發(fā)動機后處理系統(tǒng)匹配研究

劉長偉，王若飛，劉心文，趙明

（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司， 蕪湖 241002）

發(fā)動機后處理系統(tǒng)匹配研究

劉長偉，王若飛，劉心文，趙明

（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司， 蕪湖 241002）

本文針對該款發(fā)動機的用途和類型，通過分析不同材料的屬性和特點，確定DPF載體所用材料為堇青石；結(jié)合某款發(fā)動機DPF的實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一維DPF模型，得到發(fā)動機排氣背壓與碳煙沉積量之間的關(guān)系，并分析了壓降曲線變化的原因；針對不同發(fā)動機工況，提出不同的再生控制策略以及噴油系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方向，滿足DPF再生要求；構(gòu)建了DPF三維模型，研究了不同時刻DPF內(nèi)部氣體流速分布，并分析了流速變化的原因。

補發(fā)動機；DPF；策略；流場

劉長偉

畢業(yè)于鄭州航空工業(yè)管理學院，現(xiàn)任奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司主管設(shè)計師，主要研究方向：整車電路系統(tǒng)；車身控制系統(tǒng)；柴油機及混合動力總成系統(tǒng)集成控制。

1　柴油機顆粒過濾器（DPF）材料的選擇

目前國內(nèi)DPF應(yīng)用主要存在兩個問題：DPF材料的選用和DPF再生。關(guān)于DPF所用材料，當前主要材料有碳化硅SiC，堇青石和鈦酸鋁（AT，Aluminum Titanate）。其中SiC材料有較高的熱容和導(dǎo)熱率，所以應(yīng)用最為廣泛。然而其膨脹系數(shù)是其他兩種材料的4到10倍，所以SiC DPF通常是分段式結(jié)構(gòu)。下表顯示的是碳化硅和堇青石材料的基本屬性。

表1　SiC和堇青石DPF的基本屬性

雖然碳化硅DPF具有較好的特性，但是由于熱膨脹系數(shù)較高，需要加入膠合區(qū)域，所以其制造成本一般高于堇青石DPF。目前DPF常用材料為碳化硅和堇青石。某公司根據(jù)不同材料屬性進行相關(guān)市場分析，預(yù)測出在輕型車上不同材料DPF在未來所占市場份額，如圖1所示：

為了節(jié)約制造成本，這里假設(shè)某轎車柴油機所用DPF材料為堇青石，從表1中可以看出其最高溫度范圍為1100～1400℃，所能承受的最大溫度梯度為400～430 ℃/cm。

2　排氣背壓與顆粒物累積量的關(guān)系

排氣背壓通常隨著顆粒物累積量的增加而增大。為了定量研究不同碳煙沉積量下DPF的壓降，本文選取尺寸為110 X 160 mm2的碳化硅DPF作為研究對象，其基本參數(shù)如表2所示：

表2　DPF主要參數(shù)

為提高模擬的準確度，需要對DPF數(shù)值模型進行試驗驗證。圖2為DPF入口溫度為730 K，進氣流量為0.05 kg/s，初始碳煙量為0 g/L，使用氧氣加熱再生時，通過DPF的實驗和模擬壓降曲線。從圖中可以看出，模擬壓降與試驗壓降曲線基本吻合。由于DPF在再生過程中，部分不可燃成分會沉積在DPF內(nèi)部，導(dǎo)致再生不完全，發(fā)動機排氣背壓升高，進而導(dǎo)致實驗值要略高于模擬值。

假設(shè)DPF進氣質(zhì)量流量為0.03 kg/s，進氣溫度為300℃，則不同碳煙沉積量下壓降變化如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著碳煙沉積量的增大，通過DPF的壓降先急劇增大，再線性增加。這是因為DPF內(nèi)部碳煙捕集過程分為兩個階段：深層捕集階段和濾餅捕集階段。在深層捕集階段，排氣中顆粒沉積在DPF壁面內(nèi)部，造成壁面滲透率急劇升高，壓降急劇上升；而在濾餅捕集階段，碳煙沉積在DPF壁面上，碳煙層的厚度越大，對應(yīng)碳煙層的滲透性就越差。由圖3可知，碳煙深層捕集閾值在2 g/L左右，當碳煙沉積量小于2 g/L時，碳煙捕集處于深層捕集階段，隨著碳煙沉積壓降急劇上升；當大于2 g/L時，碳煙捕集處于濾餅捕集階段，壓降線性增加。

