DOC辅助DPF再生方法研究_张德满

图 2 喷油嘴及压力传感器布置图
月 2010 年 12 月
张德满等：DOC 辅助 DPF 再生方法研究
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2 DOC 助燃特性
2.1 喷油时机及喷油量选择 将能够使 DOC 中催化剂活化的温度称为启燃
温度。柴油机的排气温度达到 DOC 的启燃温度后， 喷油器喷油速度决定 DOC 后排气温度所能达到的 最高值。为使 DPF 中的颗粒物燃烧，DOC 后温度 需要被提升到 600 ℃左右[8]，这要求喷油量足够多； 排气温度过高会损坏 DPF，一般要求排气温度低于 850 ℃。因此需要研究在不同模拟车速(转换成相应 的柴油机工况)、不同喷油量时，DOC 后柴油机排 气所能达到的温度，从而确定 DOC 辅助 DPF 再生 方法的再生窗口以及再生时所需要的喷油速度。
1 试验设备及再生系统介绍
试验用发动机为一台达到欧Ⅲ排放标准的直 列 4 缸柴油机，其相关技术参数列于表 1 中。发动 机台架由 GW160 型电涡流测功机及 FC2000 测控系 统组成。再生方法以实现车载运用为目标，选用装 载相同型号柴油机的江铃全顺车为目标车，江铃全 顺车的相关参数列于表 2 中。
再生时尾气的最终温度为基础温度与喷油提 温之和。由图 3、4 可知，发动机基础排气温度随车
第 46 卷第 24 期 2010 年 12 月
机械工程学报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vol.46 No.24 Dec. 2 0 1 0
DOI：10.3901/JME.2010.24.107
DOC 辅助 DPF 再生方法研究*
张德满 1, 2 李舜酩 1 李 凯 2 鲍晓峰 2 王 猛 2
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机械工程学报
第 46 卷第 24 期期
了助燃再生技术，该技术一般需要专门的燃烧器及 可靠的点火控制系统，因此该技术成本较高。
法国雪铁龙公司在使用共轨喷油系统的直喷 式柴油机上采用后喷射(在发动机排气行程中向气 缸内喷入柴油)的方法提高尾气温度，实现了 DPF 的再生。但是该方法有两个不足之处，首先，后喷 射时有部分柴油会沾附在气缸壁上，活塞的往复运 动将该部分柴油带入机油中，从而稀释机油，影响 发动机的使用寿命；其次，由后喷射方法喷出的柴 油大部分在气缸内完成燃烧并放出热量，当尾气由 气缸经排气管到达 DPF 时，部分热量已经散失，因 此该再生方法会产生较大的燃油消耗量的恶化(3% 左右)。为避开上述不足，本文采用直接在氧化型催 化转化器(Diesel oxidation catalyst，DOC)前喷射柴 油，依靠 DOC 催化氧化柴油放出热量并提升排气 温度的方法，对 DPF 进行再生。在柴油机试验台架 上对 DPF 进行捕集并再生，详细研究 DOC 助燃特 性以及 DPF 再生特性，以完善整个再生系统。
∗ 国家高技术研究发展计划资助项目(863 计划，2006AA060302) 。 201005 19 收到初稿，20100819 收到修改稿
捕集器再生问题[3-4]。 国内外研究较多的再生方法主要包括催化再
生、加热再生、发动机特殊工况再生和助燃再生等 几类[5]。王天友等[6]研究了催化再生技术，该技术 一般需要发动机使用柴油的硫的质量分数小于 0.005%，国内柴油的硫的质量分数较高，短期内不 能达到该技术的要求；杨德胜等[7]研究了加热再生 技术，该技术一般需要高功率的车载电源，同时面 临再生时加热不均等问题；MAYER 等[8]研究了发 动机特殊工况再生技术，该技术再生窗口小、对发 动机有损害并且难以彻底再生；ARGUN 等[9-10]研究
图 3 和图 4 为不同模拟车速下排气温度随喷油 速度的变化曲线(50 km/h 和 60 km/h 为四挡，70 km/h 及以上为五挡)。车速为 50 km/h 或低于 50 km/h 时，由于排气温度太低，DOC 中的催化剂未活化， 不能将喷入的柴油氧化，随着喷油量的增加排气温 度不但没有升高反而有所降低。当车速为 60 km/h 或高于 60 km/h 时，排气温度都能够使 DOC 启燃， 随着喷油量的增加，排气温度不断升高，最终都能 达到 600 ℃以上。因此，再生时只须保证车速大于 60 km/h，喷油量根据车速作相应的调整，便能够保 证成功再生。
速的提高而升高，车速每提高 10 km/h 排气温度升 高约 40 ℃；随着车速的提高，发动机的排气流速 也相应变大，因此同样的喷油量对尾气温度提高幅 度随车速升高而下降。 2.2 升温特性
开始再生时，由于发动机基础排气温度较低， DOC 中催化剂的活性不高、喷入的柴油雾化效果不 好、有部分柴油微粒沾附在催化剂上，导致催化剂 的催化效率较低，如果喷油初期喷油速度过高则会 造成大量碳氢化合物及一氧化碳排放，因此在正式 喷油前需要设置一段预喷射。模拟江铃全顺车 70 km/h 工况，开始再生时，先选择 9 g/min 的喷油速 度进行预喷射，使排温由 270 ℃上升到 410 ℃，然 后喷油速度改为 45 g/min。整个喷油过程中 DOC 后 尾气温度如图 5 所示。
图 5 DOC 升温特性曲线
图 5 所示，整个升温过程为 170 s，开始喷入的 柴油未能完全燃烧，有部分粘在 DOC 载体上，排 气温度升高后才开始燃烧，使排气温度最高达到 660 ℃，之后缓慢降低，直到 615 ℃并保持稳定。
3 DPF 再生特性
图 3 低车速时排温随喷油量的变化曲线
图 4 高车速时排温随喷油量的变化曲线
(1. 南京航空航天大学能源与动力学院 南京 210016； 2. 中国环境科学研究院 北京 100012)
秦宏宇 2
摘要：在氧化型催化转化器上游排气管中喷入柴油，使其与发动机尾气混合，通过催化转化器使柴油氧化并发出热量来提高
