基于碳氫噴射系統工況的DPF再生實驗研究

朱萬冬，梁鄭岳，陳曉克，李常侃，葉玉勝

1.廣西玉柴機器股份有限公司 廣西南寧 537005；2. 廣西機電職業技術學院交通工程學院 廣西南寧 530007

0 引 言

由于顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）處理技術能實現高達95%以上的顆粒過濾效率，成為達標國六、T4 排放必不可少的關鍵部件［1-2］。DPF后處理技術主要用于捕集發動機排氣中顆粒成分，當DPF捕集顆粒到一定程度后，發動機排氣阻力增大，會導致發動機油耗惡化、動力下降、堵塞冒煙等發生的風險加大，影響車輛的正常使用。因此，必須定期除去DPF載體捕集的顆粒，即進行DPF再生。

目前，DPF再生的方式有機械再生和熱再生兩種。機械再生通過反吹、振動等方式，需要拆卸DPF裝置，會占用車輛運行時間和增加費用。通常排氣管的溫度只有300 ℃左右，熱再生通過提升DPF入口溫度到600 ℃以上，實現累積碳顆粒的燒毀清除。缸內后噴再生和排氣尾管碳氫噴射再生由于具有結構簡單、標定周期短、開發費用低、使用成本低等優點，受到了商用車研發單位的青睞［3］。

缸內噴射是通過發動機缸內噴油器在發動機壓縮上止點后噴油，在氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）上氧化反應升溫，提高DPF入口的溫度，實現DPF中累積的碳顆?？焖偃紵?，但該技術存在遠后噴對發動機機油稀釋的風險，會影響發動機壽命。碳氫噴射是指通過一支單獨安裝在排氣管的噴油器將燃油噴射到DOC前的排氣管中，與排氣混合后到DOC中氧化反應升溫，DPF累積顆粒在較高的排溫下與氧氣反應，實現再生。碳氫噴射可以有效解決機油稀釋問題，不影響發動機本身運行，具有研究意義。盡管目前在碳氫噴射領域已有了一定的研究成果，但對于排氣管燃油碳氫噴射系統的噴射頻率、碳氫混合器等部件影響仍缺乏系統性研究［4-5］。

本文通過發動機臺架實驗，在固定DOC和DPF入口溫度的條件下，系統性地研究了排氣尾管燃油噴射頻率和碳氫混合器對DOC的碳氫化合物轉化性能的影響，得出了DOC性能的變化規律，并通過了整車驗證。

1 實驗裝置和實驗方法

1.1 實驗裝置

臺架實驗采用玉柴某款滿足國六排放標準的輕型柴油機，其參數如表1 所示，主要實驗設備參數如表2 所示。本研究的DPF碳氫噴射系統如圖1 所示。

圖1 碳氫噴射系統結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of hydrocarbon injection system

表1 發動機主要參數Tab.1 Engine specifications

表2 主要設備列表Tab.2 Main test instruments and equipment

如圖1 所示，碳氫噴射系統主要由斷油電磁閥、壓力傳感器、碳氫噴嘴、碳氫混合器等部分組成，布置在DOC 前端。碳氫噴射系統的燃油通過低壓燃油泵供給；斷油電磁閥用于車載自動診斷系統（On-Board Diagnostics，OBD）診斷及非再生工況下關閉燃油輸送；壓力傳感器用于監控碳氫噴射系統的燃油壓力和油管中油壓進行OBD診斷；碳氫噴嘴根據電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）指令進行燃油噴射；碳氫混合器用于加強噴出的燃油和排氣混合，使混合均勻的碳氫能夠在DOC充分氧化燃燒，從而提高DOC轉化效率。