3　再生方案選擇

目前DPF再生分為主動再生和被動再生。常見再生方法如圖4所示：

在實際應(yīng)用和研究中，再生的實現(xiàn)有兩種思路：一是降低微粒的氧化溫度到排氣溫度范圍內(nèi)；二是將排氣溫度提高到微粒氧化溫度。其中前者主要是指被動再生，如燃油添加劑再生和NO2連續(xù)催化氧化再生，而后者主要是指主動再生。主動再生是利用外加熱源提高排氣溫度進而氧化DPF內(nèi)部顆粒。由于被動再生溫度較低，氧化速度慢，不能滿足再生系統(tǒng)要求，并且對燃料中硫含量比較敏感，所以這里主要討論主動再生方式。

3.1再生時機的判定

再生的目的是為了降低DPF內(nèi)部的顆粒累積量，進而降低發(fā)動機排氣背壓，改善發(fā)動機的動力經(jīng)濟型。當DPF內(nèi)部顆粒累積量過高時，發(fā)動機排氣背壓較大，殘余廢氣過多，造成發(fā)動機動力經(jīng)濟性下降。因此，在發(fā)動機運行過程中必須進行周期性的再生來降低DPF內(nèi)的微粒含量。

但在車輛運行過程中，顆粒物累積量不能直接測量，需要通過間接方法來推測。目前再生時機判斷方法主要有根據(jù)碳煙捕集模型，排氣背壓監(jiān)控法，定過濾條件（如油耗，運行里程和時間等）方法，發(fā)動機工況檢測法，對于不同用途發(fā)動機，其背壓判斷方法也不相同。針對本文研究這款車用柴油機，推薦使用排氣背壓檢測法。其原理就是發(fā)動機排氣背壓隨著顆粒累積量的增大而提高，可以根據(jù)MAP圖中相應(yīng)工況下排氣背壓大小來推斷DPF顆粒累積量的多少。

總體上來講，確定再生時機要考慮一下幾點因素：

⑴顆粒累積造成排氣背壓上升對發(fā)動機性能的影響；

⑵顆粒累積對再生過程的影響，防止造成過濾體損壞或者再生不完全；

⑶再生能耗與再生效率的問題，再生頻率高造成再生能耗增加，頻率低造成背壓上升，發(fā)動機性能下降。

目前再生時機確定有兩種不同的思路。

一種是根據(jù)發(fā)動機允許的最大排氣背壓判定。因為排氣背壓升高，泵氣損失增大，廢氣不容易排出，造成發(fā)動機動力經(jīng)濟性下降。當噴油量不變時，背壓增大必然會導(dǎo)致發(fā)動機功率下降。若保證功率不變，必然要增大噴油量，使發(fā)動機油耗上升。因此可以設(shè)定發(fā)動機油耗較同工況潔凈DPF狀態(tài)下的增幅最大允許值或者功率下降的最大允許值（一般為5%）作為發(fā)動機所允許的最大背壓。

另一種是根據(jù)DPF允許的最大碳煙容量來判定。這是因為當DPF內(nèi)部碳煙沉積過多時，再生過程中碳煙氧化會產(chǎn)生更高的溫度。當DPF內(nèi)部溫度過高或者溫度梯度過大，會造成DPF燒熔或者燒裂（膨脹系數(shù)過大）。因此必須限制DPF內(nèi)部碳煙的最大沉積量。過濾體中累積顆粒物的限值（SML，soot mass limit） 須根據(jù)具體的發(fā)動機、過濾體材質(zhì)、再生方法和再生溫度等綜合確定。

針對奇瑞這款發(fā)動機，其最大碳煙沉積量的確定方法是：首先用實驗的方法找到不同工況下，其他參數(shù)保持不變油耗上升5%或者功率下降5%所對應(yīng)的排氣背壓，再根據(jù)碳煙捕集模型找到該排氣流速和排溫下對應(yīng)DPF內(nèi)部的碳煙沉積量。將這個碳煙沉積量作為該工況下再生時最大碳煙沉積量。假設(shè)排氣背壓極值不能超過15 kPa（不同工況下排氣背壓極值不同），試驗發(fā)動機的最高排氣溫度為730 K，最大的排氣流量為 586 kg/h，結(jié)合壓降模型或者該工況下不同碳煙沉積量下背壓變化曲線可以得到該排氣背壓對應(yīng)的碳煙沉積量。

