尾气温度及氧含量对颗粒物捕集器热再生的影响

张震 刘晓日 师熙隆 马鸣阳 孙伟伟 陈春晓

摘要：柴油机颗粒物捕集器是柴油机颗粒物后处理最有效的方法，长时间使用会使颗粒物堆积造成堵塞，DPF再生的效率受到很多因素的影响，本文通过AVL的方法建立模型，进行仿真，研究柴油机尾气温度和尾气中氧含量对DPF热再生的影响。

Abstract： The diesel particulate filter is the most effective way of diesel particulate matter post-processing. A long time using can make the particulate matter accumulation caused by congestion. DPF regeneration efficiency is affected by many factors. Based on the simulation method of AVL， the influences of diesel engine exhaust gas temperature and oxygen proportion in exhaust on the DPF thermal regeneration are studied.

关键词：柴油机颗粒捕集器;再生温度;尾气中含氧量;再生效率

Key words： diesel engine particle filter;regeneration temperature;oxygen in exhaust gas;regeneration efficiency

0  引言

柴油机的主要排放物有氮氧化物和颗粒物等[1]，随着柴油机排放法规的日益严格，对柴油机的尾气处理系统提出了更严格要求，尤其是对于颗粒物的排放不仅对质量有要求，而且数量上也提出了要求。传统的柴油机后处理的方式是柴油机颗粒物捕集器，但是其缺点是随着使用时间的延长，颗粒物沉积量的增加，会导致排气背压升高，进而导致油耗增加，柴油机的经济性和动力性都会下降。现有DPF再生技术的缺点有在低速低负荷的工况下，排气温度不能提供足够的热量使颗粒物燃烧，导致DPF再生失败;排气时氧气浓度较低，为了达到再生条件需要提高再生温度，增加了能源损耗，也增加了DPF的热负担。

影响柴油机颗粒物捕集器再生效率的原因很多，为了提高DPF的再生效率，国内外都有很广泛的研究，目前研究较多的加热再生方法有：喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生，燃气加热再生[2]。将DPF与DOC紧密藕合安装作为后处理系统，可以获得更好的处理效果，所以目前主流再生技术往往同时使用主动再生和被动再生。未来的应用发展方向将是DOC+DPF+SCR联合应用在汽车尾气的后处理技术上，孙文等研究了DOC+DPF+SCR联合的应用对小型柴油机性能及排放的影响[3]。但是这些技术的应用都没有离开DPF的热再生。近年来，河北工业大学仝畅等主要研究了DPF的散热及影响参数，探讨了DPF壳体厚度、环境温度和表面传热系数的影响[4]。西华大学的刘苗等在研究中通过搭建试验台架，用炭黑模拟尾气中颗粒物，做了严格的定量实验，分析研究了来流因素对DPF热再生的影响，给出了DPF热再生时内部温度场的变化情况[5]。DPF在热再生时，载体后段的温度要高于前段，因为沉积在DPF中的颗粒物在再生过程中燃烧放热，使DPF整体的温度升高，这样的大量放热可能会对DPF本身材料造成损坏，河北工业大学刘晓日等提出了搭建一个试验台架的构想，在DPF外围设置环状冷却装置[6]，通过冷却水箱的循环，带走DPF中过多的热量，保证DPF不被高温损坏。

本文主要分析尾气温度及尾气中氧气含量对DPF热再生的影响。基于此种现象，通过AVL boost的方法建立模型 [7，8]，对尾气温度及尾气中含氧量对DPF热再生的影响开展研究。

1  尾气温度对DPF热再生的影响

尾气温度对DPF的再生效率的影响是很明显的，在DPF的热再生过程中，若尾气温度过低则积碳不能完全燃烧，仍会造成DPF的堵塞，若尾气温度过高，虽然沉积的颗粒物可以完全燃烧但是过高的温度会损坏DPF，因为材料有其耐受温度。目前常用的过滤材料有泡沫式过滤体、壁流式蜂窝过滤体、部分流过滤体和金属丝网过滤体，泡沫式过滤体通常采用陶瓷材料，根据其不同，可分为堇青石陶瓷，氧化铝陶瓷等，广泛应用的堇青石材料耐受温度不是很高，常见DPF结构如图1。

