机内控制策略下的DOC温升规律及影响因素分析
2018-04-25彭宇明李大勇
陈 刚 彭宇明 李大勇
（1-西南交通大学机械工程学院 四川 成都 610031 2-成都威特电喷有限公司）
引言
柴油机工作过程中会产生微粒物（PM）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）。其中微粒物与NOx为主要污染物[1]。微粒捕集器（DPF）是满足柴油机严苛排放法规的重要技术，在DPF捕集过程中，随着微粒沉积量增加，发动机排气背压上升，燃烧恶化，需要定期清除碳烟颗粒，即DPF再生；DPF再生技术分为主动再生与被动再生，主动再生通过外加能源进行再生，优势是有较高的再生效率，不足在于成本高昂，再生装置结构复杂，安装成本高。被动再生利用催化剂或者燃油添加剂降低碳烟颗粒的着火温度，保证颗粒在柴油机大多数工况的排气温度下能够燃烧。主动再生方案中的喷油助燃再生运用最普遍的方式是机内DPF再生[2]。
机内DPF再生控制策略，通过在DPF前安装氧化催化转化器（DOC），当DOC入口达到250℃及以上时，DOC通过氧化柴油机尾气中的HC使DPF入口温度达到500～600℃，满足PM的燃烧条件。所以，DOC的入口、出口温度的控制，是机内DPF再生控制策略的关键环节；但影响DOC出入口温度影响因素众多，普通依赖经验的实验标定实现困难而且费时费力，详细研究喷油参数和EGR率对DOC温度的影响，总结出温升规律，对制定相应的温升控制策略，进而快速有效地实现机内DPF再生MAP的标定有较大的意义[3]。
1 建立DOC模型
2 DOC模型的校核
以某4缸高压共轨柴油机连接DOC装置为原型（主要参数见表1），在GT-POWER仿真软件中输入柴油机、DOC结构参数，建立柴油机与DOC相连接为整体的仿真模型（如图1所示）。
实验中柴油机与DOC相连接，将6个工况的实验数据与仿真结果作校核，验证结果如表2所示。
图1 DOC模型图
表1 发动机与DOC主要参数
表2 模型校核表
DOC模型的难点和重点在于较为精确地构建涡轮机和增压器的参数模型，完整精确地构建增压器参数模型是比较困难的，而增压器对柴油机燃烧性能影响巨大，因此我们根据压气机流量特性图，通过大量实验数据来拟合可匹配性的涡轮MAP，并经过不断调校来校准，得到较为精确的模型。仿真结果显示柴油机性能与DOC温升数据与实验数据相差在5%以内，说明DOC模型具有较高的可靠性。
3 温升参数仿真分析
采用 1 900 r/min，100 N·m 和 2 750 r/min，80 N·m工况为例，来分析机内控制策略的相关参数对DOC温升特性影响规律；两工况实验标定参数的数值如 表3所示。
表3 工况实验数据表
3.1 预喷参数
预喷在主喷之前某时刻往缸内喷入少量柴油，升高气缸内温度，促进主喷燃油的蒸发与混合，缩短主喷滞燃期，减小预混合燃烧量，降低缸内初期放热率与压力升高率[4]。
表4为预喷参数工况设置，图2为预喷参数对DOC温度影响。
预喷正时延后过程中，两工况DOC入口温度先上升而后下降，温度变化值分别为24℃和23℃；DOC出口温度先下降而后上升，变化值分别为16℃和6℃。原因是预喷正时延后，即预喷-主喷正时间隔缩小，主喷燃油滞燃期缩短，主喷燃油燃烧点提前，缸内燃油燃烧充分，未燃HC含量下降，DOC入口温度上升而出口温度下降。随着预喷正时进一步延迟，预喷燃油还未燃烧时或未充分燃烧时，主喷已喷入，主喷滞燃期增加，过度延迟的主喷正时致使燃烧恶化，DOC入口温度下降，大量未燃烧HC在DOC中氧化还原反应释放大量热，DOC出口温度上升。因此预喷正时的变化直接改变预喷-主喷间隔，通过影响主喷滞燃期改变DOC温度。
