基于乙醇氧化的DOC辅助DPF再生技术可行性研究

唐粤清，张春润，井 磊，邓成林，钱仁军

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 装备保障系，天津 300161；3.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)



基于乙醇氧化的DOC辅助DPF再生技术可行性研究

唐粤清1，张春润2，井 磊1，邓成林3，钱仁军1

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 装备保障系，天津 300161；3.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

柴油车颗粒物排放问题是限制柴油车进一步推广的重要因素。在排气管喷油再生技术基础上，提出一种基于氧化型催化转化器(DOC)氧化乙醇辅助柴油车颗粒物捕集器再生方法。对DOC氧化乙醇辅助再生技术的可行性、乙醇氧化的起始温度和乙醇氧化的温升效果进行试验。结果显示：DOC入口温度大于235 ℃时，对乙醇氧化效率较高，具有很好的升温效果，能够满足DPF再生的温度要求，表明该技术路线具备很好的可行性。

柴油机；乙醇；颗粒物；DPF再生

随着柴油车颗粒物排放的日益增加，排放法规对颗粒物排放限制日益严格，柴油车颗粒物污染成为汽车排放领域的重要问题[1]。柴油机颗粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)公认是处理柴油车颗粒物排放最有效的措施，但是在使用过程中，随着过滤体捕集的颗粒物的增加，导致发动机排气背压升高，会对发动机性能产生不良的影响，因此需要周期性地对DPF进行再生[2]。正常情况下，颗粒物氧化温度为600 ℃，而绝大多数运行工况下，柴油机排气温度低于400 ℃[3]。国内外对多种DPF再生技术进行了研究，主要是通过喷油助燃[4]、微波加热、红外加热等方法提高排气温度，但各种再生方法都有不足之处。微波加热和红外加热设备较复杂，而且DPF内部温度不易控制，容易损坏过滤体；喷油助燃再生对柴油雾化效果要求较高，容易产生积碳或冒白烟现象。

乙醇作为一种可再生能源，具有易制取、易保存、易挥发、易氧化而且是含氧燃料等优点，更适合用于提高排气温度，氧化捕集器中的颗粒物，实现DPF再生。本文对正常排气温度下乙醇能否较好地被氧化以及乙醇氧化释放的能量能否使DPF入口温度达到颗粒物起燃温度进行研究。

1 再生系统与试验平台设计

将再生系统安装在气道试验台上进行可行性验证。气道试验台只对排气的流量和排气温度进行控制，同时利用温度传感器对DOC出口温度进行测量。

1.1 再生系统设计

利用气泵的压力在排气管道内喷射乙醇，在喷射压力和排气温度的作用下使乙醇较好地雾化，利用氧化型催化转化器(diesel oxidation catalyst, DOC)将乙醇蒸气氧化，利用乙醇氧化释放的大量热量使DPF入口温度提高至600 ℃以上，从而使捕集器中的颗粒物氧化，实现DPF再生。乙醇氧化辅助DPF再生系统原理如图1所示。

图1 乙醇氧化辅助DPF再生系统原理

图2所示为DPF再生系统结构框图，再生系统主要由气助式乙醇喷射模块、氧化催化转换器、颗粒捕集器和相关的温度、压力、氧浓度传感器组成。再生系统利用气泵泵气提供乙醇喷射压力，气体流经稳压阀后分为两路，一路提供稳定的乙醇喷射压力，一路经稳压阀后提供稳定的辅助空气压力，通过计量阀对乙醇喷射量进行精确控制，通过控制器对电磁阀进行控制，进而控制气泵，确保储气罐气压稳定在一定范围。乙醇的喷射由二位二通阀和计量阀占空比进行控制，乙醇喷射量根据系统传感器采集的信息进行反馈调节。

