基于怠速提升的DPF再生溫度控制方法研究

唐蛟，李國(guó)祥，郭圣剛，陶建忠，張軍，王堃

(1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061； 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心，山東 濰坊 261205)

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基于怠速提升的DPF再生溫度控制方法研究

唐蛟1，李國(guó)祥1，郭圣剛2，陶建忠2，張軍2，王堃2

(1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061； 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心，山東 濰坊 261205)

在DPF主動(dòng)再生過程中，如果柴油機(jī)運(yùn)行工況突降至怠速狀態(tài)，會(huì)使DPF內(nèi)部溫度峰值和溫度梯度迅速升高，易導(dǎo)致DPF出現(xiàn)燒熔現(xiàn)象，針對(duì)該問題，進(jìn)行了基于怠速提升的DPF主動(dòng)再生溫度控制的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：再生過程降至怠速工況時(shí)，載體出口端中心附近的溫度和溫度梯度升高幅度最大；隨著怠速的提升載體的溫度峰值和溫度梯度逐漸降低，怠速提升至1 100 r/min時(shí)，最高溫度峰值由820 ℃左右降至632 ℃左右，降低了約22.9%，最大溫度梯度由30 ℃/cm左右降至10 ℃/cm左右，降低了約66.7%。

顆粒捕集器； 再生； 怠速； 溫度控制

柴油機(jī)尾氣中含有可吸入顆粒物，嚴(yán)重危害著人體的健康。歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中不僅對(duì)顆粒物質(zhì)量(PM)做出了更嚴(yán)格的限制，同時(shí)對(duì)顆粒物數(shù)量(PN)也提出了要求[1]，因此重型柴油機(jī)滿足歐Ⅵ排放法規(guī)必須采用顆粒捕集器(DPF)[2-3]。DPF為壁流式結(jié)構(gòu)，通過將排氣中的顆粒物捕集在過濾器壁面上來實(shí)現(xiàn)清除顆粒的目的，但顆粒物的不斷累積導(dǎo)致DPF堵塞，引起排氣背壓升高、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性惡化等問題，因此，需要對(duì)充滿顆粒物的DPF進(jìn)行周期性再生[4]以恢復(fù)其過濾功能。在柴油機(jī)中高負(fù)荷工況再生時(shí)排氣流量較高，可以將顆粒物燃燒釋放的熱量及時(shí)帶走，然而在主動(dòng)再生發(fā)生初期柴油機(jī)運(yùn)行工況突然降至怠速(DTI)狀態(tài)時(shí)，由于排氣流量迅速降低，排氣中氧氣濃度升高，此時(shí)積累在DPF中的顆粒物因劇烈燃燒，放出的熱量沒有被及時(shí)帶走，導(dǎo)致DPF存在燒熔、燒裂的風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此，當(dāng)再生過程中出現(xiàn)DTI現(xiàn)象時(shí)，將DPF內(nèi)部的溫度峰值和最大溫度梯度控制在載體、催化劑可承受范圍內(nèi)是DPF再生研究的重要內(nèi)容之一。田徑[6-7]等人通過降低排氣中氧氣濃度來控制顆粒物燃燒速率，但氧氣濃度降低到一定程度時(shí)會(huì)造成柴油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性變差和HC與CO大量生成等問題。Patrick Recker[8]等人通過控制DPF前排氣溫度進(jìn)行DPF再生，降低顆粒物的燃燒速率從而控制載體溫度，但這會(huì)延長(zhǎng)再生時(shí)間，增加主動(dòng)再生時(shí)的燃油消耗。

上述研究主要通過降低顆粒物的燃燒速率來控制載體溫度，本研究通過怠速提升的方法來提高排氣質(zhì)量流量將熱量及時(shí)帶走，達(dá)到控制載體溫度的目的，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果可為DPF再生安全性的研究提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為電控高壓共軌柴油機(jī)，其技術(shù)參數(shù)見表1，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架總體布置見圖1。

表1 試驗(yàn)柴油機(jī)特征參數(shù)

試驗(yàn)采用AVL INDYS66JD交流電力測(cè)功機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速和扭矩，采用壓力傳感器測(cè)量DPF進(jìn)口端和出口端壓力，采用METTLER TOLEDO KA32s測(cè)量DPF碳載量。

排氣后處理系統(tǒng)由氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)和DPF組成，具體的特征參數(shù)見表2。DPF載體內(nèi)部布置9支直徑為0.5 mm的鎧裝熱電偶型溫度傳感器，以獲取載體內(nèi)部溫度分布情況。DPF載體內(nèi)部溫度傳感器分布見圖2。

