尾氣溫度及氧含量對顆粒物捕集器熱再生的影響

張震 劉曉日 師熙隆 馬鳴陽 孫偉偉 陳春曉

摘要：柴油機(jī)顆粒物捕集器是柴油機(jī)顆粒物后處理最有效的方法，長時間使用會使顆粒物堆積造成堵塞，DPF再生的效率受到很多因素的影響，本文通過AVL的方法建立模型，進(jìn)行仿真，研究柴油機(jī)尾氣溫度和尾氣中氧含量對DPF熱再生的影響。

Abstract： The diesel particulate filter is the most effective way of diesel particulate matter post-processing. A long time using can make the particulate matter accumulation caused by congestion. DPF regeneration efficiency is affected by many factors. Based on the simulation method of AVL， the influences of diesel engine exhaust gas temperature and oxygen proportion in exhaust on the DPF thermal regeneration are studied.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)顆粒捕集器;再生溫度;尾氣中含氧量;再生效率

Key words： diesel engine particle filter;regeneration temperature;oxygen in exhaust gas;regeneration efficiency

0? 引言

柴油機(jī)的主要排放物有氮氧化物和顆粒物等[1]，隨著柴油機(jī)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，對柴油機(jī)的尾氣處理系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格要求，尤其是對于顆粒物的排放不僅對質(zhì)量有要求，而且數(shù)量上也提出了要求。傳統(tǒng)的柴油機(jī)后處理的方式是柴油機(jī)顆粒物捕集器，但是其缺點是隨著使用時間的延長，顆粒物沉積量的增加，會導(dǎo)致排氣背壓升高，進(jìn)而導(dǎo)致油耗增加，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性都會下降。現(xiàn)有DPF再生技術(shù)的缺點有在低速低負(fù)荷的工況下，排氣溫度不能提供足夠的熱量使顆粒物燃燒，導(dǎo)致DPF再生失敗;排氣時氧氣濃度較低，為了達(dá)到再生條件需要提高再生溫度，增加了能源損耗，也增加了DPF的熱負(fù)擔(dān)。

影響柴油機(jī)顆粒物捕集器再生效率的原因很多，為了提高DPF的再生效率，國內(nèi)外都有很廣泛的研究，目前研究較多的加熱再生方法有：噴油助燃再生、電加熱再生、微波加熱再生，燃?xì)饧訜嵩偕鶾2]。將DPF與DOC緊密藕合安裝作為后處理系統(tǒng)，可以獲得更好的處理效果，所以目前主流再生技術(shù)往往同時使用主動再生和被動再生。未來的應(yīng)用發(fā)展方向?qū)⑹荄OC+DPF+SCR聯(lián)合應(yīng)用在汽車尾氣的后處理技術(shù)上，孫文等研究了DOC+DPF+SCR聯(lián)合的應(yīng)用對小型柴油機(jī)性能及排放的影響[3]。但是這些技術(shù)的應(yīng)用都沒有離開DPF的熱再生。近年來，河北工業(yè)大學(xué)仝暢等主要研究了DPF的散熱及影響參數(shù)，探討了DPF殼體厚度、環(huán)境溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響[4]。西華大學(xué)的劉苗等在研究中通過搭建試驗臺架，用炭黑模擬尾氣中顆粒物，做了嚴(yán)格的定量實驗，分析研究了來流因素對DPF熱再生的影響，給出了DPF熱再生時內(nèi)部溫度場的變化情況[5]。DPF在熱再生時，載體后段的溫度要高于前段，因為沉積在DPF中的顆粒物在再生過程中燃燒放熱，使DPF整體的溫度升高，這樣的大量放熱可能會對DPF本身材料造成損壞，河北工業(yè)大學(xué)劉曉日等提出了搭建一個試驗臺架的構(gòu)想，在DPF外圍設(shè)置環(huán)狀冷卻裝置[6]，通過冷卻水箱的循環(huán)，帶走DPF中過多的熱量，保證DPF不被高溫?fù)p壞。

本文主要分析尾氣溫度及尾氣中氧氣含量對DPF熱再生的影響。基于此種現(xiàn)象，通過AVL boost的方法建立模型 [7，8]，對尾氣溫度及尾氣中含氧量對DPF熱再生的影響開展研究。

1? 尾氣溫度對DPF熱再生的影響

尾氣溫度對DPF的再生效率的影響是很明顯的，在DPF的熱再生過程中，若尾氣溫度過低則積碳不能完全燃燒，仍會造成DPF的堵塞，若尾氣溫度過高，雖然沉積的顆粒物可以完全燃燒但是過高的溫度會損壞DPF，因為材料有其耐受溫度。目前常用的過濾材料有泡沫式過濾體、壁流式蜂窩過濾體、部分流過濾體和金屬絲網(wǎng)過濾體，泡沫式過濾體通常采用陶瓷材料，根據(jù)其不同，可分為堇青石陶瓷，氧化鋁陶瓷等，廣泛應(yīng)用的堇青石材料耐受溫度不是很高，常見DPF結(jié)構(gòu)如圖1。

