DPF主动再生不均匀问题及解决方案研究

2018-08-25高延新祝先标

汽车电器 2018年8期

孙飞，胡帅，高延新，孙泽，祝先标，张超，李杰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥 230601）

轻型柴油车国Ⅴ阶段排放法规针对颗粒物数量进行了明确限制，6×1011个/km，必须采用DPF（Diesel Particulate Filter，柴油微粒过滤器）技术满足法规要求［1］。随着DPF中的碳烟颗粒累积，DPF系统排气背压增大，导致发动机的动力性和经济性逐渐恶化，因此需要定期清理DPF中累积的碳烟颗粒，这称为DPF的再生［2］。目前轻型车通常采用缸内后喷燃油方式进行主动再生［3］。再生过程中温度和氧含量是影响碳烟去除效率的主要因素［4］，而碳烟去除效率直接影响整车的再生里程和燃油消耗，其中再生不均匀是经常碰到的问题之一。针对目前应用的皮卡车型DPF再生不均匀问题进行分析，消除再生不均匀问题，对于提升DPF系统的安全性和可靠性有着非常重要的意义。

1 DPF再生不均匀原因分析

DPF可靠性试验中进行台架NEDC（New European Driving Cycle，新欧洲驾驶循环）循环试验，DPF满载状态下拆卸称重时发现：DPF累碳不均匀，局部区域碳烟较厚，如图1中红圈所示。将满载DPF在NEDC循环工况下主动再生，前端面仍有约1/3碳未再生完全，判定为DPF前端面气流分布不均，如图2中红圈所示。

经过积碳位置对比分析，发现碳烟累积较多的区域和再生后残留碳烟区域为同一区域。经三维数模检查，发现该位置为气流不容易到达区域，为气流死区，如图3所示。

图1 满载状态

图2 再生后状态

图3 气流死区示意图

为了进一步确认DPF再生不均匀为气流死区影响，进行CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）分析，具体结果见图4。通过CFD分析可知，该区域内紊流较小，气流不易到达该区域，导致该区域内再生时温度较低，碳烟燃烧速率低，因而导致再生结束时仍有部分积碳残留。残留积碳直接导致DPF可利用体积减小，下一个周期累碳量降低，从而导致车辆再生里程缩短。

2 DPF再生不均匀解决方案

由于存在气流死区影响，导致DPF再生不均匀，因此需要改变气流方向，加强该区域内气体流动。通过在入口端锥内部增加混合器叶片改变气流方向，如图5所示。

图4 CFD分析结果

图5 混合器叶片示意图

针对新方案进行CFD仿真分析结果显示，气流方向明显改变，该区域内气体流动加强，如图6所示。DPF入口截面气流均匀性系数为97.8%，满足95%以上的气流均匀性设计指标。增加2个导流叶片，背压增加0.738 kPa，背压增加较小，总背压无明显升高，满足设计要求。

图6 增加混合器后CFD分析结果

3 DPF混合器方案试验验证

为了考核DPF再生均匀性，采用热电偶测量DPF内部温度变化，各测量点温度差别较小，则表明DPF内部气流均匀性较好。热电偶直径采用0.5 mm，热电偶插入到DPF载体过滤孔道内指定距离进行温度测量。具体热电偶安装位置如图7所示，其中1-1和1-2测量点位于气流不均匀处。在DPF前后端面布置热电偶温度传感器，考虑到台架高温传感器通道数量限制，在前端面共布置7根，后端面布置4根。

3.1 稳态工况碳烟加载试验

发动机运行DPF累碳试验工况，发动机为2.0L CTI国Ⅴ柴油机，发动机转速1400 r/min，扭矩40Nm，进行碳烟加载试验，试验过程中前端面温度变化如图8所示。从图8可知，混合器叶片导流区域温度高于其他区域，导流效果明显。碳加载后DPF前端面碳烟分布均匀，具体如图9所示。

图7 热电偶分布示意图

图8 温度变化曲线

3.2 主动再生试验

碳加载试验结束后，发动机运行主动再生工况，发动机转速2000 r/min，扭矩65 Nm，进行再生试验，再生试验过程中前、后端面温度变化如图10所示。从图10可知，混合器叶片导流区域温度略高于其他区域，主要是导流效果产生的。各测量点温度差异较小，再生时气流均匀，从后端面温度曲线看，碳烟分布均匀。

主动再生结束后，DPF前端面无碳烟残留，如图11所示，进一步验证了增加混合器后，解决了DPF入口气流不均匀现象。

通过控制ECU模型累碳量和累碳时间，分别在整改样件及原样件进行稳态工况累碳试验。带混合器状态下，实际累碳量15.5g，自动再生后有2.2g碳未完全再生，主动再生效率85.8%；原状态下，实际累碳量13.7g，自然再生后有2.7g碳未完全再生，主动再生效率80.3%。再生试验过程中，两种状态下ECU监控DPF前温度均在620℃以上，满足再生需求。

3.3 DPF前排温传感器模型验证

DPF主动再生模型中关键判断条件是DPF前排温传感器T5大于620℃。为了验证加装混合器后对DPF前排温传感器T5的影响，是否可以满足主动再生模型的要求（T5要求10℃以内），发动机运行累碳工况，发动机转速1400 r/min，扭矩90Nm，分别对整改前后样件进行碳加载试验，试验过程中温度变化曲线如图12所示。