基于碳氢喷射系统工况的DPF再生实验研究

2024-03-04朱万冬梁郑岳陈晓克李常侃叶玉胜

天津科技 2024年2期

朱万冬，梁郑岳，陈晓克，李常侃，叶玉胜

1.广西玉柴机器股份有限公司广西南宁 537005；2. 广西机电职业技术学院交通工程学院广西南宁 530007

0 引言

由于颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）处理技术能实现高达95%以上的颗粒过滤效率，成为达标国六、T4 排放必不可少的关键部件［1-2］。DPF后处理技术主要用于捕集发动机排气中颗粒成分，当DPF捕集颗粒到一定程度后，发动机排气阻力增大，会导致发动机油耗恶化、动力下降、堵塞冒烟等发生的风险加大，影响车辆的正常使用。因此，必须定期除去DPF载体捕集的颗粒，即进行DPF再生。

目前，DPF再生的方式有机械再生和热再生两种。机械再生通过反吹、振动等方式，需要拆卸DPF装置，会占用车辆运行时间和增加费用。通常排气管的温度只有300 ℃左右，热再生通过提升DPF入口温度到600 ℃以上，实现累积碳颗粒的烧毁清除。缸内后喷再生和排气尾管碳氢喷射再生由于具有结构简单、标定周期短、开发费用低、使用成本低等优点，受到了商用车研发单位的青睐［3］。

缸内喷射是通过发动机缸内喷油器在发动机压缩上止点后喷油，在氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）上氧化反应升温，提高DPF入口的温度，实现DPF中累积的碳颗粒快速燃烧，但该技术存在远后喷对发动机机油稀释的风险，会影响发动机寿命。碳氢喷射是指通过一支单独安装在排气管的喷油器将燃油喷射到DOC前的排气管中，与排气混合后到DOC中氧化反应升温，DPF累积颗粒在较高的排温下与氧气反应，实现再生。碳氢喷射可以有效解决机油稀释问题，不影响发动机本身运行，具有研究意义。尽管目前在碳氢喷射领域已有了一定的研究成果，但对于排气管燃油碳氢喷射系统的喷射频率、碳氢混合器等部件影响仍缺乏系统性研究［4-5］。

本文通过发动机台架实验，在固定DOC和DPF入口温度的条件下，系统性地研究了排气尾管燃油喷射频率和碳氢混合器对DOC的碳氢化合物转化性能的影响，得出了DOC性能的变化规律，并通过了整车验证。

1 实验装置和实验方法

1.1 实验装置

台架实验采用玉柴某款满足国六排放标准的轻型柴油机，其参数如表1 所示，主要实验设备参数如表2 所示。本研究的DPF碳氢喷射系统如图1 所示。

图1 碳氢喷射系统结构简图Fig.1 Schematic diagram of hydrocarbon injection system

表1 发动机主要参数Tab.1 Engine specifications

表2 主要设备列表Tab.2 Main test instruments and equipment

如图1 所示，碳氢喷射系统主要由断油电磁阀、压力传感器、碳氢喷嘴、碳氢混合器等部分组成，布置在DOC 前端。碳氢喷射系统的燃油通过低压燃油泵供给；断油电磁阀用于车载自动诊断系统（On-Board Diagnostics，OBD）诊断及非再生工况下关闭燃油输送；压力传感器用于监控碳氢喷射系统的燃油压力和油管中油压进行OBD诊断；碳氢喷嘴根据电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）指令进行燃油喷射；碳氢混合器用于加强喷出的燃油和排气混合，使混合均匀的碳氢能够在DOC充分氧化燃烧，从而提高DOC转化效率。

1.2 实验方法

通过实验研究了排气尾管燃油喷射频率和碳氢混合器对DOC碳氢化合物转化性能的影响。

通过分析原机再生实验过程数据，选取了碳氢排放较高的2个典型工况（工况①，1 000 r/min @264 N·m；工况②，1 200 r/min@335 N·m）进行研究。为了方便对比和评价，控制DOC入口温度和DPF入口温度一致，以考核不同碳氢喷射系统部件对碳氢排放的影响。其中DOC入口温度通过缸内后喷标定实现，DPF入口温度通过碳氢喷射闭环控制为600 ℃。

碳氢喷嘴喷射频率基于喷嘴及控制器驱动能力设定，碳氢混合器基于流场均匀性和背压控制进行方案选择。

2 结果分析

2.1 碳氢喷嘴喷射频率对碳氢排放的影响

碳氢喷嘴喷射频率是指单位时间内喷嘴打开的次数。如图2 所示，基于相同油压，实现DPF入口再生温度600 ℃，随着碳氢喷嘴喷射频率增加，碳氢排放浓度降低。主要原因是单位时间内喷油量一定的条件下，碳氢喷嘴喷射频率增加，也就是增加喷射次数，燃油雾化越好，燃油与排气混合得越充分，即雾化混合可以较好地提升DOC转化效率。反之，喷射频率过低会使喷射出来的碳氢雾化不好，雾化不良的碳氢也就不能充分燃烧，产生大量的碳氢排放，从而导致冒白烟现象和油耗高问题。

图2 不同碳氢喷嘴喷射频率对碳氢排放的影响Fig.2 Effects of different injection frequencies on HC emission

