发动机后处理系统匹配研究

刘长伟，王若飞，刘心文，赵明

（奇瑞新能源汽车技术有限公司， 芜湖 241002）

发动机后处理系统匹配研究

刘长伟，王若飞，刘心文，赵明

（奇瑞新能源汽车技术有限公司， 芜湖 241002）

本文针对该款发动机的用途和类型，通过分析不同材料的属性和特点，确定DPF载体所用材料为堇青石；结合某款发动机DPF的实验数据，构建了一维DPF模型，得到发动机排气背压与碳烟沉积量之间的关系，并分析了压降曲线变化的原因；针对不同发动机工况，提出不同的再生控制策略以及喷油系统参数的优化方向，满足DPF再生要求；构建了DPF三维模型，研究了不同时刻DPF内部气体流速分布，并分析了流速变化的原因。

补发动机；DPF；策略；流场

刘长伟

毕业于郑州航空工业管理学院，现任奇瑞新能源汽车技术有限公司主管设计师，主要研究方向：整车电路系统；车身控制系统；柴油机及混合动力总成系统集成控制。

1　柴油机颗粒过滤器（DPF）材料的选择

目前国内DPF应用主要存在两个问题：DPF材料的选用和DPF再生。关于DPF所用材料，当前主要材料有碳化硅SiC，堇青石和钛酸铝（AT，Aluminum Titanate）。其中SiC材料有较高的热容和导热率，所以应用最为广泛。然而其膨胀系数是其他两种材料的4到10倍，所以SiC DPF通常是分段式结构。下表显示的是碳化硅和堇青石材料的基本属性。

表1　SiC和堇青石DPF的基本属性

虽然碳化硅DPF具有较好的特性，但是由于热膨胀系数较高，需要加入胶合区域，所以其制造成本一般高于堇青石DPF。目前DPF常用材料为碳化硅和堇青石。某公司根据不同材料属性进行相关市场分析，预测出在轻型车上不同材料DPF在未来所占市场份额，如图1所示：

为了节约制造成本，这里假设某轿车柴油机所用DPF材料为堇青石，从表1中可以看出其最高温度范围为1100～1400℃，所能承受的最大温度梯度为400～430 ℃/cm。

2　排气背压与颗粒物累积量的关系

排气背压通常随着颗粒物累积量的增加而增大。为了定量研究不同碳烟沉积量下DPF的压降，本文选取尺寸为110 X 160 mm2的碳化硅DPF作为研究对象，其基本参数如表2所示：

表2　DPF主要参数

为提高模拟的准确度，需要对DPF数值模型进行试验验证。图2为DPF入口温度为730 K，进气流量为0.05 kg/s，初始碳烟量为0 g/L，使用氧气加热再生时，通过DPF的实验和模拟压降曲线。从图中可以看出，模拟压降与试验压降曲线基本吻合。由于DPF在再生过程中，部分不可燃成分会沉积在DPF内部，导致再生不完全，发动机排气背压升高，进而导致实验值要略高于模拟值。

假设DPF进气质量流量为0.03 kg/s，进气温度为300℃，则不同碳烟沉积量下压降变化如图3所示。

从图3可以看出，随着碳烟沉积量的增大，通过DPF的压降先急剧增大，再线性增加。这是因为DPF内部碳烟捕集过程分为两个阶段：深层捕集阶段和滤饼捕集阶段。在深层捕集阶段，排气中颗粒沉积在DPF壁面内部，造成壁面渗透率急剧升高，压降急剧上升；而在滤饼捕集阶段，碳烟沉积在DPF壁面上，碳烟层的厚度越大，对应碳烟层的渗透性就越差。由图3可知，碳烟深层捕集阈值在2 g/L左右，当碳烟沉积量小于2 g/L时，碳烟捕集处于深层捕集阶段，随着碳烟沉积压降急剧上升；当大于2 g/L时，碳烟捕集处于滤饼捕集阶段，压降线性增加。

3　再生方案选择

目前DPF再生分为主动再生和被动再生。常见再生方法如图4所示：

在实际应用和研究中，再生的实现有两种思路：一是降低微粒的氧化温度到排气温度范围内；二是将排气温度提高到微粒氧化温度。其中前者主要是指被动再生，如燃油添加剂再生和NO2连续催化氧化再生，而后者主要是指主动再生。主动再生是利用外加热源提高排气温度进而氧化DPF内部颗粒。由于被动再生温度较低，氧化速度慢，不能满足再生系统要求，并且对燃料中硫含量比较敏感，所以这里主要讨论主动再生方式。

