柴油机DOC辅助DPF再生燃油喷射规律的优化_李顶根

图７ 再生时 ＤＰＦ 剩余 ＰＭ 质量随时间变化
从图７和图８中 可 以 看 出，ＤＰＦ 上 游 温 度 越 高 ＤＰＦ 再 生 越 快，ＤＰＦ 下 游 尾 气 温 度 也 越 高，这 是 由 于初始温度越高 ＰＭ 燃 烧 越 快，再 生 的 时 间 也 就 越 短。由图７ 可 以 看 到，在 ＤＰＦ 上 游 温 度 为 ６６０ ℃ 时，ＤＰＦ 内 ＰＭ 燃烧速度很快，在２１０ｓ时已经再生
摘要：为了有效降低柴油机颗粒捕集器（ＤＰＦ）再生 过 程 产 生 的 二 次 污 染 物 ，优 化 了 催 化 氧 化 反 应 器 （ＤＯＣ）辅 助 ＤＰＦ 再生的燃油喷射规律。采用 ＡＭＥＳｉｍ 建立了 ＤＯＣ 和 ＤＰＦ 模 型，在 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中 建 立 了 发 动 机 排 放 和 ＤＰＦ 再生控制模型，将两个软件耦合搭建联合仿真 平 台。 对 模 型 进 行 了 验 证，提 出 了 先 缓 后 急 的 燃 油 喷 射 规 律。 结 果 表明：６６０ 是较为理想的 ＤＰＦ 再生温度，优化后的燃油喷射规律能够大幅降低 ＤＰＦ 再生的二次污染。 关 键 词 ：催 化 氧 化 反 应 器 ；颗 粒 捕 集 器 ；燃 油 喷 射 ；二 次 污 染 ；再 生
图２ 基于 ＡＭＥＳｉｍ 的 ＤＯＣ＋ＤＰＦ 系统模型
图 ３ 联 合 仿 真 平 台
３ 后 处 理 系 统 特 性 分 析
３．１ ＤＰＦ 捕 集 特 性 ＤＰＦ 是一种全封闭式固体颗粒捕集器，其结 构
简图见图４。尾气只能通过通道之 间 壁 面 的 毛 细 空 隙才能排出，由 于 毛 细 空 隙 直 径 较 小，因 此 ＤＰＦ 具 有很好的过 滤 净 化 效 果。 但 是，吸 附 一 定 量 的 ＰＭ 后会产生较大的排气背压。
２０１５年２月 李顶根，等：柴油机 ＤＯＣ 辅助 ＤＰＦ 再生燃油喷射规律的优化 · ５１ ·
图５ 排气背压与 ＰＭ 量的关系（仿真）
结束，而 当 ＤＰＦ 上 游 温 度 提 高 到 ７００ ℃ 时，再 生 速 度有所提高，在１９５ｓ时完成再生，但 再 生 速 度 提 升 的很少，因此综合节能和再生效率，选６６０ ℃作为最 佳再生温度。图 ９ 示 出 由 ＤＰＦ 模 型 得 到 的 再 生 阶 段不同再 生 温 度 下 ＤＰＦ 背 压 随 时 间 的 变 化 关 系， 图１０示出不同再生温 度 下 ＤＰＦ 背 压 随 时 间 变 化 的 试验结果［３］，与图９的仿真结果基本吻合，因此 可 以 说明建 立 的 模 型 能 够 较 为 准 确 地 表 述 ＤＰＦ 再 生 过程。
否需要再生；尾气分 析 仪 用 于 检 测 后 处 理 系 统 净 化 效果。
图 １ 尾 气 后 处 理 系 统
试 验 采 用 的 重 型 柴 油 机 主 要 技 术 参 数 见 表 １， 与之相匹配的尾气后处理 系 统 反 应 器 ＤＯＣ 和 ＤＰＦ 结 构 参 数 分 别 见 表 ２、表 ３。
图６ 捕集过程中的 ＤＰＦ 背压（试验）
３．２ ＤＰＦ 再 生 特 性 较大 的 排 气 背 压 会 影 响 发 动 机 性 能，当 吸 附 的
ＰＭ 达到一定值时，排气背压急剧升高，此 时 发 动 机 的扭矩和功率急 剧 下 降，燃 油 消 耗 增 加。 排 气 背 压 比 ＤＰＦ 吸附的 ＰＭ 质量更易于测量，故将排气背压 值 当 作 再 生 的 指 标 ，即 当 排 气 背 压 达 到 ２７ｋＰａ时 认 为 ＤＰＦ 满 载，需 要 对 其 进 行 再 生，烧 掉 其 吸 附 的 ＰＭ。
图４ ＤＰＦ 结构简图
图５示 出 由 ＤＰＦ 模 型 得 到 的 背 压 与 吸 附 ＰＭ 量 的 关 系 ，计 算 中 保 持 尾 气 温 度 不 变 ，尾 气 质 量 流 量 为１２０ｇ／ｓ。图６示出试验过程中 ＤＰＦ 前端排气 背 压随时间的变化［３］，当吸附的 ＰＭ 量较少时，排气背 压与吸附的 ＰＭ 量呈 线 性 关 系，与 图 ５ 所 示 的 模 型 计算结果趋势十分吻合，说明在 ＡＭＥＳｉｍ 里建立的 ＤＰＦ 模型能够较为准确地模拟 ＤＰＦ 的捕集特性。
