焦宇飛，姚廣濤，鄧成林，張衛(wèi)鋒，資新運(yùn)

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161)

基于DOC氧化乙醇助燃再生DPF研究

焦宇飛1，姚廣濤2，鄧成林2，張衛(wèi)鋒2，資新運(yùn)2

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161)

針對(duì)傳統(tǒng)的噴油助燃再生的柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)容易產(chǎn)生二次污染的缺點(diǎn)，提出借助柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)換器(DOC)氧化乙醇產(chǎn)生熱量進(jìn)行DPF再生的方法。搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和乙醇噴射量對(duì)DOC氧化乙醇效率特性研究，并根據(jù)氧化特性設(shè)定相關(guān)控制策略。將系統(tǒng)安裝在堆高機(jī)上進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，DOC氧化乙醇能夠?qū)崿F(xiàn)DPF再生。

乙醇助燃系統(tǒng)；柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)；柴油機(jī)氧化催化器(DOC)；氧化效率

柴油機(jī)具有良好的動(dòng)力與經(jīng)濟(jì)性，被廣泛用于大型道路與非道路移動(dòng)機(jī)械上。但隨著國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，顆粒物排放成為柴油機(jī)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的短板。柴油機(jī)顆粒捕集器(diesel particulate filer，DPF)是降低顆粒物排放最直接、有效、實(shí)用的方法，再生技術(shù)是DPF的關(guān)鍵[1]。

對(duì)于DPF再生，目前使用較為廣泛的是噴油助燃再生技術(shù)，該技術(shù)主要通過在柴油機(jī)氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)前噴射一定量的霧化柴油，通過DOC氧化柴油釋放熱量，提升DPF溫度達(dá)到顆粒物著火點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)DPF的再生，這種方法具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。但也存在一些不足，主要體現(xiàn)在：柴油密度與黏度較大，難以完全霧化，導(dǎo)致再生時(shí)難以完全氧化易產(chǎn)生CO、HC等造成二次污染[4-5]；柴油中的硫成分對(duì)于DOC壽命影響很大，很容易造成催化劑中毒；柴油的沸點(diǎn)與燃點(diǎn)較高，柴油機(jī)在低速與怠速狀態(tài)溫度較低，難以達(dá)到再生條件等。相對(duì)于柴油，乙醇密度和黏度都比較低，噴射過程更易被霧化；乙醇屬于含氧燃料，且沸點(diǎn)較低、辛烷值高，再生過程更易被完全氧化產(chǎn)生更多熱量，并減少二次污染的產(chǎn)生；乙醇中不含任何硫成分，不會(huì)產(chǎn)生影響DOC壽命的硫酸鹽成分；乙醇屬于可再生產(chǎn)品，清潔環(huán)保，非常經(jīng)濟(jì)適用。因此，采用DOC氧化乙醇的方法實(shí)現(xiàn)DPF再生，比傳統(tǒng)噴油助燃系統(tǒng)有更大的優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了一套利用DOC氧化乙醇的方法實(shí)現(xiàn)DPF再生的裝置，并借助在線故障診斷(on-board diagnostics，OBD)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障報(bào)警。

1 基于乙醇助燃再生DPF系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)組成

基于乙醇助燃再生DPF再生系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，再生系統(tǒng)包括排氣管路、電控單元(electronic control unit，ECU)、溫度傳感器、背壓傳感器、氧傳感器、乙醇噴射系統(tǒng)、DOC、DPF以及車載無線模塊等。乙醇噴射系統(tǒng)由乙醇罐、儲(chǔ)氣罐、氣泵、穩(wěn)壓閥和二位二通閥構(gòu)成。系統(tǒng)控制氣泵為乙醇提供噴射氣壓，在一定的噴射氣壓下空氣罐氣體流經(jīng)穩(wěn)壓閥后分成兩路，一路氣體經(jīng)過阻尼孔提供乙醇輔助噴射壓力，另一路氣體則提供乙醇的噴射壓力，通過計(jì)量閥和二位二通閥調(diào)節(jié)乙醇噴射占空比實(shí)現(xiàn)乙醇噴射量的調(diào)節(jié)。

圖1 乙醇助燃DPF再生系統(tǒng)

系統(tǒng)通過測(cè)定尾氣的溫度和背壓，判斷合適的再生時(shí)機(jī)，根據(jù)DOC氧化乙醇特性，選擇合適的噴射時(shí)機(jī)和噴射量達(dá)到迅速提升DPF溫度實(shí)現(xiàn)再生的目的。再生數(shù)據(jù)通過車載無線模塊實(shí)時(shí)上傳互聯(lián)網(wǎng)，通過遠(yuǎn)程客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)DPF再生過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與診斷。