表2 DOC和DPF特征參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

進(jìn)行2種方式的DPF主動(dòng)再生試驗(yàn)：一是再生過程中柴油機(jī)工況降至正常怠速700 r/min；二是再生過程中當(dāng)發(fā)生DTI時(shí)，分別提升怠速至900 r/min，1 000 r/min，1 100 r/min，保證再生過程中載體最高溫度低于限值800 ℃、最大溫度梯度低于限值25 ℃/cm。相同碳載量條件再生時(shí)進(jìn)入怠速的時(shí)刻不同，載體的溫度峰值和溫度梯度不同，在再生中后期由于DPF中積累的顆粒物大部分已經(jīng)燃燒，此時(shí)進(jìn)入怠速工況DPF載體溫度升高幅度并不明顯。因此，為了保證每次DTI過程的一致性和最佳進(jìn)入時(shí)刻(使載體溫度峰值和溫度梯度高)，再生前碳載量通過WHTC(Worldwide Harmonized Transient Cycle)測(cè)試循環(huán)累積到4.0 g/L左右，在試驗(yàn)過程中選取2 100 r/min，800 N·m的穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)觸發(fā)再生，通過排氣熱量管理措施(進(jìn)氣節(jié)流閥、燃油噴射裝置等)將DPF出口端排氣溫度提高至550 ℃左右，再生過程中當(dāng)DPF兩端壓差傳感器測(cè)量值出現(xiàn)下降時(shí)，調(diào)控柴油機(jī)進(jìn)入怠速工況，同時(shí)燃油噴射裝置(HCI)停止噴射燃油。具體試驗(yàn)參數(shù)見表3。其中，排氣溫度測(cè)量點(diǎn)為DPF進(jìn)口處。

測(cè)試點(diǎn)a和測(cè)試點(diǎn)b間的溫度梯度Ta-b定義如下：

(1)

式中：Ta和Tb分別為測(cè)試點(diǎn)a和測(cè)試點(diǎn)b的溫度；Lab為測(cè)試點(diǎn)a和測(cè)試點(diǎn)b間的距離。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正常怠速下的DTI試驗(yàn)

圖3示出了再生過程中發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)DPF內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系。HCI裝置噴入排氣管中的燃油被DOC氧化釋放熱量，通過控制燃油噴射量將DPF出口端排氣溫度提高至550 ℃左右。隨著排氣溫度和顆粒物燃燒速率的升高載體溫度逐漸升高，到80 s左右時(shí)載體溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，持續(xù)約20 s時(shí)由于顆粒物的減少DPF前后壓差開始降低，此時(shí)柴油機(jī)工況突然降至怠速，排氣流量由720 kg/h降至180 kg/h，這使得顆粒物燃燒產(chǎn)生的熱量沒有被及時(shí)帶走，導(dǎo)致載體溫度迅速升高。試驗(yàn)結(jié)果顯示載體出口端中心位置附近溫度升高幅度較大，進(jìn)口端中心位置附近溫度升高幅度較小，邊緣位置溫度變化不明顯。這是因?yàn)檩d體出口端積累的顆粒物多、燃燒釋放出的熱量更多，而邊緣位置載體溫度低、顆粒物燃燒速率慢(再生結(jié)束后剩余顆粒物大部分集中在載體邊緣位置)。因此，發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注載體出口端位置溫度的變化，保證最高溫度在催化劑和載體承受范圍以內(nèi)。

圖4示出了再生過程中發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)載體溫度梯度隨時(shí)間的變化。DPF出口端排氣溫度和內(nèi)部累積的顆粒物分布不均勻，使顆粒物在再生過程中燃燒不均勻，導(dǎo)致載體出現(xiàn)溫度梯度的現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在100 s左右降至怠速時(shí)溫度梯度迅速升高，隨后出現(xiàn)波動(dòng)，到300 s左右時(shí)達(dá)到最大值，其中徑向和軸向方向的溫度梯度分別達(dá)到30 ℃/cm和20 ℃/cm左右。徑向方向相對(duì)軸向方向顆粒物燃燒更不均勻，導(dǎo)致徑向方向的溫度梯度較大，且在再生后期由于中心軸位置附近顆粒物已再生徹底，而邊緣位置還存在大量的顆粒物，導(dǎo)致此時(shí)載體溫度梯度達(dá)到最大值。

2.2 提升怠速下的DTI試驗(yàn)

圖5示出了再生過程中發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)提升怠速后測(cè)試點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化。試驗(yàn)過程中怠速由700 r/min分別提升至900 r/min，1 000 r/min，1 100 r/min，此時(shí)排氣質(zhì)量流量分別由180 kg/h提高至253 kg/h，293 kg/h，334 kg/h。排氣質(zhì)量流量的增加能夠帶走更多顆粒物燃燒釋放的熱量，從而在發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)可以有效控制載體溫度峰值。

可以看出，當(dāng)?shù)∷偬嵘? 100 r/min時(shí)，載體的溫度峰值明顯降低，其中測(cè)試點(diǎn)7的最高溫度由820 ℃左右降至632 ℃左右，降低了約22.9%，能夠有效防止催化劑因高溫而發(fā)生失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6示出再生過程中發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)提升怠速后測(cè)試點(diǎn)溫度梯度隨時(shí)間的變化。隨著怠速的提升載體溫度峰值逐漸降低，溫度分布更均勻，導(dǎo)致溫度梯度逐漸降低，最大溫度梯度由怠速700 r/min 時(shí)的30 ℃/cm左右降至怠速1 100 r/min 時(shí)的10 ℃/cm左右，降低了約66.7%，可有效降低載體燒裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 怠速提升范圍探討

