基于怠速提升的DPF再生温度控制方法研究

唐蛟，李国祥，郭圣刚，陶建忠，张军，王堃

(1.山东大学能源与动力工程学院，山东 济南 250061； 2.潍柴动力股份有限公司技术中心，山东 潍坊 261205)



基于怠速提升的DPF再生温度控制方法研究

唐蛟1，李国祥1，郭圣刚2，陶建忠2，张军2，王堃2

(1.山东大学能源与动力工程学院，山东 济南 250061； 2.潍柴动力股份有限公司技术中心，山东 潍坊 261205)

在DPF主动再生过程中，如果柴油机运行工况突降至怠速状态，会使DPF内部温度峰值和温度梯度迅速升高，易导致DPF出现烧熔现象，针对该问题，进行了基于怠速提升的DPF主动再生温度控制的试验研究。结果表明：再生过程降至怠速工况时，载体出口端中心附近的温度和温度梯度升高幅度最大；随着怠速的提升载体的温度峰值和温度梯度逐渐降低，怠速提升至1 100 r/min时，最高温度峰值由820 ℃左右降至632 ℃左右，降低了约22.9%，最大温度梯度由30 ℃/cm左右降至10 ℃/cm左右，降低了约66.7%。

颗粒捕集器； 再生； 怠速； 温度控制

柴油机尾气中含有可吸入颗粒物，严重危害着人体的健康。欧Ⅵ排放标准中不仅对颗粒物质量(PM)做出了更严格的限制，同时对颗粒物数量(PN)也提出了要求[1]，因此重型柴油机满足欧Ⅵ排放法规必须采用颗粒捕集器(DPF)[2-3]。DPF为壁流式结构，通过将排气中的颗粒物捕集在过滤器壁面上来实现清除颗粒的目的，但颗粒物的不断累积导致DPF堵塞，引起排气背压升高、发动机燃油经济性恶化等问题，因此，需要对充满颗粒物的DPF进行周期性再生[4]以恢复其过滤功能。在柴油机中高负荷工况再生时排气流量较高，可以将颗粒物燃烧释放的热量及时带走，然而在主动再生发生初期柴油机运行工况突然降至怠速(DTI)状态时，由于排气流量迅速降低，排气中氧气浓度升高，此时积累在DPF中的颗粒物因剧烈燃烧，放出的热量没有被及时带走，导致DPF存在烧熔、烧裂的风险[5]。因此，当再生过程中出现DTI现象时，将DPF内部的温度峰值和最大温度梯度控制在载体、催化剂可承受范围内是DPF再生研究的重要内容之一。田径[6-7]等人通过降低排气中氧气浓度来控制颗粒物燃烧速率，但氧气浓度降低到一定程度时会造成柴油机怠速运转稳定性变差和HC与CO大量生成等问题。Patrick Recker[8]等人通过控制DPF前排气温度进行DPF再生，降低颗粒物的燃烧速率从而控制载体温度，但这会延长再生时间，增加主动再生时的燃油消耗。

上述研究主要通过降低颗粒物的燃烧速率来控制载体温度，本研究通过怠速提升的方法来提高排气质量流量将热量及时带走，达到控制载体温度的目的，并对其进行了试验验证，研究结果可为DPF再生安全性的研究提供参考。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验发动机为电控高压共轨柴油机，其技术参数见表1，发动机试验台架总体布置见图1。

表1 试验柴油机特征参数

试验采用AVL INDYS66JD交流电力测功机测量转速和扭矩，采用压力传感器测量DPF进口端和出口端压力，采用METTLER TOLEDO KA32s测量DPF碳载量。

排气后处理系统由氧化型催化转化器(DOC)和DPF组成，具体的特征参数见表2。DPF载体内部布置9支直径为0.5 mm的铠装热电偶型温度传感器，以获取载体内部温度分布情况。DPF载体内部温度传感器分布见图2。

