柴油稀釋和DPF遠(yuǎn)后噴策略控制優(yōu)化

蘇新宇 薛志祥 李嘵平

摘 要：柴油機(jī)因其具有功率大、燃油消耗少、維修簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛引用于汽車行業(yè)。柴油機(jī)DPF為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的必要手段，DPF的再生通常采用遠(yuǎn)后噴再生技術(shù)。但利用遠(yuǎn)后噴進(jìn)行DPF再生會(huì)導(dǎo)致燃油對機(jī)油的稀釋問題。為解決DPF遠(yuǎn)后噴再生時(shí)產(chǎn)生的機(jī)油稀釋問題，本研究通過模擬柴油稀釋臺架試驗(yàn)，分析機(jī)油粘度隨稀釋率變化的關(guān)系，確定機(jī)油稀釋下限以及機(jī)油稀釋的影響因素及控制方法。通過研究發(fā)現(xiàn)：在對發(fā)動(dòng)機(jī)DPF遠(yuǎn)后噴策略的研究中發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)后噴的開始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻及再生中斷，對發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能、機(jī)油粘度均有較大影響。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);機(jī)油稀釋粘度;DPF;策略優(yōu)化

一、概述

通過對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油粘度的實(shí)驗(yàn)研究以及查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油粘度對燃油的燃燒效率以及減排效果都有顯著的影響[1]。當(dāng)其他條件不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油粘度越高，越有利于發(fā)動(dòng)機(jī)油膜的形成，油?？梢杂行p小各零件間的摩擦阻力[2];較高的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油粘度也使機(jī)油的流動(dòng)性降低，從而增加各部分的摩擦阻力;發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油粘度越低，流動(dòng)性越好，有效減小各零件間的摩擦阻力，但承載力差，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部油膜易破裂，喪失各部分的潤滑作用。通過進(jìn)一步的分析以下現(xiàn)象：1、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油粘度過大，導(dǎo)致機(jī)油流動(dòng)阻力顯著增高，在這種情況下再加之環(huán)境溫度低，可造成發(fā)動(dòng)機(jī)極難啟動(dòng)[3];2、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油粘度過大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的轉(zhuǎn)矩也會(huì)變大，從而造成內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)阻力同步增大，這種情況下也極易造成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難;3）發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油粘度過小最明顯的就是造成機(jī)體內(nèi)油膜厚度不足，致使油模強(qiáng)度差[4]。由于油膜強(qiáng)度被削弱而造成其承載能力差，造成發(fā)動(dòng)機(jī)在有負(fù)荷的工況下極易喪失油膜，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)過度磨損。4）發(fā)動(dòng)機(jī)密封性已破壞。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油黏度過小可造成活塞環(huán)密封不足，從而造成燃燒室竄氣和機(jī)油燒失等現(xiàn)象，造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降。根據(jù)以上資料以及大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，僅通過原有的DPF再生后噴策略來控制機(jī)油稀釋問題已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的減排政策[5]。本研究針對這一現(xiàn)象，對柴油稀釋和DPF遠(yuǎn)后噴策略進(jìn)行控制優(yōu)化。

二、實(shí)驗(yàn)條件

項(xiàng)目組所在的江蘇省清潔能源動(dòng)力機(jī)械應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)，可為本項(xiàng)目的開展提供完整的研究基地保證，項(xiàng)目的順利實(shí)施條件十分成熟。試驗(yàn)設(shè)備包括：AVL513DVisioScope可視化試驗(yàn)系統(tǒng)、電力動(dòng)態(tài)測功機(jī)YNOROAD202/12、臺架試驗(yàn)測控儀PUMATC5、Inca標(biāo)定系統(tǒng)。

三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

模擬稀釋試驗(yàn)：通過柴、機(jī)油摻混模擬DPF再生后噴造成的機(jī)油稀釋效應(yīng)，研究不同柴油摻混比例對機(jī)油粘度的影響規(guī)律，擬合不同牌號機(jī)油的粘度隨稀釋率變化曲線。