3.2再生溫度的選擇

再生溫度對DPF再生系統(tǒng)影響很大。再生溫度過低，DPF內(nèi)部碳煙氧化速率低，再生進行緩慢；再生溫度過高，碳煙氧化速率較大，可能造成DPF內(nèi)部溫度過高，產(chǎn)生過濾體結(jié)構(gòu)的損壞。由于主動再生系統(tǒng)中碳煙氧化為550～650℃，為了防止DPF由于溫度過高而造成的損壞，再生溫度范圍通常在550～620℃范圍之內(nèi)。除此之外，再生溫度與燃油消耗率密切相關(guān)。圖5顯示了不同再生溫度下比油耗的變化情況。

從圖5中可以看出，低再生溫度對應(yīng)噴油持續(xù)期較長，所以有可能對應(yīng)更高的油耗率。因此在選擇再生溫度時，應(yīng)該綜合考慮再生溫度對DPF材料、再生工況和比油耗的影響。

4　再生控制策略

再生控制主要包含再生時機的選擇，再生工況控制，再生過程控制和再生完成的判斷。其中再生時機主要是根據(jù)排氣背壓來判斷。再生不能過早也不能太晚，再生過早容易造成再生不完全，再生太晚則容易造成過濾體損壞。為了保證DPF不被破壞，必須合理控制DPF入口處氣流的溫度，氧濃度，碳煙沉積量和氣體流量。這就與實際再生過程產(chǎn)生沖突，因為在車輛運行過程中任何工況下都有可能發(fā)生再生。為了滿足不同工況的再生要求，需要設(shè)計不同再生控制策略。

一般來講，再生控制策略應(yīng)根據(jù)排氣溫度來確定。當排氣溫度低于DOC起燃溫度時，后處理系統(tǒng)燃油無法在DOC內(nèi)部氧化放熱，也就無法進行再生。針對這種情況，在溫度低于DOC起燃（低負荷工況）時，燃油噴射系統(tǒng)通過后噴來提高排氣溫度，保證DOC前端溫度達到DOC起燃，見圖6最下方紫色區(qū)域。當溫度高于DOC起燃溫度時，只需要后處理系統(tǒng)噴油即可完成再生。當排氣溫度足以保證DPF入口溫度達到再生溫度時，就會發(fā)生自然再生（見圖6最上方紅色區(qū)域），也就是非可控再生。

再生過程的控制通過噴油規(guī)律和噴油量進行控制的。其中噴油量計算方式如下：

其中mexh為廢氣的質(zhì)量流量（kg/h），Cp為廢氣的比熱（kJ/kg·K），Tmax和Texh分 別為廢氣要達到的溫度和廢氣再DOC入口處的溫度（K），LHV為燃料的低熱值（kJ/kg）。

噴油規(guī)律對再生過程中DPF內(nèi)最高溫度和溫度變化影響很大。目前常見噴油規(guī)律主要由單次噴油和多次噴油。除噴油次數(shù)以外，噴油間隔時間和瞬時噴油速率也是DPF后處理控制的主要內(nèi)容。在后處理系統(tǒng)的優(yōu)化中，可以合理調(diào)節(jié)噴油間隔和瞬時噴油速率，對再生過程進行合理的控制。

再生完成的標志：再生時，當排氣背壓降到某一個值時可以停止噴油，認為再生完成。該值所對應(yīng)的排氣背壓不能過大，否則失去再生意義；也不能過小，因為碳煙沉積量小會導(dǎo)致DPF捕集效率的下降。

5　DPF內(nèi)部流場和壓降特性

5.1DPF內(nèi)部流場和壓力場模擬

在模擬DPF流場時，選取DPF進口流量為0.02kg/s，初始碳煙量為0g/L，孔密度為200/inch2，進口溫度為600K。

圖7為不同時間DPF內(nèi)部流場速度矢量圖。從圖中可以觀察到，隨著碳煙捕集的進行，DPF入口管的速度逐漸減小，出口管道速度逐漸變大。在DPF載體進口處，中心軸線的速度最大，貼近壁面的速度最小；隨著時間的進行，DPF載體內(nèi)部徑向和軸向流場逐漸均勻，且速度逐漸減小。