本文使用AVL? Boost 軟件中內(nèi)置的 DPF 模型，該模型由進(jìn)口邊界、DPF載體段和出口邊界3部分組成，見圖2。在模擬過程中排氣質(zhì)量流量和氧含量保持不變。通過改變不同的進(jìn)氣溫度，觀察溫度變化（進(jìn)入DPF再生段的尾氣溫度）對DPF熱再生的影響。

本文分別模擬了在氧氣濃度為14%、20%、24%時，不同的進(jìn)氣溫度對DPF熱再生的影響，模擬結(jié)果如圖3所示。我們將模擬的進(jìn)口溫度（進(jìn)入DPF的尾氣溫度）設(shè)定為500℃至600℃之間，每隔20℃設(shè)定一種工況，通過對比我們可以發(fā)現(xiàn)，在尾氣中的氧濃度不發(fā)生變化時，溫度變化對DPF的再生效率是有影響的，而且隨著溫度的升高，再生效率也是有所增加的。但是溫度不可能無限的升高，因為我們還要考慮實際的進(jìn)氣情況，以及顆粒物捕集器的制作材料的耐受溫度，防止溫度過高對DPF的損壞。經(jīng)過上述圖像的對比，可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣溫度到達(dá)550℃以上時，DPF再生速率的增加并不明顯，而且550℃為DPF內(nèi)沉積顆粒物的再生起燃點，所以在選擇輔助加熱再生時，可以選擇550℃為加熱溫度。

2? 尾氣中氧含量對DPF熱再生的影響

柴油機(jī)是富氧燃燒[9，10]，尾氣中含氧量較多，采取控制變量法，保持進(jìn)氣溫度不變，改變不同的氧含量，采用同樣的模型進(jìn)行模擬。控制溫度不變，將氧濃度設(shè)定為7%、14%、20%、24%、30%這五個工況，將溫度分別設(shè)定為500℃、550℃、600℃。通過模擬分析在溫度不變的情況下，氧氣濃度對DPF熱再生的影響。模擬結(jié)果如圖4所示。由圖可見，隨著氧氣濃度的增加，DPF的再生效率也隨之改善，在氧氣濃度為20%左右時，DPF的再生情況明顯改善，此后氧氣濃度增加，顆粒物的減小幅度增加的并不明顯。

3? 結(jié)論

通過AVL boost的方法建立模型，進(jìn)行仿真模擬，研究結(jié)果表明溫度的升高以及氧氣濃度的提升都會對柴油機(jī)顆粒物捕集器的再生產(chǎn)生積極的影響。結(jié)合客觀條件的限制，比如材料的耐受溫度等影響，確定出DPF再生效率最高的參數(shù)，溫度為550℃，氧氣濃度為20%左右時，該DPF有較高的再生效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]江舸.淺談柴油發(fā)動機(jī)尾氣排放與控制技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（22）：41-42.

[2]姜大海.車用柴油機(jī)微粒捕集器噴油助燃復(fù)合再生技術(shù)研究[D].北京交通大學(xué)，2017.

[3]孫文，王蘭紅，孫柯，白書戰(zhàn)，李國祥.DOC+DPF+SCR后處理系統(tǒng)對小型柴油機(jī)性能及排放的影響[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2019，36（05）：1-4，19.

[4]仝暢，劉曉日，陳林睿，張鐵臣，黎蘇.散熱參數(shù)對DPF溫度的影響[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2018，35（06）：30-34，46.

[5]劉苗.溫度對DPF再生性能影響的實驗研究[D].西華大學(xué)，2017.

[6]劉曉日，封碩，張鐵臣，黎明，張啟成，黎蘇.一種DPF再生控制系統(tǒng)及該系統(tǒng)的實驗臺[P].CN207048843U，2018-02-27.

[7]姚紅飛.淺談基于AVL-BOOST軟件的發(fā)動機(jī)開發(fā)過程[J].科技與創(chuàng)新，2015（15）：17-18.

[8]黃開勝，馬晗清.基于Simulink和AVL Boost的DPF再生系統(tǒng)建模和控制策略研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2013，34（S1）：19-24.

[9]王志磊，劉文斌，吳亞龍，宋楊.共軌柴油機(jī)不同噴孔形式對燃油噴霧及燃燒特性的影響[J].柴油機(jī)，2019，41（05）：18-20，34.

[10]伍賽特.柴油機(jī)燃燒過程的主要影響因素及改善措施[J].能源與節(jié)能，2019（11）：63-64，71.