图2 乙醇氧化辅助再生系统结构

再生系统是由DOC和DPF耦合而成的一套后处理装置，其主要的技术参数见表1。

表1 后处理装置技术参数

1.2 气道试验台

为使试验条件可控，试验在气道试验台上进行，气道试验台可以很好地用于模拟尾气的流量条件和温度条件。如图3所示为气道试验台布置图，气道试验台由鼓风机、加热箱、流量计、变频控制箱、温度控制箱、气体管道以及再生系统组成。该试验台可以通过流量计和变频控制箱对管路中的气体流量进行反馈控制，利用加热箱中的加热电阻对管路流出的气体进行加热，通过温度控制箱对加热箱出口处气体温度进行精确控制。

图3 气道试验台布置

2 再生可行性试验

将气道试验台气体流量设置为140 m3/h,该流量下空速比适中，主要研究不同DOC入口温度时，DOC出口温度随乙醇喷射量而变化的关系。试验前已经对计量阀的乙醇喷射量进行标定，乙醇喷射压力为300 kPa，辅助空气压力为150 kPa，计量阀标定数据见表2。

试验中乙醇氧化效率根据能量守恒定律进行估算，当DOC出口温度达到相对稳定时，DOC系统的能量处于动态平衡，即乙醇氧化释放能量的功率和DOC系统流出能量的功率相等。DOC系统流出能量的功率计算式为

PΔΤ=Vexh·ρ·Cexh·ΔΤ+ΔΡ

(1)

式中：Vexh为排气体积流量，m3/h；ρ为排气的密度，kg/m3；Cexh排气的比热容，J/(kg·℃)；ΔT为DOC前、后的温差，℃；ΔP为DOC散热的功率，J/h。

表2 乙醇计量阀标定数据表

DOC氧化乙醇释放的热功率Peth可根据下式计算：

Peth=Q·qeth

(2)

式中：Q为计量阀喷射速率，kg/h；qeth为乙醇燃烧热，J/kg。

根据能量守恒可以计算出DOC平衡时DOC前、后的理论温差，根据实际温差与理论温差的比值，可以判断乙醇的氧化效率。

2.1 DOC氧化乙醇起始温度试验结果及分析

如图4所示为DOC入口温度对DOC氧化乙醇后出口温度的影响关系，氧含量下降时刻对应乙醇喷射计量阀参数改变时刻。从图中可以看出，当乙醇计量阀开始喷射乙醇时，氧浓度开始下降，这是因为乙醇氧化会消耗部分氧气，而且乙醇气体也会占用管道中的一部分体积，从而导致氧气体积分数下降。图中DOC出口温度在上升一段时间后基本保持稳定，这是因为乙醇氧化释放的能量一部分被DOC载体吸收，一部分通过DOC表面散失到空气中，一部分被管道内流动的气体带走。随着DOC载体温度逐渐升高，乙醇氧化释放的热量逐渐增大，DOC载体的温度越来越高，DOC传递给空气的热量和流动气体带走的热量会越来越多，最终会达到一个相对稳定的状态，此时乙醇氧化释放的热量与DOC系统散失的热量达到平衡。DOC不同入口温度时出口平衡温度见表3。其中，DOC入口温度为215 ℃时DOC出口温度达到平衡的时间最长，这是由于在乙醇氧化过程中DOC后端温度逐渐升高，而在DOC载体温度升高的温度范围，恰好是DOC氧化乙醇能力提升较快的温度范围，从而导致出口温度达到稳定用时较长。

表3 DOC不同入口温度时出口平衡温度 ℃

根据式(1)(2)进行估算，DOC出口温度相对稳定时DOC入口与DOC出口理论温差为60 ℃，DOC入口温度依次从265 ℃到165 ℃，DOC入口与平衡时出口温度差依次是58、53、51、20、13 ℃，因此，当DOC入口温度大于215 ℃时，随着乙醇氧化使DOC温度逐步变高，根据平衡时DOC前、后温差与理论温差的比值可以判断乙醇氧化效率可以达到85%以上，但215 ℃时DOC后温度上升时间长，该过程中可能产生污染气体较多，因此考虑至少235 ℃时开始进行乙醇喷射。