圖8中（a）-（b）為300s時DPF內(nèi)部的壓力分布云圖。由圖可知，DPF在軸向的壓力有著明顯的降低，尤其是在載體內(nèi)部，下降更明顯，DPF內(nèi)部壓降服從達西定律，這也說明了DPF載體內(nèi)部的壓降是造成DPF壓力損失的最主要原因。在DPF進口截面上，壓力在徑向也有所下降，這也說明了DPF擴張管也造成了壓力的損失?？酌芏葹?00/inch2以上時合適。當孔密度為100/inch2以下時，壓降上升較快，對DPF的流場均勻性和碳煙捕集都不利，不符合DPF內(nèi)部流動的要求。

圖11為不同初始碳煙量下的DPF壓降圖。從圖中可以看出，當初始碳煙量為6g/L時，DPF內(nèi)部壓降總體最大，且上升最快，壓降由最初的4.5kPa上升到8.9kPa；當初始碳煙量為0g/L時（潔凈狀態(tài)），DPF內(nèi)部壓降最小，并且上升最慢，壓降由最初的2.7kPa上升到最終的5.4kPa。故說明DPF壓降隨著初始碳煙量的變大而逐漸增加，因此初始碳煙量越大就越不利于DPF對壓降的要求，因此要減小DPF初始碳煙量。

當初始碳煙量為6g/L時，由于初始碳煙量的增加，使得造成DPF內(nèi)部壓降的主要因素會發(fā)生變化，即由于碳煙積累造成的壓降要比DPF壁面造成的壓降要大，占到了主要地位。

5.2不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對DPF壓降特性的影響

圖9為不同入口流量時對應(yīng)的壓降圖。由圖可知，隨著DPF入口流量的變大，DPF的壓降也在變大，并且達到穩(wěn)定所需的時間也越來越短。綜合比較著三條曲線可知，當流量為0.04kg/s時，曲線上升最為明顯，尤其在前90s的時間內(nèi)曲線上升最快，這是因為碳煙捕集初期的主要方式為深層過濾捕集，碳煙會在小孔周圍快速沉積，因此壓降上升較快；當深層過濾達到基本飽和后，開始進行濾餅過濾，此時碳煙沉積較慢，壓降上升較為平緩。當DPF進口流量為0.02kg/s時，曲線最為平緩，壓降由2700Pa上升到5400Pa，較為合適。

圖10為DPF孔密度（CPSI）對其壓降的影響。由圖可知，當DPF孔密度為100/inch2時，DPF內(nèi)部的壓降上升較快，最后的數(shù)值達到了6.5kPa左右。而當DPF孔密度為200/ inch2、300 /inch2和400/inch2時，DPF內(nèi)部壓降上升則較為緩慢，將三者總體壓降進行比較，發(fā)現(xiàn)孔密度為400/inch2時，壓降最高。以上結(jié)果說明了當孔密度為100/inch2以上時，DPF內(nèi)部壓降上升較慢，故

5.3擴張管錐角對DPF流動均勻性的影響

研究表明，DPF擴張管對DPF流動均勻性的影響要比縮口管的大很多。因此，本節(jié)討論不同擴張管錐角對DPF流動均勻性的影響。分別取錐角為90度、60度和45度，DPF進口流量為0.02kg/s，進口溫度為600K，初始碳煙量為0g/L，每千克尾氣中含有0.0005kg碳煙。計算結(jié)果如圖12中（a）-（c）所示。由圖12中（a）-（c）可知，隨著擴張管錐角的不斷減小，DPF入口截面中心軸線的速度與壁面速度的差在不斷減小，這說明了DPF入口速度拋物線的趨勢在不斷降低，因此均勻性不斷變好。即隨著擴張管錐角的不斷減小，DPF內(nèi)部流場的均勻性不斷變好。

5.4DPF碳煙捕集特性研究

以上研究了DPF壓降特性，對于研究DPF內(nèi)部碳煙的分布和捕集情況有很好的參考作用。下面主要研究DPF內(nèi)部的碳煙分布情況，對于研究DPF的碳煙捕集和碳煙的再生情況有很大的幫助。

