DPF降怠速再生影响因素研究_周明胜.pdf

年第期 降怠速再生影响因素研究周明胜，曲兴年，张楠楠，辛喜玲（潍柴动力扬州柴油机有限责任公司，江苏 扬州 ）摘要：基于降怠速（）再生的特点，运用试验手段分析了降怠速再生时颗粒捕捉器（）内部温度场分布，研究了不同碳载量下和不同时刻进入降怠速工况主动再生对 内部最高温度的影响。结果表明：随着碳载量的增加，降怠速工况再生 内部载体最高温度变高，载体损坏风险变大，同时降怠速工况再生 内部载体的最高温度受进入降怠速工况的时刻影响。关键词：降怠速；主动再生；最高温度中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（），：；作者简介：周明胜（），男，汉，江苏省仪征市，工程师，工学学士（全日制本科），主要研究方向为内燃机的电控匹配标定及发动机性能开发引言柴油机因具有良好的动力性，燃油经济性低及可靠性好等特点，被广泛应用于农业机械和工程机械等非道路行业。随着柴油机市场保有量逐年增长，其内部复杂燃烧过程带来的排放污染物，对环境的威胁越来越大，特别是颗粒污染物，具有体积比较小，容易吸附一些有害物质等特点，人体吸入后对健康会产生较大危害。面对日益紧张的环境形势，排放阶段升级带来日益严苛的排放规范，同时增加了颗粒数 的要求，如何解决颗粒污染物成为了重中之重。对于柴油机颗粒污染物具有捕集效率高的特点，所以被广泛用于柴油机去除排气中颗粒污染物成分。的工作原理是通过迫使气流从一个通道流经孔壁到另一个通道的方式捕捉颗粒物，能够对 有 以上和对 有高达 以上的捕集率，所以被广泛用于柴油机去除排气中颗粒污染物成分。但其只能够捕捉和收集颗粒微粒，自身并不能自主的将颗粒清除，所以当 内部捕集的颗粒达到一定数量时，需要将内部捕捉到的颗粒消除掉，使 恢复正常的工作状态，这种消除 内部捕捉的颗粒中碳烟部分过程实际上就是 再生 。目前主流的再生方式之一是额外提供热源提升 内部温度使颗粒物中的碳与氧气产生反应进行燃烧消除。当车辆在实际使用时，为了保证再生的效率，通常需要长时间保持 内部温度在一定的高温下，但车辆实际使用过程中的工况及环境复杂多变，在某些特定工况受一部分因素的影响出现 内部温度不可控，导致 载体烧熔或烧裂的情况。典型的如城市运行车辆，特别是城市公交，经常出现起步正常行驶到突降怠速等候的状态，这种典型的工况被称作为降怠速工况，通常为发动机正常运转过程中突降至怠速，这时发动机的排气流量急剧降低，但是氧含量会突增 。当车辆在再生初期遇到降怠速工况时，内部大量的颗粒物已经开始燃烧，由于工况突变至怠速，氧含量的突增加剧了颗粒的燃烧，排气流量的突减使得 内部大量的热量无法及时被排气带走，导致 内部温度以及温度变化梯度会出现一个很高的峰值，极易造成载体的烧熔和破裂的情况。本文以发动机台架试验为基础，从碳载量和进入降怠速工况时 刻 等 因 素 出 发，通 过 试 验 手 段 分 析 各 因 素 对 载体内部最高温度影响，以便对后续的 载体选型以及安全主动再生控制策略优化提供参考。试验研究 试验设备台架试验系统主要包含：测功机、数采设备、精密电子秤、发动机、后处理等。其中试验使用一台电控高压共轨缸内直喷四缸柴油机，排放阶段满足非道路四阶段排放法规，采用缸内远后喷方式使燃油在 中燃烧提升 DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.036内燃机与配件 前进口温度进行主动再生。台架布置如图所示。图发动机台架布置示意图后处理配置为氧化型催化器（），载体材质为堇青石，载体材质为碳化硅。内部温度获取主要通过精密热电偶（直径为 的 型热电偶）布置在 载体内部（如图所示）。图 内部热电偶布置图 试验内容台架控制发动机在正常再生时进入降怠速极限工况，对进入降怠速工况后 内部温度场的分析，以及分别控制不同进入降怠速工况时刻和不同碳载量，通过试验结果对比分析这两个因素对于 内部最高温度的影响。试验过程中为了减少 内部积碳均匀性影响以及尽可能模拟整车工况，试验选取非道路瞬态循环工况（）进行 积碳。结果分析 内部温度场分布情况分析通过对碳载量为 的 进行降怠速再生试验，当触发降怠速工况时，发动机转速瞬间降至怠速，氧含量从初始的升高到，远后喷在触发降怠速工况时停喷，发动机的排气量突降，随着时间的推移，各测温点出现了相继出现了温度的峰值，且温度的最高峰值出现在了靠近 出口端中心点位置的 。图 降怠速再生 内部温度场分布图通过 来对比 轴向中心线上温度分布情况，从图上可以看出，轴向温度出现峰值时刻的顺序是与排气方向相反，最高温度峰值位置与排气方向一致。当 内部颗粒达到了起燃的温度正常燃烧时，除却 载体吸收一部分的热量外，排气也会带走一部分颗粒燃烧放出的热量，而且越靠近 入口端受其影响越明显，所以越靠近 出口的位置的测点温度峰值出现的相对较迟，温度峰值也会相对较高。