DPF主動再生不均勻問題及解決方案研究

孫 飛，胡 帥，高延新，孫 澤，祝先標，張 超，李 杰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

輕型柴油車國Ⅴ階段排放法規(guī)針對顆粒物數(shù)量進行了明確限制，6×1011個/km，必須采用DPF（Diesel Particulate Filter，柴油微粒過濾器）技術(shù)滿足法規(guī)要求［1］。隨著DPF中的碳煙顆粒累積，DPF系統(tǒng)排氣背壓增大，導(dǎo)致發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性逐漸惡化，因此需要定期清理DPF中累積的碳煙顆粒，這稱為DPF的再生［2］。目前輕型車通常采用缸內(nèi)后噴燃油方式進行主動再生［3］。再生過程中溫度和氧含量是影響碳煙去除效率的主要因素［4］，而碳煙去除效率直接影響整車的再生里程和燃油消耗，其中再生不均勻是經(jīng)常碰到的問題之一。針對目前應(yīng)用的皮卡車型DPF再生不均勻問題進行分析，消除再生不均勻問題，對于提升DPF系統(tǒng)的安全性和可靠性有著非常重要的意義。

1 DPF再生不均勻原因分析

DPF可靠性試驗中進行臺架NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán)）循環(huán)試驗，DPF滿載狀態(tài)下拆卸稱重時發(fā)現(xiàn)：DPF累碳不均勻，局部區(qū)域碳煙較厚，如圖1中紅圈所示。將滿載DPF在NEDC循環(huán)工況下主動再生，前端面仍有約1/3碳未再生完全，判定為DPF前端面氣流分布不均，如圖2中紅圈所示。

經(jīng)過積碳位置對比分析，發(fā)現(xiàn)碳煙累積較多的區(qū)域和再生后殘留碳煙區(qū)域為同一區(qū)域。經(jīng)三維數(shù)模檢查，發(fā)現(xiàn)該位置為氣流不容易到達區(qū)域，為氣流死區(qū)，如圖3所示。

圖1 滿載狀態(tài)

圖2 再生后狀態(tài)

圖3 氣流死區(qū)示意圖

為了進一步確認DPF再生不均勻為氣流死區(qū)影響，進行CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學(xué)）分析，具體結(jié)果見圖4。通過CFD分析可知，該區(qū)域內(nèi)紊流較小，氣流不易到達該區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)再生時溫度較低，碳煙燃燒速率低，因而導(dǎo)致再生結(jié)束時仍有部分積碳殘留。殘留積碳直接導(dǎo)致DPF可利用體積減小，下一個周期累碳量降低，從而導(dǎo)致車輛再生里程縮短。

2 DPF再生不均勻解決方案

由于存在氣流死區(qū)影響，導(dǎo)致DPF再生不均勻，因此需要改變氣流方向，加強該區(qū)域內(nèi)氣體流動。通過在入口端錐內(nèi)部增加混合器葉片改變氣流方向，如圖5所示。

圖4 CFD分析結(jié)果

圖5 混合器葉片示意圖

針對新方案進行CFD仿真分析結(jié)果顯示，氣流方向明顯改變，該區(qū)域內(nèi)氣體流動加強，如圖6所示。DPF入口截面氣流均勻性系數(shù)為97.8%，滿足95%以上的氣流均勻性設(shè)計指標。增加2個導(dǎo)流葉片，背壓增加0.738 kPa，背壓增加較小，總背壓無明顯升高，滿足設(shè)計要求。

圖6 增加混合器后CFD分析結(jié)果

3 DPF混合器方案試驗驗證

為了考核DPF再生均勻性，采用熱電偶測量DPF內(nèi)部溫度變化，各測量點溫度差別較小，則表明DPF內(nèi)部氣流均勻性較好。熱電偶直徑采用0.5 mm，熱電偶插入到DPF載體過濾孔道內(nèi)指定距離進行溫度測量。具體熱電偶安裝位置如圖7所示，其中1-1和1-2測量點位于氣流不均勻處。在DPF前后端面布置熱電偶溫度傳感器，考慮到臺架高溫傳感器通道數(shù)量限制，在前端面共布置7根，后端面布置4根。

3.1 穩(wěn)態(tài)工況碳煙加載試驗

發(fā)動機運行DPF累碳試驗工況，發(fā)動機為2.0L CTI國Ⅴ柴油機，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1400 r/min，扭矩40Nm，進行碳煙加載試驗，試驗過程中前端面溫度變化如圖8所示。從圖8可知，混合器葉片導(dǎo)流區(qū)域溫度高于其他區(qū)域，導(dǎo)流效果明顯。碳加載后DPF前端面碳煙分布均勻，具體如圖9所示。

圖7 熱電偶分布示意圖

圖8 溫度變化曲線

3.2 主動再生試驗

碳加載試驗結(jié)束后，發(fā)動機運行主動再生工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速2000 r/min，扭矩65 Nm，進行再生試驗，再生試驗過程中前、后端面溫度變化如圖10所示。從圖10可知，混合器葉片導(dǎo)流區(qū)域溫度略高于其他區(qū)域，主要是導(dǎo)流效果產(chǎn)生的。各測量點溫度差異較小，再生時氣流均勻，從后端面溫度曲線看，碳煙分布均勻。

主動再生結(jié)束后，DPF前端面無碳煙殘留，如圖11所示，進一步驗證了增加混合器后，解決了DPF入口氣流不均勻現(xiàn)象。

通過控制ECU模型累碳量和累碳時間，分別在整改樣件及原樣件進行穩(wěn)態(tài)工況累碳試驗。帶混合器狀態(tài)下，實際累碳量15.5g，自動再生后有2.2g碳未完全再生，主動再生效率85.8%；原狀態(tài)下，實際累碳量13.7g，自然再生后有2.7g碳未完全再生，主動再生效率80.3%。再生試驗過程中，兩種狀態(tài)下ECU監(jiān)控DPF前溫度均在620℃以上，滿足再生需求。

3.3 DPF前排溫傳感器模型驗證

DPF主動再生模型中關(guān)鍵判斷條件是DPF前排溫傳感器T5大于620℃。為了驗證加裝混合器后對DPF前排溫傳感器T5的影響，是否可以滿足主動再生模型的要求（T5要求10℃以內(nèi)），發(fā)動機運行累碳工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1400 r/min，扭矩90Nm，分別對整改前后樣件進行碳加載試驗，試驗過程中溫度變化曲線如圖12所示。

圖9 DPF前端面碳煙加載后狀態(tài)

圖10 DPF主動再生時溫度曲線

相比于原狀態(tài)件，加裝導(dǎo)流板后T5溫度略有升高，升高量在1～10℃范圍內(nèi)，集中在5℃左右；T5與參考點溫度差基本穩(wěn)定在5℃左右，滿足標定需求。

圖11 DPF主動再生后前端面

圖12 T5溫度變化曲線對比

4 結(jié)論

1）氣流分布不均勻是導(dǎo)致DPF再生不均勻的主要原因，DPF系統(tǒng)正向設(shè)計中不僅需要關(guān)注氣流均勻性指標，更應(yīng)注意DPF前端面無氣流死區(qū)。

2）混合器的設(shè)計是解決氣流分布不均勻的主要解決措施，通過加裝混合器對氣流進行導(dǎo)向，從而解決DPF再生不均勻殘留積碳問題。

3）通過CFD仿真和試驗驗證，加裝混合器可有效解決DPF再生不均勻問題，同時驗證了DPF再生模型中DPF前排溫傳感器T5變化在10℃以內(nèi)，滿足再生標定要求。