板交叉，進(jìn)一步增加混合氣的相互攪動(dòng)，以增強(qiáng)混合。

圖4 碳?xì)浠旌掀鞣桨窮ig.4 Schemes of HC mixer

從仿真結(jié)果來看，由方案①到方案③，流場均勻性和流速增大，混合效果逐步增強(qiáng)。如圖5 所示，碳?xì)鋰娚鋵?duì)混合器段兩端壓力、混合器段壓降均有影響，在標(biāo)定點(diǎn)背壓依次為10.6、11.3、14.6 kPa 時(shí)，混合器前后的壓降也同步增加，而背壓大會(huì)同步帶來整車油耗的增加。

圖5 不同混合器壓降及背壓圖Fig.5 Pressure drop and back pressure diagram of different mixers

3 種方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示，其中方案③的霧化混合較好，可提高DOC轉(zhuǎn)化效率。通過拆檢混合器檢查發(fā)現(xiàn)，方案③在密封處有少量液膜和液滴，預(yù)計(jì)混合器上可能有燃油沉積。兼顧背壓和碳?xì)渑欧趴紤]，選擇方案②。

圖6 不同混合器對(duì)碳?xì)渑欧庞绊憟DFig.6 Effect diagram of different mixers on HC emission

2.3 基于碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)的再生驗(yàn)證

按照10 Hz的噴射頻率和混合器優(yōu)化方案②的組合裝車，通過駐車和行車進(jìn)行再生驗(yàn)證。

2.3.1 駐車再生

圖7 展示了優(yōu)化前后駐車再生DPF入口溫度變化情況和駐車再生碳載量變化情況。優(yōu)化前，DPF入口溫度波動(dòng)較大，高溫階段平均溫度540 ℃，碳載量從22.4 g降到7.1 g，再生效率為68.3%，再生溫度的不穩(wěn)定性和熱傳遞速率影響了積碳的燃燒速率，碳載量下降較為平緩；優(yōu)化后，DPF入口溫度波動(dòng)較小，高溫階段平均溫度595 ℃，碳載量從21.9 g降到1.2 g，再生效率達(dá)94.5%，總體碳載量下降較快，呈現(xiàn)先急后緩的燃燒現(xiàn)象。初始階段，大量積碳同時(shí)燃燒，熱傳遞較快，燃燒較為激烈，在碳載量下降到5 g后，熱傳遞速率降低，燃燒較為緩慢，碳載量下降速率明顯降低。

圖7 優(yōu)化前后駐車再生DPF入口溫度及碳載量變化圖Fig.7 Schematic diagram of DPF inlet temperature and PM load on parking regeneration before and after optimization

圖8 展示了優(yōu)化前后駐車再生碳?xì)鋰娚淞孔兓闆r。優(yōu)化前，噴射壓力700 kPa，噴射頻率5 Hz，DPF入口溫度和碳?xì)鋰娚淞坎▌?dòng)較大，平均碳?xì)鋰娚淞?4.8 g/min，碳?xì)浠旌喜痪鶆颍偕蕛H為68%，DOC中碳?xì)溲趸磻?yīng)效率低，導(dǎo)致很多的未燃碳?xì)渲苯优懦觯偕^程排氣尾管冒白煙；優(yōu)化后，碳?xì)鋰娚淞肯鄬?duì)平穩(wěn)，主要根據(jù)工況變化而變化，DPF入口溫度和碳?xì)鋰娚淞康玫搅溯^好的控制，平均碳?xì)鋰娚淞?2.5 g/min，改善碳?xì)浠旌虾螅偕^程排氣尾管無冒白煙現(xiàn)象，駐車再生效率94%，平均碳?xì)鋰娚淞康陀趦?yōu)化前狀態(tài)，整車駐車再生油耗改善了2.3%。

圖8 優(yōu)化前后駐車再生碳?xì)鋰娚淞孔兓瘓DFig.8 Schematic diagram of hydrocarbon injection on parking regeneration before and after optimization

2.3.2 行車再生

圖9 展示了優(yōu)化前后行車再生DPF入口溫度變化情況和行車再生碳載量變化情況。優(yōu)化前，DPF入口溫度波動(dòng)較大，高溫階段平均溫度520 ℃，碳載量從22.6 g降到9.9 g，碳載量下降較為平緩，再生效率為56.2%；優(yōu)化后，DPF入口溫度相對(duì)平穩(wěn)，高溫階段平均溫度580 ℃，碳載量從22.3 g降到2.1 g，碳載量下降呈現(xiàn)先急后緩現(xiàn)象，再生效率提升到90.6%。

圖9 優(yōu)化前后行車再生DPF入口溫度和碳載量變化圖Fig.9 Schematic diagram of DPF inlet temperature and PM load on driving regeneration before and after optimization

圖10 展示了優(yōu)化前后行車再生碳?xì)鋰娚淞孔兓闆r。優(yōu)化前，噴射壓力為600～700 kPa（根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同有所不同），噴射頻率5 Hz，DPF入口溫度和碳?xì)鋰娚淞坎▌?dòng)較大，平均碳?xì)鋰娚淞繛?.3 g/min；優(yōu)化后，噴射壓力為600～700 kPa（根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同有所不同），噴射頻率10 Hz，DPF入口溫度和碳?xì)鋰娚淞炕痉€(wěn)定，平均碳?xì)鋰娚淞?.8 g/min，波動(dòng)主要受車輛加減速影響。整車行車再生油耗改善了4.3%。

圖10 優(yōu)化前后行車再生碳?xì)鋰娚淞孔兓瘓DFig.10 Schematic diagram of hydrocarbon injection on driving regeneration before and after optimization

結(jié)合駐車再生和行車再生，整車綜合油耗改善了3.3%。

3 結(jié) 語

①隨著碳?xì)鋰娮靽娚漕l率增加，碳?xì)渑欧艥舛冉档停杈C合碳?xì)鋰娮煊布芰吞細(xì)渑欧沤Y(jié)果選擇噴射頻率。

②碳?xì)浠旌掀鞯倪x取除了考慮碳?xì)渑欧磐猓€需要考慮整車油耗。

③優(yōu)化后，DPF入口溫度和碳?xì)鋰娚淞康玫搅溯^好控制，駐車再生效率達(dá)94%，行車再生效率達(dá)90%，整車油耗改善了3.3%。■