1.2 再生系統(tǒng)原理

再生時(shí)，噴射系統(tǒng)在尾氣管上游噴射霧化乙醇，乙醇與尾氣混合后流經(jīng)DOC，在DOC催化劑的作用下，乙醇被氧氣氧化，釋放熱量提升排氣溫度，使DPF升溫達(dá)到再生目的。

2 乙醇氧化效率

為保證DPF再生成功，乙醇在DOC氧化過程中，溫度必須達(dá)到顆粒物的著火點(diǎn)溫度600°C，但又不能過高以避免損壞DPF。溫度的控制受乙醇氧化效率與氧化時(shí)間的影響較大。因此需要研究乙醇在DOC中的氧化效率，來確定乙醇噴射的最佳時(shí)機(jī)與噴射量。

乙醇氧化效率在理論上通過下式得到[6]：

(1)

噴射質(zhì)量可以通過稱取乙醇噴射完畢實(shí)際減少質(zhì)量獲取，乙醇氧化質(zhì)量則要通過燃燒釋放的能量來計(jì)算。根據(jù)能量守恒定律，將排氣加熱到DPF再生溫度需要吸收的功率：

QΔt=VExh·ρ·CExh·ΔT+ΔQ

式中：VExh為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量，m3/h；GFuel為燃油質(zhì)量流量，kg/h；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；l為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；k為渦輪增壓器增壓比；ρ為排氣密度，kg/m3；CExh為排氣比熱容，J/kg·K；ΔT為排氣升溫，K；ΔQ為DOC散失熱量，J/h。

在較短時(shí)間內(nèi)，DOC散失熱量較少可忽略，排氣的比熱容和密度用空氣的比熱容和密度近似替代[7]。由于乙醇氧化放熱的熱功率近似等于排氣升溫所需的功率，即

QΔt=QEth

(2)

式中QEth為DOC氧化乙醇釋放的熱功率，QEth=Q·qEth·ΔT乙醇氧化溫度。其中：Q為計(jì)量閥噴射速率，kg/h；qEth為乙醇燃燒熱，J/kg。

通過式(1)、式(2)可以得出乙醇氧化質(zhì)量：

(3)

因此通過測(cè)定DOC后溫度、DOC前溫度、噴射時(shí)間就可以計(jì)算出乙醇氧化質(zhì)量。

為了研究乙醇的氧化效率受排氣溫度與噴射量的影響，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架。試驗(yàn)中采用康明斯6BT5.9型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)見表1，DOC與DPF相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 DOC和DPF參數(shù)

臺(tái)架主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、控制臺(tái)、后處理裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、尾氣分析儀以及相應(yīng)的傳感器等組成。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架管道布置，將DOC+DPF后處理裝置安裝在排氣管道直管處，尾氣分析儀兩個(gè)取氣口分別設(shè)置在DOC入口前25 cm處和DOC與DPF之間耦合間隙處。

在一定的噴射量與噴射時(shí)間條件下，通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷，測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)不同排溫下的乙醇氧化效率隨DOC入口溫度變化(如圖2所示)。由圖可知DOC在低于220°C溫度時(shí)，乙醇氧化效率較低，高于220°C以后，隨著DOC溫度的逐步提升，乙醇氧化效率迅速提升，并在270°C時(shí)達(dá)到接近90%的氧化效率，隨著DOC溫度的進(jìn)一步提升，乙醇氧化效率提升速率變緩。

為研究乙醇氧化效率與乙醇噴射量的關(guān)系，在臺(tái)架試驗(yàn)中測(cè)得乙醇噴射系統(tǒng)在輔助壓力為400 kPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別在1 000、1 400、1 800 r/min時(shí)，不同轉(zhuǎn)矩和占空比的乙醇氧化效率(如圖3—5所示)。

圖2 乙醇氧化效率隨DOC入口溫度的變化曲線

圖3 1 000 r/min時(shí)乙醇氧化效率曲線

圖4 1 400 r/min時(shí)乙醇氧化效率曲線

圖5 1 800 r/min時(shí)乙醇氧化效率曲線

由圖可知：在同一轉(zhuǎn)速下，乙醇氧化效率隨轉(zhuǎn)矩的增加而增加；在相同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩下，乙醇氧化效率隨占空比的增加而逐步增加。占空比在30%以前，乙醇氧化效率較低，隨著占空比的增加乙醇氧化效率迅速提升，達(dá)到60%以后上升趨勢(shì)逐漸減緩。