表2 DOC和DPF特征参数

1.2 试验方法

进行2种方式的DPF主动再生试验：一是再生过程中柴油机工况降至正常怠速700 r/min；二是再生过程中当发生DTI时，分别提升怠速至900 r/min，1 000 r/min，1 100 r/min，保证再生过程中载体最高温度低于限值800 ℃、最大温度梯度低于限值25 ℃/cm。相同碳载量条件再生时进入怠速的时刻不同，载体的温度峰值和温度梯度不同，在再生中后期由于DPF中积累的颗粒物大部分已经燃烧，此时进入怠速工况DPF载体温度升高幅度并不明显。因此，为了保证每次DTI过程的一致性和最佳进入时刻(使载体温度峰值和温度梯度高)，再生前碳载量通过WHTC(Worldwide Harmonized Transient Cycle)测试循环累积到4.0 g/L左右，在试验过程中选取2 100 r/min，800 N·m的稳态工况点触发再生，通过排气热量管理措施(进气节流阀、燃油喷射装置等)将DPF出口端排气温度提高至550 ℃左右，再生过程中当DPF两端压差传感器测量值出现下降时，调控柴油机进入怠速工况，同时燃油喷射装置(HCI)停止喷射燃油。具体试验参数见表3。其中，排气温度测量点为DPF进口处。

测试点a和测试点b间的温度梯度Ta-b定义如下：

(1)

式中：Ta和Tb分别为测试点a和测试点b的温度；Lab为测试点a和测试点b间的距离。

表3 试验参数

2 试验结果及分析

2.1 正常怠速下的DTI试验

图3示出了再生过程中发生DTI现象时DPF内部测试点温度随时间变化的关系。HCI装置喷入排气管中的燃油被DOC氧化释放热量，通过控制燃油喷射量将DPF出口端排气温度提高至550 ℃左右。随着排气温度和颗粒物燃烧速率的升高载体温度逐渐升高，到80 s左右时载体温度达到稳定状态，持续约20 s时由于颗粒物的减少DPF前后压差开始降低，此时柴油机工况突然降至怠速，排气流量由720 kg/h降至180 kg/h，这使得颗粒物燃烧产生的热量没有被及时带走，导致载体温度迅速升高。试验结果显示载体出口端中心位置附近温度升高幅度较大，进口端中心位置附近温度升高幅度较小，边缘位置温度变化不明显。这是因为载体出口端积累的颗粒物多、燃烧释放出的热量更多，而边缘位置载体温度低、颗粒物燃烧速率慢(再生结束后剩余颗粒物大部分集中在载体边缘位置)。因此，发生DTI现象时应重点关注载体出口端位置温度的变化，保证最高温度在催化剂和载体承受范围以内。

图4示出了再生过程中发生DTI现象时载体温度梯度随时间的变化。DPF出口端排气温度和内部累积的颗粒物分布不均匀，使颗粒物在再生过程中燃烧不均匀，导致载体出现温度梯度的现象。试验结果显示，在100 s左右降至怠速时温度梯度迅速升高，随后出现波动，到300 s左右时达到最大值，其中径向和轴向方向的温度梯度分别达到30 ℃/cm和20 ℃/cm左右。径向方向相对轴向方向颗粒物燃烧更不均匀，导致径向方向的温度梯度较大，且在再生后期由于中心轴位置附近颗粒物已再生彻底，而边缘位置还存在大量的颗粒物，导致此时载体温度梯度达到最大值。

2.2 提升怠速下的DTI试验

图5示出了再生过程中发生DTI现象时提升怠速后测试点温度随时间的变化。试验过程中怠速由700 r/min分别提升至900 r/min，1 000 r/min，1 100 r/min，此时排气质量流量分别由180 kg/h提高至253 kg/h，293 kg/h，334 kg/h。排气质量流量的增加能够带走更多颗粒物燃烧释放的热量，从而在发生DTI现象时可以有效控制载体温度峰值。

可以看出，当怠速提升至1 100 r/min时，载体的温度峰值明显降低，其中测试点7的最高温度由820 ℃左右降至632 ℃左右，降低了约22.9%，能够有效防止催化剂因高温而发生失效的风险。

图6示出再生过程中发生DTI现象时提升怠速后测试点温度梯度随时间的变化。随着怠速的提升载体温度峰值逐渐降低，温度分布更均匀，导致温度梯度逐渐降低，最大温度梯度由怠速700 r/min 时的30 ℃/cm左右降至怠速1 100 r/min 时的10 ℃/cm左右，降低了约66.7%，可有效降低载体烧裂的风险。

2.3 怠速提升范围探讨

载体与排气进行对流换热，根据牛顿冷却公式，时间t内两者间的换热量Q为

(2)