发动机的尾气温度，从而实现颗粒物捕集器的再生。整个系统由喷油器、氧化型催化转化器及颗粒物捕集器组成。在发动机 台架上对该系统的再生特性进行研究，包括不同模拟车速及不同喷油量时氧化型催化转化器后尾气所能达到的温度；再生时 催化转化器后尾气的温升特性；再生时捕集器的背压特性；再生方法的经济性及二次污染分析。结果表明：模拟车速大于 60 km/h 便可以进行喷油再生；整个再生时间为 330 s；再生方法的经济性较好，二次污染物主要为 HC 和 CO。
堇青石 143.7 152.4
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表 4 DPF 参数
名称
参数
载体材料 直径 DD/mm 高 HD/mm 孔密度 ρD/(cm–2)
wk.baidu.com
堇青石 143.7 203.2 46.5
图 1、2 为喷油嘴、DOC 及 DPF 的布置图。DPF 满载时捕集量为 6 g/L，当 DPF 捕集满颗粒物需要 再生时，喷油嘴以 500 kPa 的压力在 DOC 上游喷入 柴油，喷入的柴油和发动机尾气在一段 400 mm 长 的直管道中充分混合雾化。发动机排气管及直管段 作保温处理，以保证尾气中的热量不会很快散失。 混合气进入 DOC 后，雾化好的柴油微粒在催化剂 的催化作用下，被氧气氧化并发出热量(再生时需保 证排气温度在催化剂的活化温度之上)，提高排气温 度，直到排气温度超过 DPF 中颗粒物的着火点，完 成再生。
关键词：颗粒物捕集器 氧化型催化转化器 再生 柴油机 中图分类号：TK421.52
Study on DOC Auxiliary DPF Regeneration Method
ZHANG Deman1, 2 LI Shunming1 LI Kai2 BAO Xiaofeng2 WANG Meng2
(1. College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016; 2. Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012)
表 1 发动机参数
名称
参数
压缩比 ε 排量 V/L 最大转速 n/(r·min−1) 最大功率 Pmax /kW 最大转矩 T/(N·m)
17.5 2.7 3 600 85 220
表 3 DOC 参数
名称
参数
载体材料 直径 D/mm 高 H/mm 孔密度 ρ/(cm–2) 催化剂 Pt 涂载量 B/(g·L−1)
图 1 DOC 及 DPF 布置图
表 2 江铃全顺车参数
名称
参数
车重 m/kg 主减速比 εz 四挡减速比 ε4 五挡减速比 ε5 车轮半径 r/m 总传动效率 η
2 040 4.875
1 0.76 0.332 0.85
DOC 为美国巴斯夫公司产品，DPF 为美国康宁 公司产品，载体外形都为圆柱体，相关参数列于表 3 和表 4 中。
0 前言*
柴油机因其较好的经济性和动力性，正被越来 越多的应用于交通运输领域，但是随着排放法规的 逐渐严格，柴油机颗粒物排放较大的问题日益突 出[1]，柴油机颗粒物捕集器(Diesel particulate filter， DPF)被认为是减少颗粒物排放最有效、技术相对最 成熟的装置[2]，而颗粒物捕集技术中的关键问题为
QIN Hongyu2
Abstract：Diesel oil is injected into upriver vent-pipe of diesel oxidation catalyst (DOC) and mixed with the engine exhaust. The diesel oil is oxidized through the catalytic converter and gives out heat to improve the engine exhaust temperature, thus realizing the regeneration of diesel particulate filter(DPF). The whole system consists of fuel injector, oxidation catalytic converter and particulate filter. The regeneration characteristics of this system are researched on the engine bench, including the attainable temperature of exhaust after oxidation catalytic converter at different simulation vehicle speeds and different injection quantities; the temperature rise characteristics after catalytic converter during regeneration; the back pressure characteristics of particulate filter in regeneration process; and the analysis on the economy and secondary pollution of the regeneration method. The results show that when simulation speed is greater than 60 km/h, injection and regeneration can be carried out. The whole regeneration time is 330 s, the economy of the regeneration method is good, and the secondary pollutants are mainly HC and CO. Key words：Diesel particulate filter Diesel oxidation catalyst Regeneration Diesel engine