导致最高温度出现在靠近 出口端位置，而最靠近 入口位置的 ，温度峰值变化的相对比较平缓，几乎未出现尖峰。通过 来对比 径向温度分布情况，从图上可以看出，受排气换热影响，端面由于靠近 出口端，所以相同位置的温度要高于 端面，导致 的温度最高梯度要比 高。和 测点远离中心线靠近 外部，一部分热量容易损失掉，同时受后处理结构影响排气进入 后分布的流场并不均匀，靠近 外部边缘处流经的排气较弱造成氧含量变小，导致同一径向上远离中心线靠近 外部边缘的测点温度要低于中心线上测点温度。图 降怠速再生 内部横向温度梯度分布图 不同时刻进入降怠速工况再生对 内部最高温度的影响车辆在主动再生初期发动机转速突降到怠速，排气流量的瞬间减少和氧含量的大幅度提升，加速 内部碳烟的氧化，即使停止了喷油，在 内部载体本身的温度和内部碳 烟 快 速 氧 化 放 热 的 相 互 作 用 下，还 是 会 导 致 内部温度峰值出现。所以何时进入 工况对于降怠速再生 内部出现的最高温度变化情况有着不一样的影响。试验时，我们统一采用了 的碳载量进行降怠速工况再生试验研究。在相同的工况下稳定后，开启远后喷开始计时，分别在 、后停止远后喷同时将发动机转速降至怠速，通过 内部布置的热电偶来记录 内部温度变化情况当再生初期在 、后停止远后喷后，由图中可以看出，四条温度曲线除了 后进入 的外，其余三条均出现了两次明显的温度峰值，第一次温度峰值出现在远后喷停喷时刻，这是由于在再生初期，在远后喷的作用下，内部温度上升斜率较抖，当停止远后喷后，发动机转速瞬间降至怠速，缺少了燃油的氧化温度支撑，内部温度在燃油刚停喷的那会上升斜率会短暂变缓。随着工况突降至怠速，排气流量的减少，氧含量的大幅提升，内部已经氧化的碳烟放出热量同时加速 内部剩余碳烟氧化放热，导致了图中第二次温度峰值的出现。后进入降怠速工况，由于主动再生时间相对较短，内部温度还没有达到碳烟氧化温度，所以 年第期当停止远后喷进入怠速工况时，的内部温度并没有快速提升至一个很高的温度。图不同时刻进入降怠速再生 内最高温度对比图 内部最高温度出现在了 后进入降怠速工况，最高温度峰值随着进入降怠速工况时刻推迟而提前。主动再生开始，远后喷开始喷油，随着进入降怠速工况的时刻不断推迟，远后喷喷射的持续时间越长，在主动再生初始阶段 内部温度提升的也越高，氧化的碳烟也越多，进入降怠速工况后，温度的峰值就会提前。但同时由于主动再生前期氧化的碳烟较多，所以在后期虽然温度峰值提前了，但是温度却不是最高的。不同碳载量进入降怠速工况对 内部最高温度的影响 再生过程中，内部捕集的碳烟氧化在短时间内会释放出大量的热量，从而使 的载体温度急剧升高，当进入降怠速工况时，废气流量的降低，氧含量的快速升高，会加剧 内部温度峰值的出现，由于是内部碳烟氧化产生的热量，所以不同数量的碳烟对进行降怠速工况试验时 内部最高温度影响较大。试验过程中分别选用，下碳载量，当 再生时出现降怠速工况后对 载体内部最高温度的影响（不同碳载量进入降怠速工况的时刻保持一致）。图所示为不同碳载量下主动再生时进入降怠速工况 内部最高温度随时间的一个变化情况，主要可以分为两个阶段，第一个阶段为正常再生阶段，还未进入 工况，不同碳载量对于 内部最高温度的影响较小，这是由于此阶段处于再生的初始阶段，在远后喷的作用下 内部温度在不断升高，由于时间较短内部只有少量的碳烟燃烧。第二个阶段为进入 工况后，内部保持了较高的温度，同时排气流量的减少和氧含量的提高，加剧了 内部碳烟的快速氧化，这样就使得碳载量越高的，内部最高温度的升温速度越快，出现温度峰值的时刻越早。图不同碳载量降怠速再生 内部最高温度对比图结论（）随着 内部碳载量的增加，工况再生时，内部最高温度也在变高。进入降怠速工况的时刻不一样，内部载体最高温度也不一样。（）通过 工况再生试验 内部出现的最高温度峰值和最大温度梯度，结合 载体材料，在实际应用时可以通过降怠速再生试验结果制定最大安全再生碳载量限值。（）影响降怠速再生因素比较多，可以从这些影响因素出发，通过制定相关安全再生控制策略，规避整车在极端行车条件下出现的不安全再生。参考文献：中国机动车污染防治年报（）中华人民共和国环境保护部（）北京：，：孟忠伟，李鉴松，秦源，等 再生时出口颗粒排放特性的试验内燃机学报，（）：帅石金，唐韬，赵彦光，等柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望汽车安全与节能学报，（）：龚金科，赖天贵，刘梦祥，等柴油机微粒捕集器过滤材料与再生方法分析与研究内燃机，（）：孟超伟，陈超，秦源，等 主动再生过程颗粒排放特性试验内燃机学报，（）：，：，：，（）：，：，：，张韦，陈朝辉，孔孟茜，等柴油机催化型颗粒捕集器喷油助燃再生特征农业工程学报，（）：田径，程义琳，刘忠长，等 柴油机微粒捕集器降怠速再生过程载体温度的控制 内燃机学报，（）：黄铁雄，胡广地，郭峰，等 热再生过程温度控制与试验内燃机学报，（）：