本文使用AVL  Boost 软件中内置的 DPF 模型，该模型由进口边界、DPF载体段和出口边界3部分组成，见图2。在模拟过程中排气质量流量和氧含量保持不变。通过改变不同的进气温度，观察温度变化（进入DPF再生段的尾气温度）对DPF热再生的影响。

本文分别模拟了在氧气浓度为14%、20%、24%时，不同的进气温度对DPF热再生的影响，模拟结果如图3所示。我们将模拟的进口温度（进入DPF的尾气温度）设定为500℃至600℃之间，每隔20℃设定一种工况，通过对比我们可以发现，在尾气中的氧浓度不发生变化时，温度变化对DPF的再生效率是有影响的，而且随着温度的升高，再生效率也是有所增加的。但是温度不可能无限的升高，因为我们还要考虑实际的进气情况，以及颗粒物捕集器的制作材料的耐受温度，防止温度过高对DPF的损坏。经过上述图像的对比，可以发现在进气温度到达550℃以上时，DPF再生速率的增加并不明显，而且550℃为DPF内沉积颗粒物的再生起燃点，所以在选择辅助加热再生时，可以选择550℃为加热温度。

2  尾气中氧含量对DPF热再生的影响

柴油机是富氧燃烧[9，10]，尾气中含氧量较多，采取控制变量法，保持进气温度不变，改变不同的氧含量，采用同样的模型进行模拟。控制温度不变，将氧浓度设定为7%、14%、20%、24%、30%这五个工况，将温度分别设定为500℃、550℃、600℃。通过模拟分析在温度不变的情况下，氧气浓度对DPF热再生的影响。模拟结果如图4所示。由图可见，随着氧气浓度的增加，DPF的再生效率也随之改善，在氧气浓度为20%左右时，DPF的再生情况明显改善，此后氧气浓度增加，颗粒物的减小幅度增加的并不明显。

3  结论

通过AVL boost的方法建立模型，进行仿真模拟，研究结果表明温度的升高以及氧气浓度的提升都会对柴油机颗粒物捕集器的再生产生积极的影响。结合客观条件的限制，比如材料的耐受温度等影响，确定出DPF再生效率最高的参数，温度为550℃，氧气浓度为20%左右时，该DPF有较高的再生效率。

参考文献：

[1]江舸.浅谈柴油发动机尾气排放与控制技术[J].内燃机与配件，2019（22）：41-42.

[2]姜大海.车用柴油机微粒捕集器喷油助燃复合再生技術研究[D].北京交通大学，2017.

[3]孙文，王兰红，孙柯，白书战，李国祥.DOC+DPF+SCR后处理系统对小型柴油机性能及排放的影响[J].内燃机与动力装置，2019，36（05）：1-4，19.

[4]仝畅，刘晓日，陈林睿，张铁臣，黎苏.散热参数对DPF温度的影响[J].内燃机与动力装置，2018，35（06）：30-34，46.

[5]刘苗.温度对DPF再生性能影响的实验研究[D].西华大学，2017.

[6]刘晓日，封硕，张铁臣，黎明，张启成，黎苏.一种DPF再生控制系统及该系统的实验台[P].CN207048843U，2018-02-27.

[7]姚红飞.浅谈基于AVL-BOOST软件的发动机开发过程[J].科技与创新，2015（15）：17-18.

[8]黄开胜，马晗清.基于Simulink和AVL Boost的DPF再生系统建模和控制策略研究[J].内燃机工程，2013，34（S1）：19-24.

[9]王志磊，刘文斌，吴亚龙，宋杨.共轨柴油机不同喷孔形式对燃油喷雾及燃烧特性的影响[J].柴油机，2019，41（05）：18-20，34.

[10]伍赛特.柴油机燃烧过程的主要影响因素及改善措施[J].能源与节能，2019（11）：63-64，71.