1.2 實驗方法

通過實驗研究了排氣尾管燃油噴射頻率和碳氫混合器對DOC碳氫化合物轉化性能的影響。

通過分析原機再生實驗過程數據，選取了碳氫排放較高的2個典型工況（工況①，1 000 r/min @264 N·m；工況②，1 200 r/min@335 N·m）進行研究。為了方便對比和評價，控制DOC入口溫度和DPF入口溫度一致，以考核不同碳氫噴射系統部件對碳氫排放的影響。其中DOC入口溫度通過缸內后噴標定實現，DPF入口溫度通過碳氫噴射閉環控制為600 ℃。

碳氫噴嘴噴射頻率基于噴嘴及控制器驅動能力設定，碳氫混合器基于流場均勻性和背壓控制進行方案選擇。

2 結果分析

2.1 碳氫噴嘴噴射頻率對碳氫排放的影響

碳氫噴嘴噴射頻率是指單位時間內噴嘴打開的次數。如圖2 所示，基于相同油壓，實現DPF入口再生溫度600 ℃，隨著碳氫噴嘴噴射頻率增加，碳氫排放濃度降低。主要原因是單位時間內噴油量一定的條件下，碳氫噴嘴噴射頻率增加，也就是增加噴射次數，燃油霧化越好，燃油與排氣混合得越充分，即霧化混合可以較好地提升DOC轉化效率。反之，噴射頻率過低會使噴射出來的碳氫霧化不好，霧化不良的碳氫也就不能充分燃燒，產生大量的碳氫排放，從而導致冒白煙現象和油耗高問題。

圖2 不同碳氫噴嘴噴射頻率對碳氫排放的影響Fig.2 Effects of different injection frequencies on HC emission

如圖3 所示，碳氫噴嘴噴射頻率為5 ～ 10 Hz時，單位時間的HC噴射量逐漸減少；10 ～ 12 Hz時，單位時間的碳氫噴射量基本不變。根據頻率與周期的關系，碳氫噴射頻率越大，碳氫噴嘴的工作周期越短。但是由于噴嘴的物理特性，碳氫噴嘴工作周期過短會導致噴嘴在沒有完全打開的情況下再次關閉，影響燃油的正常噴射。因此，每一個碳氫噴嘴都有一個最佳工作周期，也就是最大的噴射頻率。

圖3 不同碳氫噴嘴噴射頻率對碳氫噴射量影響Fig.3 Effects of different injection frequencies on HC injection volume

綜合碳氫噴嘴硬件能力和碳氫排放結果，最終選擇了10 Hz的噴射頻率。

2.2 碳氫混合器對HC排放的影響

如圖4 所示，原方案混合器為十字型的風扇結構混合器，基于流場均勻性、流速及背壓因素，設計了3 種不同的方案。方案①：在原方案基礎上增加擾流柱，通過加強氣體擾動，增強油氣混合能力。方案②：考慮擾流的同時增加氣體流速，以達到油氣快速充分混合。方案③：通過擾流板交叉，進一步增加混合氣的相互攪動，以增強混合。

圖4 碳氫混合器方案Fig.4 Schemes of HC mixer

從仿真結果來看，由方案①到方案③，流場均勻性和流速增大，混合效果逐步增強。如圖5 所示，碳氫噴射對混合器段兩端壓力、混合器段壓降均有影響，在標定點背壓依次為10.6、11.3、14.6 kPa 時，混合器前后的壓降也同步增加，而背壓大會同步帶來整車油耗的增加。

圖5 不同混合器壓降及背壓圖Fig.5 Pressure drop and back pressure diagram of different mixers

3 種方案的實驗結果如圖6 所示，其中方案③的霧化混合較好，可提高DOC轉化效率。通過拆檢混合器檢查發現，方案③在密封處有少量液膜和液滴，預計混合器上可能有燃油沉積。兼顧背壓和碳氫排放考慮，選擇方案②。