根據(jù)乙醇氧化特性和應(yīng)用過程中的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，在乙醇噴射再生系統(tǒng)中，選取270°C作為實(shí)現(xiàn)再生時(shí)DOC進(jìn)氣溫度。再生過程中，乙醇以60%占空比進(jìn)行噴射。系統(tǒng)工作時(shí)，利用背壓傳感器、溫度傳感器等對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行記錄，同時(shí)計(jì)時(shí)器對(duì)ECU上電時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。當(dāng)背壓超過限值，或者ECU工作時(shí)間超過設(shè)定限值，且DOC入口溫度到達(dá)270°C以上并能夠持續(xù)40 s，說明具備再生條件，DCU控制乙醇噴射系統(tǒng)，以60%的占空比向尾氣中噴射霧化乙醇，乙醇在DOC中迅速氧化使得DOC、DPF溫度迅速提升。當(dāng)DOC后排氣溫度即DPF前排溫達(dá)到600°C時(shí)，達(dá)到PM顆粒著火點(diǎn)，開始進(jìn)行再生[8]。為了避免溫度一直上升損壞DPF，當(dāng)DOC后排溫達(dá)到700°C時(shí)，DCU控制乙醇噴射系統(tǒng)改變占空比，以30%的占空比進(jìn)行噴射，降低乙醇氧化溫度。當(dāng)溫度降到600°C以下時(shí)，重新改變占空比，從而控制再生時(shí)溫度在合理區(qū)間，直到再生完成為止。OBD系統(tǒng)對(duì)再生過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)并進(jìn)行診斷，如果出現(xiàn)問題，則發(fā)出報(bào)警，點(diǎn)亮故障報(bào)警指示燈。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證乙醇系統(tǒng)的再生效果，將其安裝在卡爾瑪KWT751E型堆高機(jī)上進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。根據(jù)堆高機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將乙醇噴頭裝在排氣管尾部距離DOC前端10 cm處。在DOC前、后分別布置溫度和背壓傳感器。

3.2 試驗(yàn)過程

堆高機(jī)再生一次數(shù)據(jù)如圖6所示。由數(shù)據(jù)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)初期排溫度較低，在120°C左右；在運(yùn)行至800 s左右時(shí)，開始進(jìn)行再生，DOC溫度迅速上升至600°C，并能夠穩(wěn)定在600～700°C，再生過程共計(jì)持續(xù)600 s。DPF相對(duì)DOC溫度有相對(duì)延遲，經(jīng)過加熱，DPF溫度能夠達(dá)到600°C以上，能夠滿足再生條件，實(shí)現(xiàn)DPF的成功再生。

圖6 再生數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

4 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計(jì)的一套利用DOC氧化乙醇助燃

DPF系統(tǒng)，通過進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)能夠使DOC溫度維持在600～700°C，幫助DPF實(shí)現(xiàn)再生；

(2)乙醇氧化效率受DOC氧化溫度與噴射占空比影響較大，在270°C、占空比為60%時(shí)，能夠達(dá)到較為理想的乙醇氧化效率。

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[8] Andrew P E York，Mehrdad Ahmadinejad. Modeling of the Catalyzed Continuously Regenerating Diesel Particulate Filter (CCR-DPF) System: Model Development and Passive Regeneration Studies[C]. SAE Paper 2007-01-0043.

(編輯：張峰)

Oxidizing Ethanol with DOC to Assist DPF Regeneration

JIAO Yufei1, YAO Guangtao2, DENG Chenglin2, ZHANG Weifeng2, ZI Xinyun2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Since traditional regeneration diesel particulate filer (DPF) easily produces secondary pollution, the paper firstly puts forward the method of oxidizing ethanol with diesel oxidation catalyst (DOC) to assist DPF regeneration. Then, it establishes hardware platform of the system and studies the influence of engine exhaust temperature and ethanol injection quantity on oxidation efficiency on engine test bed, and sets up related control strategy according to the oxidation property. Finally, it tests the system on forklift, and the result shows that oxidizing ethanol with DOC can realize DPF regeneration.

ethanol combustion-supporting system; diesel particulate filer (DPF); diesel oxidation catalyst (DOC); oxidation efficiency

2017-02-27；

2017-03-16. 作者簡(jiǎn)介： 焦宇飛(1991—)，男，博士研究生.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.009

TK421

A

1674-2192(2017)08- 0037- 04

● 車輛工程 Vehicle Engineering