柴油机DOC不同空速对升温试验研究

王磊 王再兴 余国成 刘屹

摘要：为了研究柴油机氧化型催化转化器（DOC）性能影响因素，文章运用实验方式对发动机在不同温度、空速下进行了喷油升温试验验证。结果表明：在DOC入口温度相同时，空速增加，相同喷油量下，DOC出口温度降低;达到目标所需喷油量增加，DOC升温能力变弱。

关键词：柴油机;HCI;DOC;柴油

0  引言

柴油机因具有其独特的优势广泛运用，然而柴油机尾气中的颗粒物（PM）危害极大[1]。随着国家对排放要求日益严格，对于PM的排放限值也越来越高，在整车上可通过后处理DPF可以补集90%以上的碳烟，但DPF内所补集的碳烟需达到600℃以上的温度才可燃烧清除，无论采用发动机缸内后喷还是增加HCI（碳氢喷射系统）都需要通过DOC进行THC氧化反应来提升发动机排气管中的排气温度，以此方法来提高DPF的入口（DOC出口）温度满足DPF再生条件，此时就需要DOC要有良好的转化升温性能。

氧化型催化转化器（DOC）也是当今世界公认提升DPF入口温度最有效的技术之一。到目前为止，大量的学者对影响DOC升温进行了大量研究工作。本文为某柴油发动机设计的一款DOC，并针对其升温性能开展实验研究（见图1）。

1  DOC升温性能选题方案

DOC的三大作用：

①发动机燃烧后的气体经过DOC蜂窝状载体的时候会被载体表面涂覆的铂系金属吸附，同时铂系金属作为催化剂与吸附的氧一起对于发动机尾气中的一氧化碳和碳氢化合物气体氧化燃烧，成为对环境影响不大的二氧化碳气体与水。

②DOC作为主动再生时候的“炉子”起到点燃喷射到排气管里面燃油的“重任”。为什么是DOC而不是其它部分呢？主要是DOC大量吸附储存了发动机富氧燃烧后多余的氧气，只有充足的氧气才能保证再生功能稳定持续的进行。

③DOC可以将发动机燃烧过后产生的一氧化氮（NO，气体，属于NOX其中的一部分）氧化为二氧化氮（NO2），二氧化氮作为催化剂可以降低颗粒物燃烧温度。

2  HCI+DOC系统介绍

2.1 HCI+DOC系统

研究对象为轻型柴油机的HCI+DOC系统，系统结构示意如图2所示。

2.2 催化器不同空速升温性能评价指标

对于一个给定的催化器，制定不同的DOC入口温度，不同的空速进行对比验证，这样可以从催化器在各个空速下的升温达到目标值所需的燃油消耗量指标去评价一个DOC催化器性能的优劣。

DOC催化器的升温能力：在试验中在DOC催化器的上游和下游分别安装热电偶传感器，用于测量DOC的入口和出口排气温度。DOC下游安装尾气排放测量装置，用于监测尾气中的THC的泄露值。在达到设定目标DPF入口（DOC出口）温度620℃时，可以利用測量的THC的泄露数值不高于1500ppm去计算催化器的升温能力。

3  试验验证

试验安排在一台电控高压共轨缸内直喷轻型柴油机上进行的。试验采用了湖南湘仪电力测功机，瞬态油耗仪、HORIBA MEXA-ONE排气分析仪以及温度传感器等。依次选取空速在50000h-1、70000h-1、90000h-1、110000h-1不同的4个空速点，然后在操作台架上调整转速和油门，使DOC入口温度达到280℃。用设备记录下温度稳定后开始喷射燃油，直到DPF入口温度达到620℃;或者DOC下游THC泄露值不大于1500ppm为基准，并用设备记录下现在的尾排及各项数据。再次调整转速和油门，使DOC入口温度达到300℃，重复以上的试验步骤，依次类推，完成DOC入口温度280℃、300℃、350℃、400℃所对应上诉的4个空速点下的升温性能测试，分别记录下试验数据进行分析得出结果。

4  不同空速对DOC升温性能的影响（见图3）

在探究DOC催化器的性能参数的影响时，发动机的空速也是主要影响因素之一。在这里探究的是发动机在不同温度、空速下的升温性能对比试验，从DOC对于THC转化升温能力进行分析。

从图3中我们可以看出，当发动机处在较低的空速时能够有效提高DOC的燃油升温性能，当在发动机空速一定是，需求目标温度为620℃，此时随着DOC入口温度的增加，喷入尾气中的燃料随着排气温度升高而逐渐减小。在同一目前温度下，相对应的喷射燃油消耗量是减少的，在实际使用过程中是有利于成本的。在其他的参数不变的前提下，只单单改变发动机空速，随着发动机的空速增加，喷入尾气中的燃料随着发动机空速升高而逐渐增加，在成本上也会有所增加。当发动机处于低空速下且达到目标温度620℃时，由于所需喷射的燃料较少，DOC下游的THC泄露值可以得到很好控制在1500ppm的数值范围内。但随着空速的不断增加，所相对应的喷射燃料也会增加，导致DOC下游的THC的泄露值也升高至2000ppm，这样在实际使用过程中，如DPF入口温度（DOC出口）需要达到620℃的目标温度再生时，同时发动机又处在高空速条件下，可能会导致THC排放值超标的情况出现。

5  结论

①DOC催化器的直径和长度共同构成其体积，在横截面积相同的情况下，尽可能将催化器的长度加长。②DOC催化器的载体体积大小，受制于实际整车布置和成本要求。像对与发动机体积比，增加DOC体积来降低发动机空速，对于DOC催化器性能会比较好。③DOC催化器的体积增加既能够有效的提高升温性能，也会使排气背压降低，但相对成本会有所增加，整车搭载布置带来一定困难，所以它们之间相互矛盾、相互制约。

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