(a)入口温度265 ℃温度曲线

(b)入口温度235 ℃温度曲线

(c)入口温度215 ℃温度曲线

(d)入口温度185 ℃温度曲线

(e)入口温度165 ℃温度曲线图4 DOC入口温度对DOC升温效果的影响

2.2 DOC氧化乙醇温升试验结果及分析

根据乙醇氧化起始温度试验数据确定DOC入口温度为235 ℃时可以进行乙醇喷射，乙醇喷射量由计量阀占空比控制，试验中计量阀占空比分别是0、10%、25%、40%、55%、70%和85%。如图5所示为出口温度随乙醇喷射量变化的关系。氧含量下降时刻对应乙醇喷射计量阀参数改变时刻。由图可知，该入口温度条件下，计量阀占空比的变化导致DOC出口温度成阶梯状，每一阶梯的温度达到最高点后基本达到平衡，这是乙醇氧化释放的热量与气流带走的热量与系统散热之和达到平衡的结果；DOC出口温度通过喷射乙醇可以使DOC出口温度即DPF入口温度达到730 ℃，可以满足DPF再生的温度要求。只考虑乙醇氧化升温阶段时间，3 min内可以将DOC出口温度提高至650 ℃。

图5 乙醇喷射量对DOC升温效果的影响

3 结 论

(1)DOC入口温度对乙醇氧化效率影响较大，在DOC温度大于235 ℃的情况下，DOC氧化乙醇升温效率较高，可以开始进行乙醇喷射。

(2)DOC入口温度满足乙醇氧化的初始温度时，可以通过喷射乙醇快速将DOC出口即DPF入口温度升高至DPF再生温度，满足DPF再生需要。

(3)该再生系统能满足DPF再生的需求，并且对原始排气温度的要求相对有所降低，对于DPF车载实时再生具有更广的适应性，对DPF再生技术的研究具有一定的借鉴意义。

[1] JOHNSON T. Review of vehicular emissions trends[J]. SAE Int. J. Engines:2015, 8(3), doi:10.4271/2015-01-0993.

[2] 张春润,姜大海.柴油机排气微粒捕捉器燃气再生技术的研究[J].内燃机学报,2002,20(5):391-394.

[3] KOTRBA A, BROCKMAN A, MARTIN S, et al. Secondary fuel injection layout influences on DOC-DPF active regeneration performance[J]. SAE Int. J. Commer.Veh. 2013,6(2), doi:10.4271/2013-01-2465.

[4] 刘宏威,张凯凯,姚广涛,等.采用缸内后喷和排气管喷油的DOC辅助DPF再生技术的研究[J].汽车工程,2015,37(4):391-395.

(编辑：张峰)

Feasibility of DPF Regeneration Technology with DOC Ethanol Oxidation

TANG Yueqing1， ZHANG Chunrun2， JING Lei1， DENG Chenglin3， Qian Renjun1

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 2.Equipment Support Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 3.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Particulate matter emission is a restriction for popularizing diesel vehicles. This paper proposes a regeneration technology for diesel particulate filter (DPF) with diesel oxidaton catalyst(DOC) on the base of exhaust pipe oil injection regeneration technology, and tests the feasibility of regeneration technology with DOC ethanol oxidation, and initial temperature and heating effect of ethanol oxidation. The result shows that DOC ethanol oxidation has high efficiency and great heating effect while DOC inlet temperature is above 235℃ and can meet the requirement of DPF regeneration, which can prove the feasibility of this technology.

diesel; ethanol; particulate matter (PM); DPF regeneration

2016-04-25；

2016-05-24．

国家高技术研究发展计划项目(2013AA065303).

唐粤清(1992—)，男，硕士研究生；

张春润(1957—)，男，博士，教授，博士研究生导师.

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.012

TK421．5

A

1674-2192(2016)11- 0049- 05