在模擬DPF內(nèi)部的碳煙分布時，選擇DPF的入口流量為0.02kg/s，DPF進口溫度為600K，DPF孔密度為200/inch2，且其進口為潔凈狀態(tài)。在AVLFire中進行計算，得出最終的計算結(jié)果，并且選取切片，即可得到DPF內(nèi)部的碳煙分布圖。具體結(jié)果如圖13中（a）～（d）所示：

圖13碳煙分布圖可知，隨著時間的進行，DPF的碳煙捕集量在不斷增加，在DPF的長度方向上，進口附近和出口附近的碳煙量要比DPF中間部分的多。這是因為碳煙在DPF進口時被優(yōu)先捕集，因此造成DPF進口碳煙量較多，隨著氣流的運動，DPF中間部位的碳煙被吹拂到后端，造成DPF后端的碳煙量也比較大。

DPF內(nèi)部碳煙捕集隨著初始碳煙量的增加在發(fā)生著變化。在DPF碳煙捕集初期，捕集方式主要為深層過濾捕集；隨著碳煙的不斷積累，深層過濾達到了飽和，開始進行濾餅層捕集碳煙。選取初始碳煙量分別為0g/L和6g/L，進口溫度都為600K，進口流量為0.02kg/s，觀察DPF碳煙捕集情況。圖14（a）-（b）分別為初始碳煙量為0g/L和6g/L時的碳煙捕集情況。

由圖14可知，由于DPF初始碳煙量為0g/L，即處于潔凈狀態(tài)，因此DPF碳煙捕集主要方式為深層過濾捕集，濾餅捕集占很少一部分。當DPF初始碳煙量為6g/L時，由于DPF初始碳煙量很大，造成深層過濾無法滿足碳煙的捕集，因此，隨著碳煙捕集的進行，濾餅捕集占到主要的地位。

6　發(fā)動機性能試驗

發(fā)動機性能試驗結(jié)果表明，發(fā)動機設(shè)計的各項性能指標都可以達到設(shè)計指標，其中最大扭矩達到350.9Nm@1750rpm，最大功率達到115kW@4000rpm。表3是性能試驗主要的性能指標，發(fā)動機的外特性見圖15、16。

表3　性能試驗主要性能指標

7　總結(jié)

針對該款發(fā)動機的用途和類型，通過分析不同材料的屬性和特點，確定DPF載體所用材料為堇青石；結(jié)合某款發(fā)動機DPF的實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一維DPF模型，得到發(fā)動機排氣背壓與碳煙沉積量之間的關(guān)系，并分析了壓降曲線變化的原因；針對不同發(fā)動機工況，提出不同的再生控制策略以及噴油系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方向，滿足DPF再生要求；構(gòu)建了DPF三維模型，研究了不同時刻DPF內(nèi)部氣體流速分布，并分析了流速變化的原因。

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專家推薦

王為人：

作者對柴油機DPF所用材料的性能進行介紹，比較了當前主流材料sic、堇青石優(yōu)缺點，并以sicDPF為研究對象通過仿真分析和試驗建立起排氣背壓與顆粒物累積量的關(guān)系。對柴油發(fā)動機DPF匹配過程中再生時機的判定、再生溫度的選擇、再生控制策略進行論述。文章缺乏實際樣機匹配試驗數(shù)據(jù)的實例來證明按照文章論述的方法進行匹配的有效性。

Diesel engine aftertreatment system matching study

LIU Chang-wei， WANG Ruo-fei， LIU Xin-wen， ZHAO Ming
（Chery New Energy Automotive Technology Co. Ltd， Wuhu 241002， China）

Based on the purpose and type of the engine， by analyzing the properties and characteristics of different material， determine the DPF carrier materials for cordierite；Combined with a certain engine experimental data of DPF， builds a model of DPF， get the engine exhaust back pressure and the relationship between the carbon smoke sedimentation volume， and analyzes the reason of pressure drop curve；According to different working condition of engine， this paper puts forward different regeneration control strategy and the optimization direction of fuel injection system parameters， satisfies the requirement of DPF regeneration；Build the DPF three-dimensional model to study the gas velocity distribution inside DPF， different time and analyzes the change of flow velocity.

The engine； DPF； strategy； The flow field

U464.172

A

1005-2550（2015）04-0038-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.009

2014-03-18