柴油機(jī)DOC不同空速對升溫試驗(yàn)研究

王磊 王再興 余國成 劉屹

摘要：為了研究柴油機(jī)氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）性能影響因素，文章運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方式對發(fā)動機(jī)在不同溫度、空速下進(jìn)行了噴油升溫試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：在DOC入口溫度相同時(shí)，空速增加，相同噴油量下，DOC出口溫度降低;達(dá)到目標(biāo)所需噴油量增加，DOC升溫能力變?nèi)酢?/p>

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);HCI;DOC;柴油

0? 引言

柴油機(jī)因具有其獨(dú)特的優(yōu)勢廣泛運(yùn)用，然而柴油機(jī)尾氣中的顆粒物（PM）危害極大[1]。隨著國家對排放要求日益嚴(yán)格，對于PM的排放限值也越來越高，在整車上可通過后處理DPF可以補(bǔ)集90%以上的碳煙，但DPF內(nèi)所補(bǔ)集的碳煙需達(dá)到600℃以上的溫度才可燃燒清除，無論采用發(fā)動機(jī)缸內(nèi)后噴還是增加HCI（碳?xì)鋰娚湎到y(tǒng)）都需要通過DOC進(jìn)行THC氧化反應(yīng)來提升發(fā)動機(jī)排氣管中的排氣溫度，以此方法來提高DPF的入口（DOC出口）溫度滿足DPF再生條件，此時(shí)就需要DOC要有良好的轉(zhuǎn)化升溫性能。

氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）也是當(dāng)今世界公認(rèn)提升DPF入口溫度最有效的技術(shù)之一。到目前為止，大量的學(xué)者對影響DOC升溫進(jìn)行了大量研究工作。本文為某柴油發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的一款DOC，并針對其升溫性能開展實(shí)驗(yàn)研究（見圖1）。

1? DOC升溫性能選題方案

DOC的三大作用：

①發(fā)動機(jī)燃燒后的氣體經(jīng)過DOC蜂窩狀載體的時(shí)候會被載體表面涂覆的鉑系金屬吸附，同時(shí)鉑系金屬作為催化劑與吸附的氧一起對于發(fā)動機(jī)尾氣中的一氧化碳和碳?xì)浠衔餁怏w氧化燃燒，成為對環(huán)境影響不大的二氧化碳?xì)怏w與水。

②DOC作為主動再生時(shí)候的“爐子”起到點(diǎn)燃噴射到排氣管里面燃油的“重任”。為什么是DOC而不是其它部分呢？主要是DOC大量吸附儲存了發(fā)動機(jī)富氧燃燒后多余的氧氣，只有充足的氧氣才能保證再生功能穩(wěn)定持續(xù)的進(jìn)行。

③DOC可以將發(fā)動機(jī)燃燒過后產(chǎn)生的一氧化氮（NO，氣體，屬于NOX其中的一部分）氧化為二氧化氮（NO2），二氧化氮作為催化劑可以降低顆粒物燃燒溫度。

2? HCI+DOC系統(tǒng)介紹

2.1 HCI+DOC系統(tǒng)

研究對象為輕型柴油機(jī)的HCI+DOC系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

2.2 催化器不同空速升溫性能評價(jià)指標(biāo)

對于一個(gè)給定的催化器，制定不同的DOC入口溫度，不同的空速進(jìn)行對比驗(yàn)證，這樣可以從催化器在各個(gè)空速下的升溫達(dá)到目標(biāo)值所需的燃油消耗量指標(biāo)去評價(jià)一個(gè)DOC催化器性能的優(yōu)劣。

DOC催化器的升溫能力：在試驗(yàn)中在DOC催化器的上游和下游分別安裝熱電偶傳感器，用于測量DOC的入口和出口排氣溫度。DOC下游安裝尾氣排放測量裝置，用于監(jiān)測尾氣中的THC的泄露值。在達(dá)到設(shè)定目標(biāo)DPF入口（DOC出口）溫度620℃時(shí)，可以利用測量的THC的泄露數(shù)值不高于1500ppm去計(jì)算催化器的升溫能力。