3.1再生时机的判定

再生的目的是为了降低DPF内部的颗粒累积量，进而降低发动机排气背压，改善发动机的动力经济型。当DPF内部颗粒累积量过高时，发动机排气背压较大，残余废气过多，造成发动机动力经济性下降。因此，在发动机运行过程中必须进行周期性的再生来降低DPF内的微粒含量。

但在车辆运行过程中，颗粒物累积量不能直接测量，需要通过间接方法来推测。目前再生时机判断方法主要有根据碳烟捕集模型，排气背压监控法，定过滤条件（如油耗，运行里程和时间等）方法，发动机工况检测法，对于不同用途发动机，其背压判断方法也不相同。针对本文研究这款车用柴油机，推荐使用排气背压检测法。其原理就是发动机排气背压随着颗粒累积量的增大而提高，可以根据MAP图中相应工况下排气背压大小来推断DPF颗粒累积量的多少。

总体上来讲，确定再生时机要考虑一下几点因素：

⑴颗粒累积造成排气背压上升对发动机性能的影响；

⑵颗粒累积对再生过程的影响，防止造成过滤体损坏或者再生不完全；

⑶再生能耗与再生效率的问题，再生频率高造成再生能耗增加，频率低造成背压上升，发动机性能下降。

目前再生时机确定有两种不同的思路。

一种是根据发动机允许的最大排气背压判定。因为排气背压升高，泵气损失增大，废气不容易排出，造成发动机动力经济性下降。当喷油量不变时，背压增大必然会导致发动机功率下降。若保证功率不变，必然要增大喷油量，使发动机油耗上升。因此可以设定发动机油耗较同工况洁净DPF状态下的增幅最大允许值或者功率下降的最大允许值（一般为5%）作为发动机所允许的最大背压。

另一种是根据DPF允许的最大碳烟容量来判定。这是因为当DPF内部碳烟沉积过多时，再生过程中碳烟氧化会产生更高的温度。当DPF内部温度过高或者温度梯度过大，会造成DPF烧熔或者烧裂（膨胀系数过大）。因此必须限制DPF内部碳烟的最大沉积量。过滤体中累积颗粒物的限值（SML，soot mass limit） 须根据具体的发动机、过滤体材质、再生方法和再生温度等综合确定。

针对奇瑞这款发动机，其最大碳烟沉积量的确定方法是：首先用实验的方法找到不同工况下，其他参数保持不变油耗上升5%或者功率下降5%所对应的排气背压，再根据碳烟捕集模型找到该排气流速和排温下对应DPF内部的碳烟沉积量。将这个碳烟沉积量作为该工况下再生时最大碳烟沉积量。假设排气背压极值不能超过15 kPa（不同工况下排气背压极值不同），试验发动机的最高排气温度为730 K，最大的排气流量为 586 kg/h，结合压降模型或者该工况下不同碳烟沉积量下背压变化曲线可以得到该排气背压对应的碳烟沉积量。

3.2再生温度的选择

再生温度对DPF再生系统影响很大。再生温度过低，DPF内部碳烟氧化速率低，再生进行缓慢；再生温度过高，碳烟氧化速率较大，可能造成DPF内部温度过高，产生过滤体结构的损坏。由于主动再生系统中碳烟氧化为550～650℃，为了防止DPF由于温度过高而造成的损坏，再生温度范围通常在550～620℃范围之内。除此之外，再生温度与燃油消耗率密切相关。图5显示了不同再生温度下比油耗的变化情况。

从图5中可以看出，低再生温度对应喷油持续期较长，所以有可能对应更高的油耗率。因此在选择再生温度时，应该综合考虑再生温度对DPF材料、再生工况和比油耗的影响。

4　再生控制策略

再生控制主要包含再生时机的选择，再生工况控制，再生过程控制和再生完成的判断。其中再生时机主要是根据排气背压来判断。再生不能过早也不能太晚，再生过早容易造成再生不完全，再生太晚则容易造成过滤体损坏。为了保证DPF不被破坏，必须合理控制DPF入口处气流的温度，氧浓度，碳烟沉积量和气体流量。这就与实际再生过程产生冲突，因为在车辆运行过程中任何工况下都有可能发生再生。为了满足不同工况的再生要求，需要设计不同再生控制策略。

一般来讲，再生控制策略应根据排气温度来确定。当排气温度低于DOC起燃温度时，后处理系统燃油无法在DOC内部氧化放热，也就无法进行再生。针对这种情况，在温度低于DOC起燃（低负荷工况）时，燃油喷射系统通过后喷来提高排气温度，保证DOC前端温度达到DOC起燃，见图6最下方紫色区域。当温度高于DOC起燃温度时，只需要后处理系统喷油即可完成再生。当排气温度足以保证DPF入口温度达到再生温度时，就会发生自然再生（见图6最上方红色区域），也就是非可控再生。