表4 预喷参数工况设置（其他参数均保持表3标定参数不变）
图2 预喷参数对DOC温度影响
预喷油量增加，两工况DOC入口温度在0.3～1.5 mg范围内上升，而后温度趋于不变，总的温度变化范围分别为21℃和15℃；DOC出口温度持续下降，下降幅值分别为14℃与10℃。因为随着预喷油量增加，主喷时刻的缸内温度更高，缸内的最高燃烧温度上升，燃油燃烧充分，未燃HC含量减小，因此DOC入口温度上升而出口温度下降。预喷油量主要通过影响主喷时刻的缸内温度和燃烧过程中缸内最高温度改变DOC温度。
3.2 主喷参数
主喷参数设置工况如表5所示，主喷参数对DOC温度影响如图3所示。
表5 主喷参数设置工况（其他参数均保持表3标定参数不变）
图3 主喷参数对DOC温度影响
在主喷正时变化范围内，DOC入口温度先升高而后降低，温度范围分别为48℃和63℃，DOC出口温度前期分别在 3°CA～7°CA 与 1.3°CA～5.3°CA 正时范围缓慢升高而后期剧烈攀升，温升幅值为357℃和189℃。因为主喷正时影响主喷燃油着火时刻，主喷延迟则缸内最高燃烧温度时刻靠后，DOC入口温度上升。主喷正时太过推迟则会使燃烧恶化，HC含量上升，导致DOC入口温度下降而出口温度上升。主喷正时通过影响主喷燃油的着火时刻影响DOC温度。
DOC入口出口温度均随主喷油量增加而上升，DOC入口温升分别为109℃和97℃，DOC出口温升幅值分别为36℃和71℃。因为主喷油量增加使燃烧放热量上升，高温气体随排气阀开启而排出，DOC入口温度升高；因为主喷正时不变，HC生成量随着主喷油量增加而增加，此时DOC出口温度上升。主喷油量通过影响燃烧放热量与HC生成量改变DOC温度。
表6 近后喷参数设置工况（其他参数均保持表3标定参数不变）
3.3 近后喷
近后喷紧跟在主喷之后，进一步利用缸内氧气，对后期产生的微粒进行氧化燃烧作用，同时也是排气温度提升的重要措施。近后喷参数设置工况如表6所示，近后喷参数对DOC温度影响如图4所示。
因为两工况的DOC入口温度分别为374℃和387℃，满足HC在DOC中起燃条件。因此原实验数据中并不包含近后喷参数，但本文为研究近后喷对DOC温度影响规律，添加1 900 r/min，33 N·m工况近后喷正时29.1°CA和2 mg近后喷油量，研究其DOC温升规律。当研究其他参数温升规律时，近后喷参数将与实验数据一致，不参与仿真运算。
随着近后喷正时增加，DOC温度变化微弱。因为近后喷正时在此变化范围内仅仅改变近后喷正时的燃烧时刻而已。因此近后喷正时对DOC温度影响不明显。
近后喷油量增加，DOC入口温度上升缓慢，升高幅值分别是30℃和18℃，出口温升幅值分别是60℃和77℃。因为近后喷的燃油燃烧放热提升了DOC入口温度，而近后喷油量过多时，随着活塞下行，气缸容积增加，部分燃油未能充分燃烧，分解为HC随排气进入DOC氧化放热，DOC出口温度上升。因此近后喷油量主要通过影响做功行程末期的缸内温度与HC生成量改变DOC温度。
图4 近后喷参数对DOC温度影响
表7 远后喷参数设置工况（其他参数均保持表3标定参数不变）
图5 远后喷参数对DOC温度影响
3.4 远后喷
远后喷主要用于提升DOC出口温度，与近后喷主要区别在于，喷射时刻离上止点较远，喷射燃油几乎不燃烧而分解成HC，供DOC氧化使用。表7为远后喷参数设置工况，图5为远后喷参数对DOC温度影响。
随着远后喷正时增加，DOC入口出口温度影响较小；因为在适当的主喷-远后喷间隔范围内，远后喷正时仅影响柴油的分解时刻而已。因此远后喷正时对DOC温度影响不明显。