圖6 不同混合器對碳氫排放影響圖Fig.6 Effect diagram of different mixers on HC emission

2.3 基于碳氫噴射系統的再生驗證

按照10 Hz的噴射頻率和混合器優化方案②的組合裝車，通過駐車和行車進行再生驗證。

2.3.1 駐車再生

圖7 展示了優化前后駐車再生DPF入口溫度變化情況和駐車再生碳載量變化情況。優化前，DPF入口溫度波動較大，高溫階段平均溫度540 ℃，碳載量從22.4 g降到7.1 g，再生效率為68.3%，再生溫度的不穩定性和熱傳遞速率影響了積碳的燃燒速率，碳載量下降較為平緩；優化后，DPF入口溫度波動較小，高溫階段平均溫度595 ℃，碳載量從21.9 g降到1.2 g，再生效率達94.5%，總體碳載量下降較快，呈現先急后緩的燃燒現象。初始階段，大量積碳同時燃燒，熱傳遞較快，燃燒較為激烈，在碳載量下降到5 g后，熱傳遞速率降低，燃燒較為緩慢，碳載量下降速率明顯降低。

圖7 優化前后駐車再生DPF入口溫度及碳載量變化圖Fig.7 Schematic diagram of DPF inlet temperature and PM load on parking regeneration before and after optimization

圖8 展示了優化前后駐車再生碳氫噴射量變化情況。優化前，噴射壓力700 kPa，噴射頻率5 Hz，DPF入口溫度和碳氫噴射量波動較大，平均碳氫噴射量14.8 g/min，碳氫混合不均勻，再生效率僅為68%，DOC中碳氫氧化反應效率低，導致很多的未燃碳氫直接排出，再生過程排氣尾管冒白煙；優化后，碳氫噴射量相對平穩，主要根據工況變化而變化，DPF入口溫度和碳氫噴射量得到了較好的控制，平均碳氫噴射量12.5 g/min，改善碳氫混合后，再生過程排氣尾管無冒白煙現象，駐車再生效率94%，平均碳氫噴射量低于優化前狀態，整車駐車再生油耗改善了2.3%。

圖8 優化前后駐車再生碳氫噴射量變化圖Fig.8 Schematic diagram of hydrocarbon injection on parking regeneration before and after optimization

2.3.2 行車再生

圖9 展示了優化前后行車再生DPF入口溫度變化情況和行車再生碳載量變化情況。優化前，DPF入口溫度波動較大，高溫階段平均溫度520 ℃，碳載量從22.6 g降到9.9 g，碳載量下降較為平緩，再生效率為56.2%；優化后，DPF入口溫度相對平穩，高溫階段平均溫度580 ℃，碳載量從22.3 g降到2.1 g，碳載量下降呈現先急后緩現象，再生效率提升到90.6%。

圖9 優化前后行車再生DPF入口溫度和碳載量變化圖Fig.9 Schematic diagram of DPF inlet temperature and PM load on driving regeneration before and after optimization

圖10 展示了優化前后行車再生碳氫噴射量變化情況。優化前，噴射壓力為600～700 kPa（根據發動機轉速不同有所不同），噴射頻率5 Hz，DPF入口溫度和碳氫噴射量波動較大，平均碳氫噴射量為9.3 g/min；優化后，噴射壓力為600～700 kPa（根據發動機轉速不同有所不同），噴射頻率10 Hz，DPF入口溫度和碳氫噴射量基本穩定，平均碳氫噴射量6.8 g/min，波動主要受車輛加減速影響。整車行車再生油耗改善了4.3%。

圖10 優化前后行車再生碳氫噴射量變化圖Fig.10 Schematic diagram of hydrocarbon injection on driving regeneration before and after optimization

結合駐車再生和行車再生，整車綜合油耗改善了3.3%。

3 結 語

①隨著碳氫噴嘴噴射頻率增加，碳氫排放濃度降低，需綜合碳氫噴嘴硬件能力和碳氫排放結果選擇噴射頻率。

②碳氫混合器的選取除了考慮碳氫排放外，還需要考慮整車油耗。

③優化后，DPF入口溫度和碳氫噴射量得到了較好控制，駐車再生效率達94%，行車再生效率達90%，整車油耗改善了3.3%?！?/p>