再生过程的控制通过喷油规律和喷油量进行控制的。其中喷油量计算方式如下：

其中mexh为废气的质量流量（kg/h），Cp为废气的比热（kJ/kg·K），Tmax和Texh分 别为废气要达到的温度和废气再DOC入口处的温度（K），LHV为燃料的低热值（kJ/kg）。

喷油规律对再生过程中DPF内最高温度和温度变化影响很大。目前常见喷油规律主要由单次喷油和多次喷油。除喷油次数以外，喷油间隔时间和瞬时喷油速率也是DPF后处理控制的主要内容。在后处理系统的优化中，可以合理调节喷油间隔和瞬时喷油速率，对再生过程进行合理的控制。

再生完成的标志：再生时，当排气背压降到某一个值时可以停止喷油，认为再生完成。该值所对应的排气背压不能过大，否则失去再生意义；也不能过小，因为碳烟沉积量小会导致DPF捕集效率的下降。

5　DPF内部流场和压降特性

5.1DPF内部流场和压力场模拟

在模拟DPF流场时，选取DPF进口流量为0.02kg/s，初始碳烟量为0g/L，孔密度为200/inch2，进口温度为600K。

图7为不同时间DPF内部流场速度矢量图。从图中可以观察到，随着碳烟捕集的进行，DPF入口管的速度逐渐减小，出口管道速度逐渐变大。在DPF载体进口处，中心轴线的速度最大，贴近壁面的速度最小；随着时间的进行，DPF载体内部径向和轴向流场逐渐均匀，且速度逐渐减小。

图8中（a）-（b）为300s时DPF内部的压力分布云图。由图可知，DPF在轴向的压力有着明显的降低，尤其是在载体内部，下降更明显，DPF内部压降服从达西定律，这也说明了DPF载体内部的压降是造成DPF压力损失的最主要原因。在DPF进口截面上，压力在径向也有所下降，这也说明了DPF扩张管也造成了压力的损失。孔密度为200/inch2以上时合适。当孔密度为100/inch2以下时，压降上升较快，对DPF的流场均匀性和碳烟捕集都不利，不符合DPF内部流动的要求。

图11为不同初始碳烟量下的DPF压降图。从图中可以看出，当初始碳烟量为6g/L时，DPF内部压降总体最大，且上升最快，压降由最初的4.5kPa上升到8.9kPa；当初始碳烟量为0g/L时（洁净状态），DPF内部压降最小，并且上升最慢，压降由最初的2.7kPa上升到最终的5.4kPa。故说明DPF压降随着初始碳烟量的变大而逐渐增加，因此初始碳烟量越大就越不利于DPF对压降的要求，因此要减小DPF初始碳烟量。

当初始碳烟量为6g/L时，由于初始碳烟量的增加，使得造成DPF内部压降的主要因素会发生变化，即由于碳烟积累造成的压降要比DPF壁面造成的压降要大，占到了主要地位。

5.2不同结构参数对DPF压降特性的影响

图9为不同入口流量时对应的压降图。由图可知，随着DPF入口流量的变大，DPF的压降也在变大，并且达到稳定所需的时间也越来越短。综合比较着三条曲线可知，当流量为0.04kg/s时，曲线上升最为明显，尤其在前90s的时间内曲线上升最快，这是因为碳烟捕集初期的主要方式为深层过滤捕集，碳烟会在小孔周围快速沉积，因此压降上升较快；当深层过滤达到基本饱和后，开始进行滤饼过滤，此时碳烟沉积较慢，压降上升较为平缓。当DPF进口流量为0.02kg/s时，曲线最为平缓，压降由2700Pa上升到5400Pa，较为合适。

图10为DPF孔密度（CPSI）对其压降的影响。由图可知，当DPF孔密度为100/inch2时，DPF内部的压降上升较快，最后的数值达到了6.5kPa左右。而当DPF孔密度为200/ inch2、300 /inch2和400/inch2时，DPF内部压降上升则较为缓慢，将三者总体压降进行比较，发现孔密度为400/inch2时，压降最高。以上结果说明了当孔密度为100/inch2以上时，DPF内部压降上升较慢，故