臺架稀釋試驗(yàn)：通過在發(fā)動(dòng)機(jī)臺架上進(jìn)行快速機(jī)油稀釋試驗(yàn)，提取不同試驗(yàn)時(shí)刻下油底殼中油品進(jìn)行分析，研究在不同機(jī)油粘度的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)碳煙的具體數(shù)值進(jìn)行對比，從而獲取柴油機(jī)內(nèi)機(jī)油稀釋對發(fā)動(dòng)機(jī)減排效率的真實(shí)影響規(guī)律。

四、實(shí)驗(yàn)過程及分析

模擬稀釋試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思路：調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)后噴再生策略，測量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋率，分析遠(yuǎn)后噴再生策略對機(jī)油稀釋的影響規(guī)律，對再生策略進(jìn)行優(yōu)化。

DPF再生控制策略優(yōu)化中，再生開始判斷條件：在再生系統(tǒng)的精密控制下，DOC入口溫度一般高于250℃，此時(shí)燃油的反應(yīng)速率較高，反應(yīng)穩(wěn)定，油耗較小，尾氣污染排放量最低。因此，為達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)再生控制的精確進(jìn)行，一般會(huì)采用限制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速不高于某一確定值時(shí)進(jìn)行再生。通過研究發(fā)現(xiàn)在以下兩種情況下進(jìn)行再生控制可以收到良好的效果。第一種是高速高轉(zhuǎn)矩發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致在這種情況下發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度較高，此時(shí)進(jìn)行再生可以起到很好的減排效果;第二種是發(fā)動(dòng)機(jī)在高速高轉(zhuǎn)矩工況下突然變?yōu)榈退俚娃D(zhuǎn)矩的工況時(shí)，在這種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變，在其DOC入口處的溫度會(huì)急劇下降，可能導(dǎo)致達(dá)不到DOC的起燃溫度。在此時(shí)進(jìn)行再生時(shí)可以明顯減少燃油的消耗量，從而達(dá)到節(jié)能減排的作用。

再生結(jié)束時(shí)刻選擇：再生結(jié)束時(shí)刻的準(zhǔn)確判斷對于降低油耗、減少二次污染具有重要意義。借助對各個(gè)時(shí)刻的DPF積載量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在積載量達(dá)到什么程度對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行再生的影響十分重大。本文通過對不同時(shí)刻的積載量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律，在再生徹底后進(jìn)行停止噴油時(shí)發(fā)現(xiàn)，再生過程可以一直進(jìn)行到積載量幾乎為零的程度。分析其原因在于，當(dāng)這種情況下停止噴油后，由于DPF溫度還保持在一定高度，故而該時(shí)刻的選擇使得再生非常徹底。對再生噴油進(jìn)行進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，提前結(jié)束噴油對于降低油耗以及減小積載量也有明顯的作用。

再生中斷處理：隨著升溫過程的進(jìn)行，DOC出口溫度越來越高，DOC入口溫度和轉(zhuǎn)速的限制越來越寬，即越來越不容易停止再生。然而，有時(shí)還會(huì)由于工況的劇烈變化使得再生條件不再滿足。比如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，此時(shí)繼續(xù)噴油再生則排氣會(huì)帶走大量熱量，造成比較嚴(yán)重的二次污染和燃油消耗，因此需要停止再生。停止再生后，轉(zhuǎn)速快速下降到合適再生范圍內(nèi)，此時(shí)需要進(jìn)行判斷是否立即繼續(xù)噴油再生。

五、總結(jié)

在對發(fā)動(dòng)機(jī)DPF遠(yuǎn)后噴策略的研究中發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)后噴的開始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻以及再生中斷，對發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的凈化以及燃油效率均有較大影響。本課題希望，通過本課題的實(shí)驗(yàn)分析為今后汽車節(jié)能減排的研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及理論基礎(chǔ)。

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