图 １１ 升 温 曲 线 （仿 真 ）
从图１１可知，刚 喷 入 燃 油 ＤＯＣ 内 部 温 度 上 升 很 缓 慢 ，随 后 迅 速 上 升 到 最 高 温 度 ，然 后 再 缓 慢 降 低 趋于稳定。这是由于 刚 喷 入 燃 油 时 ＤＯＣ 催 化 器 温 度较低，活性低，燃 油 不 能 很 快 燃 烧，一 部 分 燃 油 会 附着在反 应 器 上。 随 后 少 量 的 燃 油 燃 烧 导 致 ＤＯＣ 温度上升，活性提 高，燃 烧 速 率 也 随 之 提 高，尾 气 温 度很快升高；温度的 升 高 导 致 附 着 在 催 化 剂 表 面 的 燃 油 蒸 发 并 燃 烧 ，因 此 尾 气 温 度 出 现 一 个 峰 值 ；吸 附 的 燃 油 燃 烧 完 之 后 ，尾 气 温 度 会 缓 慢 降 低 直 至 不 变 。 图１２示出 ＤＯＣ 下游温度变化试验结果［７］，图１１的 仿真结果 与 之 变 化 趋 势 相 似，说 明 ＤＯＣ 模 型 能 够 较为准确地模拟 ＤＯＣ 喷入燃油的升温特性。
图１０ 再生时 ＤＰＦ 背压随时间变化（试验）
３．３ ＤＯＣ 特性分析 ＤＯＣ 辅助 ＤＰＦ 再生，就是在 ＤＯＣ 上游 喷 入 适
量燃油和新鲜空气，燃 油 在 ＤＯＣ 内 燃 烧，提 高 尾 气 温度达到 ＤＰＦ 再生的目的。保持 ＤＯＣ 上游尾气温 度为 ２５０ ℃，尾 气 质 量 流 量 为 １２０ｇ／ｓ，５０ｓ 后 在 ＤＯＣ 上游分别以 ７９．９２ｇ／ｍｉｎ和 ９０ｇ／ｍｉｎ的速度
表２ ＤＯＣ 主要结构参数
载体材料 载体结构
催化剂 孔 密 度／孔 ·ｃｍ－２
载 体 高 度／ｍｍ 载 体 直 径／ｍｍ 涂 载 量／ｇ·Ｌ－１
堇青石 蜂窝状 Ｐｔ（１１１）
６２ ４９０ １４４
３
表 ３ ＤＰＦ 主 要 结 构 参 数
类型 孔 密 度／孔 ·ｃｍ－２
载 体 高 度／ｍｍ 载 体 直 径／ｍｍ
· ５２ · 车 用 发 动 机 ２０１５ 年 第 １ 期
喷入燃油，将下游尾气温度提高到６２０ ℃和６６０ ℃， 升 温 曲 线 见 图 １１。
表 １ 发 动 机 主 要 技 术 参 数
型式
直 列 、６ 缸 、增 压 中 冷 、电 控 共 轨

排 量／Ｌ
８．６
缸 径／ｍｍ 行 程／ｍｍ
１４５ １１２
标 定 功 率／ｋＷ
２５８
标 定 功 率 转 速／ｒ·ｍｉｎ－１
２ １００
排放标准
国Ⅲ
全负荷最低燃油消耗 率／ｇ· （ｋＷ·ｈ）－１
１９５
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－２２２２．２０１５．０１．０１０ 中 图 分 类 号 ：ＴＫ４２１．４２ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１－２２２２（２０１５）０１－００４９－０５
相 比 于 汽 油 机 ，柴 油 机 以 其 良 好 的 动 力 性 、经 济 性以 及 低 碳 排 放 特 性，被 广 泛 应 用 于 中／重 型 车 辆， 但重型柴油机较高 的 固 体 颗 粒 物 （ＰＭ）排 放 成 为 限 制其发展的瓶颈。我国重型柴油车占机动车总量近 １５％，但其 ＰＭ 排放量占机动车 总 排 放 量 的 ６０％ 以 上 。 ［１］ 满足国Ⅲ排放标准的车辆大多采用先进 电 控 燃油供 给 系 统［２］，但 该 技 术 进 一 步 改 善 燃 烧 降 低 ＰＭ 排放的技 术 潜 力 有 限［３］，尾 气 后 处 理 技 术 成 为 满足国Ⅳ／Ⅴ排放标准的有效措施 。 ［４］
联合仿真平台结构见图３。通过 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕ－ ｌｉｎｋ中的“Ｓ－Ｆｕｎｃｔｉｏｎ”模块和 ＡＭＥＳｉｍ 中 的“ｉｎｔｅｒ－ ｆａｃｅ ｂｌｏｃｋ”模块将两个软件耦合。尾气 排 放 模 块 和 控制器在 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真平台中，尾气后处 理 系 统 和 信号采集系统在 ＡＭＥＳｉｍ 仿真平台中，联合仿真平 台结合了 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ强大的数据 编 辑 功 能 和 ＡＭＥＳｉｍ 较为准确的物理化学模型。