式中：H为载体与排气间的对流换热系数；A为载体表面积；ΔT为载体与排气间的温差。

从式(2)可以看出，增大H和ΔT可以提高载体与排气间的换热量。从表3中数据可以看出，随着怠速的提升排气质量流量大幅度提高，而排气温度变化并不明显，当怠速由700 r/min提升至1 100 r/min时，排气流量提高了约86%，而排气温度仅提高了约7.4%，可以推断，怠速提升后载体与排气间的对流换热系数的提高幅度明显大于两者间温差的降低幅度。 因此，随着怠速的提升，载体与排气间的换热量将逐渐增加，载体的温度峰值和温度梯度逐渐降低。但当怠速提升幅度较高时，车辆驾驶员的操控性会受到影响，在拓展碳载量限值时提升的怠速应控制在发动机常用工况转速以下，以避免再生过程中发生DTI现象时发动机转速在当前运行转速下出现升高的现象。

同时，柴油机怠速工况时排气中氧气浓度在18%左右，当氧气浓度在5%以上时，通过进气节流阀和EGR阀降低氧气浓度控制颗粒物燃烧速率效果并不明显[9]，反而会造成排气流量大幅度降低，导致发生DTI现象时载体温度更高。因此，通过提升怠速控制载体温度时应合理控制进气节流阀和EGR阀开度，在降低NOx排放物时应尽量减小排气流量的降低幅度，保证颗粒物燃烧释放的热量被排气充分带走，达到有效控制载体温度的目的。

3 结论

a) 再生过程中发生DTI现象时通过提升怠速可以明显降低载体温度峰值和温度梯度，但拓宽DPF碳载量限值时怠速需要控制在合理的范围内;

b) 再生过程中发生DTI现象时应重点关注载体出口端中心附近的温度和径向方向的温度梯度。

[1] Johnson T V.Diesel Emission Control in Review[C].SAE Paper 2009-01-0121.

[2] Luis Miguel Oliveira.Controlling Particulate Matter Emissions in Vehicles Using Different Strategies under the Heavy-Duty Test Cycle[C].SAE Paper 2012-01-0885.

[3] Johnson T V.Review of diesel emissions and control[C].SAE Paper 2010-01-0301.

[4] 李新,资新运,姚广涛,等.柴油机尾气微粒捕集器燃烧器再生技术研究[J].内燃机学报,2008,26(6):538-542.

[5] Thorsten B,Dominik R,Ingo-C Tilgner.Regeneration strategies for an enhanced thermal management of oxide diesel particulate filters[C].SAE Paper 2008-01-0328.

[6] 田径,程义琳,刘忠长,等.柴油机微粒捕集器降怠速再生过程载体温度的控制[J].内燃机学报,2013,31(2):6-9.

[7] Koltsakis G,Haralampous Q,Samaras Z,et al.Control Strategies for Peak Temperature Limitation in DPF Regeneration Supported by Validated Modeling[C].SAE Paper 2007-01-1127.

[8] Patrick R,Stefan P.Thermal Shock Protection for Diesel Particulate Filters[C].SAE Paper 2011-01-2429.

[9] 李小华,丁道伟,施蕴曦,等.DPF热再生过程影响因素研究[J].车用发动机,2014(2):40-45.

[编辑：姜晓博]

Temperature Control Method of DPF Regeneration Based on Idle Speed Enhancement

TANG Jiao1, LI Guo-xiang1, GUO Sheng-gang2, TAO Jian-zhong2, ZHANG Jun2, WANG Kun2

(1.School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061, China; 2.Center of Research and Department, WEICHAI Power Co.，Ltd., Weifang 261205, China)

The peak temperature and temperature gradient of DPF would increase rapidly and even led to DPF damage if the engine dropped to idle speed during the active regeneration.In order to solve the problem, DPF active regeneration temperature control based on idle speed enhancement was researched.The results show that the temperature and temperature gradient around the center of DPF exit are maximum after the drop-to-idle.With the increase of idle speed, the peak temperature and temperature gradient of carrier decrease step by step.When the idle speed increases to 1 100 r/min, the highest temperature peak decreases by 22.9% from 820 ℃ to 632 ℃ and the highest temperature gradient decreases by 66.7% from 30 ℃/cm to 10 ℃/cm.

diesel particulate filter (DPF); regeneration; idle speed; temperature control

2014-10-11；

2015-01-06

国家“863”计划子课题(2012AA111706)

唐蛟(1984—)，男，博士，主要研究方向为重型车用柴油机后处理技术；tangjiao@weichai.com。

李国祥(1965—)，男，教授，主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制、车辆热管理及新能源汽车；liguox@sdu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.014

TK421.5

B

1001-2222(2015)02-0066-04