5.3扩张管锥角对DPF流动均匀性的影响

研究表明，DPF扩张管对DPF流动均匀性的影响要比缩口管的大很多。因此，本节讨论不同扩张管锥角对DPF流动均匀性的影响。分别取锥角为90度、60度和45度，DPF进口流量为0.02kg/s，进口温度为600K，初始碳烟量为0g/L，每千克尾气中含有0.0005kg碳烟。计算结果如图12中（a）-（c）所示。由图12中（a）-（c）可知，随着扩张管锥角的不断减小，DPF入口截面中心轴线的速度与壁面速度的差在不断减小，这说明了DPF入口速度抛物线的趋势在不断降低，因此均匀性不断变好。即随着扩张管锥角的不断减小，DPF内部流场的均匀性不断变好。

5.4DPF碳烟捕集特性研究

以上研究了DPF压降特性，对于研究DPF内部碳烟的分布和捕集情况有很好的参考作用。下面主要研究DPF内部的碳烟分布情况，对于研究DPF的碳烟捕集和碳烟的再生情况有很大的帮助。

在模拟DPF内部的碳烟分布时，选择DPF的入口流量为0.02kg/s，DPF进口温度为600K，DPF孔密度为200/inch2，且其进口为洁净状态。在AVLFire中进行计算，得出最终的计算结果，并且选取切片，即可得到DPF内部的碳烟分布图。具体结果如图13中（a）～（d）所示：

图13碳烟分布图可知，随着时间的进行，DPF的碳烟捕集量在不断增加，在DPF的长度方向上，进口附近和出口附近的碳烟量要比DPF中间部分的多。这是因为碳烟在DPF进口时被优先捕集，因此造成DPF进口碳烟量较多，随着气流的运动，DPF中间部位的碳烟被吹拂到后端，造成DPF后端的碳烟量也比较大。

DPF内部碳烟捕集随着初始碳烟量的增加在发生着变化。在DPF碳烟捕集初期，捕集方式主要为深层过滤捕集；随着碳烟的不断积累，深层过滤达到了饱和，开始进行滤饼层捕集碳烟。选取初始碳烟量分别为0g/L和6g/L，进口温度都为600K，进口流量为0.02kg/s，观察DPF碳烟捕集情况。图14（a）-（b）分别为初始碳烟量为0g/L和6g/L时的碳烟捕集情况。

由图14可知，由于DPF初始碳烟量为0g/L，即处于洁净状态，因此DPF碳烟捕集主要方式为深层过滤捕集，滤饼捕集占很少一部分。当DPF初始碳烟量为6g/L时，由于DPF初始碳烟量很大，造成深层过滤无法满足碳烟的捕集，因此，随着碳烟捕集的进行，滤饼捕集占到主要的地位。

6　发动机性能试验

发动机性能试验结果表明，发动机设计的各项性能指标都可以达到设计指标，其中最大扭矩达到350.9Nm@1750rpm，最大功率达到115kW@4000rpm。表3是性能试验主要的性能指标，发动机的外特性见图15、16。

表3　性能试验主要性能指标

7　总结

针对该款发动机的用途和类型，通过分析不同材料的属性和特点，确定DPF载体所用材料为堇青石；结合某款发动机DPF的实验数据，构建了一维DPF模型，得到发动机排气背压与碳烟沉积量之间的关系，并分析了压降曲线变化的原因；针对不同发动机工况，提出不同的再生控制策略以及喷油系统参数的优化方向，满足DPF再生要求；构建了DPF三维模型，研究了不同时刻DPF内部气体流速分布，并分析了流速变化的原因。

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专家推荐

王为人：

作者对柴油机DPF所用材料的性能进行介绍，比较了当前主流材料sic、堇青石优缺点，并以sicDPF为研究对象通过仿真分析和试验建立起排气背压与颗粒物累积量的关系。对柴油发动机DPF匹配过程中再生时机的判定、再生温度的选择、再生控制策略进行论述。文章缺乏实际样机匹配试验数据的实例来证明按照文章论述的方法进行匹配的有效性。

Diesel engine aftertreatment system matching study

LIU Chang-wei， WANG Ruo-fei， LIU Xin-wen， ZHAO Ming
（Chery New Energy Automotive Technology Co. Ltd， Wuhu 241002， China）

Based on the purpose and type of the engine， by analyzing the properties and characteristics of different material， determine the DPF carrier materials for cordierite；Combined with a certain engine experimental data of DPF， builds a model of DPF， get the engine exhaust back pressure and the relationship between the carbon smoke sedimentation volume， and analyzes the reason of pressure drop curve；According to different working condition of engine， this paper puts forward different regeneration control strategy and the optimization direction of fuel injection system parameters， satisfies the requirement of DPF regeneration；Build the DPF three-dimensional model to study the gas velocity distribution inside DPF， different time and analyzes the change of flow velocity.

The engine； DPF； strategy； The flow field

U464.172

A

1005-2550（2015）04-0038-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.009

2014-03-18