颗粒捕集器（ＤＰＦ）技 术 净 化 效 率 高，不 需 要 对 原有满足国Ⅲ排放标准的柴油机作较大结构上的改 动。但 ＤＰＦ 吸附一 定 量 的 ＰＭ 后 会 产 生 较 大 排 气 背 压 ，降 低 发 动 机 性 能 ，需 要 对 其 进 行 再 生 。 催 化 氧 化反应器（ＤＯＣ）技术辅助 ＤＰＦ 再生具有设备简单、 成本低的优点，是 ＤＰＦ 再生措施中应用较多的一种 方法，但 ＤＯＣ 上游喷入 的 燃 油 不 能 充 分 燃 烧，会 造 成二 次 污 染。 本 研 究 对 ＤＯＣ＋ＤＰＦ 的 尾 气 后 处 理 系统进行 了 研 究，并 对 ＤＯＣ 辅 助 再 生 燃 油 喷 射 规 律 进 行 了 优 化 ，以 期 有 效 降 低 二 次 污 染 排 放 。
图 １４ 再 生 过 程 二 次 污 染 物 排 放 （试 验 ）
收 稿 日 期 ：２０１４－０６－２０；修 回 日 期 ：２０１５－０１－１５ 作 者 简 介 ：李 顶 根 （１９７７— ），男 ，副 教 授 ，博 士 ，主 要 从 事 内 燃 机 电 控 及 清 洁 动 力 控 制 研 究 ；ｌｉｄｉｎｇｇｅｎ＠ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
· ５０ · 车 用 发 动 机 ２０１５ 年 第 １ 期
１ 试 验 装 置 和 测 量 系 统
ＤＯＣ＋ＤＰＦ 的尾气后处 理 系 统 见 图 １。 在 图 １ 所 示 位 置 布 置 温 度 传 感 器 （Ｐｔ１００）、压 力 传 感 器 （ＣＳ－ ＰＴ１３７６）和 尾 气 分 析 仪 （ＡＶＬ ４０００）。 温 度 传 感 器 用于检测尾气的 温 度，以 便 控 制 ＤＰＦ 再 生；压 力 传 感器 用 于 检 测 ＤＰＦ 背 压，以 便 判 断 ＤＰＦ 反 应 器 是
ＤＰＦ 的主动 再 生 过 程 为 提 高 排 气 温 度 到 一 定 值，并保持一段 时 间，使 ＤＰＦ 中 吸 附 的 颗 粒 物 燃 烧 掉［６］。ＤＰＦ 满载，排气质量流量保持 为 １２０ｇ／ｓ时， 不同上游尾气温度下 ＤＰＦ 再生效果见图７至图９。
图８ 再生时 ＤＰＦ 内尾气温度随时间变化 图９ 再生时 ＤＰＦ 背压随时间变化（仿真）
孔隙率 平 均 微 孔 直 径／μｍ
Ｃｏｒｎｉｎｇ 钛酸铝，非催化型 ４７ ５６０ １４４
０．５１ １８
２ 系 统 建 模
２．１ 基于 ＡＭＥＳｉｍ 的 ＤＯＣ＋ＤＰＦ模型 ＡＭＥＳｉｍ［５］是用于多学科领域复杂系 统 建 模 仿
真的工具软件。ＡＭＥＳｉｍ 的 “ＩＦＰ ｅｘｈａｕｓｔ”元 件 库 里提供各种尾气后 处 理 系 统 模 块，采 用 该 元 件 库 中 的 ＤＯＣ 和 ＤＰＦ 搭 建 的 ＤＯＣ＋ＤＰＦ 的 尾 气 后 处 理 系 统 见 图 ２。 整 个 系 统 包 括 发 动 机 排 放 模 块、 ＤＯＣ＋ＤＰＦ尾 气 后 处 理 系 统、信 号 采 集 系 统、ＤＰＦ 再生燃油喷射控制系统以及和外界能量交换系统。 ２．２ 联 合 仿 真 平 台
第 １ 期 （总 第 ２１６ 期 ） ２０１５ 年 ２ 月
车 用 发 动 机 ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥ
Ｎｏ．１（Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２１６） Ｆｅｂ．２０１５
柴油机 ＤＯＣ 辅助 ＤＰＦ再生燃油喷射规律的优化
李 顶 根 ，朱 红 雨 ，成 晓 北
（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 ４３００７４）