3? 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)安排在一臺電控高壓共軌缸內(nèi)直噴輕型柴油機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)采用了湖南湘儀電力測功機(jī)，瞬態(tài)油耗儀、HORIBA MEXA-ONE排氣分析儀以及溫度傳感器等。依次選取空速在50000h-1、70000h-1、90000h-1、110000h-1不同的4個(gè)空速點(diǎn)，然后在操作臺架上調(diào)整轉(zhuǎn)速和油門，使DOC入口溫度達(dá)到280℃。用設(shè)備記錄下溫度穩(wěn)定后開始噴射燃油，直到DPF入口溫度達(dá)到620℃;或者DOC下游THC泄露值不大于1500ppm為基準(zhǔn)，并用設(shè)備記錄下現(xiàn)在的尾排及各項(xiàng)數(shù)據(jù)。再次調(diào)整轉(zhuǎn)速和油門，使DOC入口溫度達(dá)到300℃，重復(fù)以上的試驗(yàn)步驟，依次類推，完成DOC入口溫度280℃、300℃、350℃、400℃所對應(yīng)上訴的4個(gè)空速點(diǎn)下的升溫性能測試，分別記錄下試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)果。

4? 不同空速對DOC升溫性能的影響（見圖3）

在探究DOC催化器的性能參數(shù)的影響時(shí)，發(fā)動機(jī)的空速也是主要影響因素之一。在這里探究的是發(fā)動機(jī)在不同溫度、空速下的升溫性能對比試驗(yàn)，從DOC對于THC轉(zhuǎn)化升溫能力進(jìn)行分析。

從圖3中我們可以看出，當(dāng)發(fā)動機(jī)處在較低的空速時(shí)能夠有效提高DOC的燃油升溫性能，當(dāng)在發(fā)動機(jī)空速一定是，需求目標(biāo)溫度為620℃，此時(shí)隨著DOC入口溫度的增加，噴入尾氣中的燃料隨著排氣溫度升高而逐漸減小。在同一目前溫度下，相對應(yīng)的噴射燃油消耗量是減少的，在實(shí)際使用過程中是有利于成本的。在其他的參數(shù)不變的前提下，只單單改變發(fā)動機(jī)空速，隨著發(fā)動機(jī)的空速增加，噴入尾氣中的燃料隨著發(fā)動機(jī)空速升高而逐漸增加，在成本上也會有所增加。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低空速下且達(dá)到目標(biāo)溫度620℃時(shí)，由于所需噴射的燃料較少，DOC下游的THC泄露值可以得到很好控制在1500ppm的數(shù)值范圍內(nèi)。但隨著空速的不斷增加，所相對應(yīng)的噴射燃料也會增加，導(dǎo)致DOC下游的THC的泄露值也升高至2000ppm，這樣在實(shí)際使用過程中，如DPF入口溫度（DOC出口）需要達(dá)到620℃的目標(biāo)溫度再生時(shí)，同時(shí)發(fā)動機(jī)又處在高空速條件下，可能會導(dǎo)致THC排放值超標(biāo)的情況出現(xiàn)。

5? 結(jié)論

①DOC催化器的直徑和長度共同構(gòu)成其體積，在橫截面積相同的情況下，盡可能將催化器的長度加長。②DOC催化器的載體體積大小，受制于實(shí)際整車布置和成本要求。像對與發(fā)動機(jī)體積比，增加DOC體積來降低發(fā)動機(jī)空速，對于DOC催化器性能會比較好。③DOC催化器的體積增加既能夠有效的提高升溫性能，也會使排氣背壓降低，但相對成本會有所增加，整車搭載布置帶來一定困難，所以它們之間相互矛盾、相互制約。

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