如图3 所示，碳氢喷嘴喷射频率为5 ～ 10 Hz时，单位时间的HC喷射量逐渐减少；10 ～ 12 Hz时，单位时间的碳氢喷射量基本不变。根据频率与周期的关系，碳氢喷射频率越大，碳氢喷嘴的工作周期越短。但是由于喷嘴的物理特性，碳氢喷嘴工作周期过短会导致喷嘴在没有完全打开的情况下再次关闭，影响燃油的正常喷射。因此，每一个碳氢喷嘴都有一个最佳工作周期，也就是最大的喷射频率。

图3 不同碳氢喷嘴喷射频率对碳氢喷射量影响Fig.3 Effects of different injection frequencies on HC injection volume

综合碳氢喷嘴硬件能力和碳氢排放结果，最终选择了10 Hz的喷射频率。

2.2 碳氢混合器对HC排放的影响

如图4 所示，原方案混合器为十字型的风扇结构混合器，基于流场均匀性、流速及背压因素，设计了3 种不同的方案。方案①：在原方案基础上增加扰流柱，通过加强气体扰动，增强油气混合能力。方案②：考虑扰流的同时增加气体流速，以达到油气快速充分混合。方案③：通过扰流板交叉，进一步增加混合气的相互搅动，以增强混合。

图4 碳氢混合器方案Fig.4 Schemes of HC mixer

从仿真结果来看，由方案①到方案③，流场均匀性和流速增大，混合效果逐步增强。如图5 所示，碳氢喷射对混合器段两端压力、混合器段压降均有影响，在标定点背压依次为10.6、11.3、14.6 kPa 时，混合器前后的压降也同步增加，而背压大会同步带来整车油耗的增加。

图5 不同混合器压降及背压图Fig.5 Pressure drop and back pressure diagram of different mixers

3 种方案的实验结果如图6 所示，其中方案③的雾化混合较好，可提高DOC转化效率。通过拆检混合器检查发现，方案③在密封处有少量液膜和液滴，预计混合器上可能有燃油沉积。兼顾背压和碳氢排放考虑，选择方案②。

图6 不同混合器对碳氢排放影响图Fig.6 Effect diagram of different mixers on HC emission

2.3 基于碳氢喷射系统的再生验证

按照10 Hz的喷射频率和混合器优化方案②的组合装车，通过驻车和行车进行再生验证。

2.3.1 驻车再生

图7 展示了优化前后驻车再生DPF入口温度变化情况和驻车再生碳载量变化情况。优化前，DPF入口温度波动较大，高温阶段平均温度540 ℃，碳载量从22.4 g降到7.1 g，再生效率为68.3%，再生温度的不稳定性和热传递速率影响了积碳的燃烧速率，碳载量下降较为平缓；优化后，DPF入口温度波动较小，高温阶段平均温度595 ℃，碳载量从21.9 g降到1.2 g，再生效率达94.5%，总体碳载量下降较快，呈现先急后缓的燃烧现象。初始阶段，大量积碳同时燃烧，热传递较快，燃烧较为激烈，在碳载量下降到5 g后，热传递速率降低，燃烧较为缓慢，碳载量下降速率明显降低。

图7 优化前后驻车再生DPF入口温度及碳载量变化图Fig.7 Schematic diagram of DPF inlet temperature and PM load on parking regeneration before and after optimization

图8 展示了优化前后驻车再生碳氢喷射量变化情况。优化前，喷射压力700 kPa，喷射频率5 Hz，DPF入口温度和碳氢喷射量波动较大，平均碳氢喷射量14.8 g/min，碳氢混合不均匀，再生效率仅为68%，DOC中碳氢氧化反应效率低，导致很多的未燃碳氢直接排出，再生过程排气尾管冒白烟；优化后，碳氢喷射量相对平稳，主要根据工况变化而变化，DPF入口温度和碳氢喷射量得到了较好的控制，平均碳氢喷射量12.5 g/min，改善碳氢混合后，再生过程排气尾管无冒白烟现象，驻车再生效率94%，平均碳氢喷射量低于优化前状态，整车驻车再生油耗改善了2.3%。

图8 优化前后驻车再生碳氢喷射量变化图Fig.8 Schematic diagram of hydrocarbon injection on parking regeneration before and after optimization

2.3.2 行车再生

图9 展示了优化前后行车再生DPF入口温度变化情况和行车再生碳载量变化情况。优化前，DPF入口温度波动较大，高温阶段平均温度520 ℃，碳载量从22.6 g降到9.9 g，碳载量下降较为平缓，再生效率为56.2%；优化后，DPF入口温度相对平稳，高温阶段平均温度580 ℃，碳载量从22.3 g降到2.1 g，碳载量下降呈现先急后缓现象，再生效率提升到90.6%。

图9 优化前后行车再生DPF入口温度和碳载量变化图Fig.9 Schematic diagram of DPF inlet temperature and PM load on driving regeneration before and after optimization

图10 展示了优化前后行车再生碳氢喷射量变化情况。优化前，喷射压力为600～700 kPa（根据发动机转速不同有所不同），喷射频率5 Hz，DPF入口温度和碳氢喷射量波动较大，平均碳氢喷射量为9.3 g/min；优化后，喷射压力为600～700 kPa（根据发动机转速不同有所不同），喷射频率10 Hz，DPF入口温度和碳氢喷射量基本稳定，平均碳氢喷射量6.8 g/min，波动主要受车辆加减速影响。整车行车再生油耗改善了4.3%。