远后喷油量增加，DOC入口温度缓慢上升而出口温度骤然升高，DOC入口出口温升幅值分别为29℃、32℃和86℃、162℃。原因在于远后喷油量仅有较少部分燃烧，大部分燃油热分解为HC随尾气进入DOC中，被氧化放热；图中可见DOC出口温度的温升幅值远大于DOC入口温度温升幅值。因此远后喷油量主要改变HC含量从而影响DOC温度。
3.5 共轨压力
高压共轨的轨压主要表现为燃油喷射压力，影响喷射油滴的贯穿、破碎、雾化，提升柴油与缸内空气的混合度，改善柴油的燃烧，从而影响动力性和排气温度[5]。表8为轨压设置表，图6为轨压对DOC温度的影响。
表8 轨压设置表（其他参数均保持表3标定参数不变）
图6 轨压对DOC温度的影响
随着轨压升高，两工况DOC入口温度缓慢上升，出口温度下降迅速，二者温度变化幅值分别是30℃、41℃和169℃、173℃。因为轨压的提升增加柴油贯穿距离，改善油滴雾化效果，柴油燃烧充分，缸内温度上升，未燃HC含量下降，所以DOC入口温度下降，出口温度上升。但随着轨压进一步提升，燃油雾化效果并不能同步持续提升，因此DOC温度变化趋势随着轨压增加而变缓。因此轨压对DOC温度的影响在于提升燃油雾化程度改善燃烧。
3.6EGR率
表9为EGR率参数设置工况，图7为EGR率对DOC温度的影响。
表9 EGR率参数设置工况（其他参数均保持表3标定参数不变）
图7 EGR率对DOC温度的影响
增加EGR率，DOC出口温度变化较小，温度变化幅度分别在11℃、4℃，而DOC入口温度上升，温升幅值为31℃和9℃；因为EGR减缓了火焰传播速度，延长燃烧持续期[6]，最高燃烧温度后移，排气温度增加；同时排气中的氧气含量下降，HC转换率降低，DOC出口温度在1 900 r/min工况略微下降，而2 750 r/min的DOC出口温度因为进气质量流量高受EGR率影响较弱。
因此EGR率通过改变缸内氧气含量影响DOC温度。在中小负荷工况中，应该综合考虑DOC入口与出口温度，选取合适的EGR率值。
4 结论
通过对参数的详细分析，总结各参数的主要规律性，可以看出主喷参数、后喷油量、轨压对温升规律影响最为显著：
1）预喷正时通过影响预喷-主喷间隔和主喷时刻的缸内温度来影响DOC温度，但是变化不显著。
2）主喷参数通过影响着火时刻和燃烧放热量，从而改变缸内的燃烧充分程度及HC含量。对DOC温升影响显著。
3）近、远后喷正时对温升影响小，但近、远后喷油量对DOC出口温度影响剧烈，是主要的机内温升控制因素之一。
4）轨压由于改善了燃烧，对DOC入口出口温度都有较大影响。
5）低负荷工况下EGR对DOC入口温度有影响，能较好地改善NOx排放，对出口温度影响较小。
6）由于影响因素众多，可以通过设立参数多目标优化模型来对各工况机内参数进行预估，有利于评估和改进、加快DPF再生标定工作。
1 张德满.DOC辅助DPF再生方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2011
2 曹明柱，王晓鹏，王云鹏，等.柴油机缸内后喷对DOC温度的试验分析[J].内燃机，2015（4）：52-54
3 马义.柴油机微粒捕集器再生仿真[D].武汉：武汉理工大学，2011
4 闫明亮.柴油机高压共轨系统多次喷射策略的仿真模拟[D].长春：吉林大学，2007
5 杨林，卓斌，肖文雍，等.高压共轨电控柴油机燃油预喷射控制研究[J].柴油机，2004（3）：1-4，24
6 温永姜.EGR率对柴油机燃烧排放性能影响仿真分析[D].重庆：重庆交通大学，2012