載體與排氣進(jìn)行對(duì)流換熱，根據(jù)牛頓冷卻公式，時(shí)間t內(nèi)兩者間的換熱量Q為

(2)

式中：H為載體與排氣間的對(duì)流換熱系數(shù)；A為載體表面積；ΔT為載體與排氣間的溫差。

從式(2)可以看出，增大H和ΔT可以提高載體與排氣間的換熱量。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，隨著怠速的提升排氣質(zhì)量流量大幅度提高，而排氣溫度變化并不明顯，當(dāng)?shù)∷儆?00 r/min提升至1 100 r/min時(shí)，排氣流量提高了約86%，而排氣溫度僅提高了約7.4%，可以推斷，怠速提升后載體與排氣間的對(duì)流換熱系數(shù)的提高幅度明顯大于兩者間溫差的降低幅度。 因此，隨著怠速的提升，載體與排氣間的換熱量將逐漸增加，載體的溫度峰值和溫度梯度逐漸降低。但當(dāng)?shù)∷偬嵘容^高時(shí)，車輛駕駛員的操控性會(huì)受到影響，在拓展碳載量限值時(shí)提升的怠速應(yīng)控制在發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況轉(zhuǎn)速以下，以避免再生過程中發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在當(dāng)前運(yùn)行轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。

同時(shí)，柴油機(jī)怠速工況時(shí)排氣中氧氣濃度在18%左右，當(dāng)氧氣濃度在5%以上時(shí)，通過進(jìn)氣節(jié)流閥和EGR閥降低氧氣濃度控制顆粒物燃燒速率效果并不明顯[9]，反而會(huì)造成排氣流量大幅度降低，導(dǎo)致發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)載體溫度更高。因此，通過提升怠速控制載體溫度時(shí)應(yīng)合理控制進(jìn)氣節(jié)流閥和EGR閥開度，在降低NOx排放物時(shí)應(yīng)盡量減小排氣流量的降低幅度，保證顆粒物燃燒釋放的熱量被排氣充分帶走，達(dá)到有效控制載體溫度的目的。

3 結(jié)論

a) 再生過程中發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)通過提升怠速可以明顯降低載體溫度峰值和溫度梯度，但拓寬DPF碳載量限值時(shí)怠速需要控制在合理的范圍內(nèi);

b) 再生過程中發(fā)生DTI現(xiàn)象時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注載體出口端中心附近的溫度和徑向方向的溫度梯度。

[1] Johnson T V.Diesel Emission Control in Review[C].SAE Paper 2009-01-0121.

[2] Luis Miguel Oliveira.Controlling Particulate Matter Emissions in Vehicles Using Different Strategies under the Heavy-Duty Test Cycle[C].SAE Paper 2012-01-0885.

[3] Johnson T V.Review of diesel emissions and control[C].SAE Paper 2010-01-0301.

[4] 李新,資新運(yùn),姚廣濤,等.柴油機(jī)尾氣微粒捕集器燃燒器再生技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2008,26(6):538-542.

[5] Thorsten B,Dominik R,Ingo-C Tilgner.Regeneration strategies for an enhanced thermal management of oxide diesel particulate filters[C].SAE Paper 2008-01-0328.

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[8] Patrick R,Stefan P.Thermal Shock Protection for Diesel Particulate Filters[C].SAE Paper 2011-01-2429.

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[編輯：姜曉博]

Temperature Control Method of DPF Regeneration Based on Idle Speed Enhancement

TANG Jiao1, LI Guo-xiang1, GUO Sheng-gang2, TAO Jian-zhong2, ZHANG Jun2, WANG Kun2

(1.School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061, China; 2.Center of Research and Department, WEICHAI Power Co.，Ltd., Weifang 261205, China)

The peak temperature and temperature gradient of DPF would increase rapidly and even led to DPF damage if the engine dropped to idle speed during the active regeneration.In order to solve the problem, DPF active regeneration temperature control based on idle speed enhancement was researched.The results show that the temperature and temperature gradient around the center of DPF exit are maximum after the drop-to-idle.With the increase of idle speed, the peak temperature and temperature gradient of carrier decrease step by step.When the idle speed increases to 1 100 r/min, the highest temperature peak decreases by 22.9% from 820 ℃ to 632 ℃ and the highest temperature gradient decreases by 66.7% from 30 ℃/cm to 10 ℃/cm.

diesel particulate filter (DPF); regeneration; idle speed; temperature control

2014-10-11；

2015-01-06

國(guó)家“863”計(jì)劃子課題(2012AA111706)

唐蛟(1984—)，男，博士，主要研究方向?yàn)橹匦蛙囉貌裼蜋C(jī)后處理技術(shù)；tangjiao@weichai.com。

李國(guó)祥(1965—)，男，教授，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制、車輛熱管理及新能源汽車；liguox@sdu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.014

TK421.5

B

1001-2222(2015)02-0066-04