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行业新闻

柴油机排气微粒捕集器燃烧器再生技术研究

柴油机排气微粒捕集器燃烧器再生技术研究

引言

    为了满足逐渐严格的排放法规,柴油机微粒捕集

器己被公认为是最有效的微粒控制技术。捕集之后滤

芯当中微粒的去除,即捕集器的再生,是制约捕集器发

晨的重要因素。捕集器的再生一般采取燃烧的方法,

通常需要排气温度达到500~600℃。即使在燃油添

加剂、DPF覆催化剂的辅助下,捕集器的再生温度降

至300℃左右的情况下,仍然不能使柴油机在所有工

况范围内实现自主再生,即被动再生,必须依靠外界能

量的输入来提高排气温度,如采用电加热、微波加热、

26勺87

红外加热等方法,即主动再生的方法‘1。8。

    与其它主动再生方法相比燃烧器再生技术耗电

量小,燃料直接取自发动机所用柴油,能量利用率高,

响应速度快,且容易实现在用车的改造。在上个世纪

八九十年代,该技术曾经有过一段时间研究,其发展主

要受限于3个方面的因素:1)当时发动机排放水平较

低,致使捕集器再生过于频繁,给再生系统的稳定性与

耐久性带来很大挑战;2)当时过滤材料耐高温性能较

差,再生时产生的高温很容易引起过滤体的烧熔、烧

裂;3)燃烧器系统复杂,结构庞大,成本较高[ 6-8]。

    低排放柴油机的发展以及耐高温过滤材料(如气微粒捕集器燃烧器再生技术研究

SiC)的出现又给燃烧器再生技术的发展带来了新的机

遇。如果燃烧器再生系统能在结构复杂性以及成本方

面得以突破,则该项技术的应用前景十分广阔。造成

以往燃烧器再生系统复杂化的因素主要有两个:1)燃

烧器空气由空气压缩机供给,而空气压缩机的动力来

源通常是依靠蓄电池驱动或是从发动机曲轴取力,靠

蓄电池供电会给蓄电池带来很大负担,而从曲轴取力

又会造成系统过于庞大;2)为了减轻燃烧器工作负

担,后处理装置通常设计成旁通式的结构形式,即两套

再生系统轮流工作,结构复杂,成本增加。

    为解决上述两个方面问题,本文提出从涡轮增压

器出口处获取新鲜空气来组织燃烧,摒弃了以往空气

压缩机等复杂供气系统,同时再生系统采用了全流式

结构,即捕集器的再生与过滤能同时进行,两个方面措

施使得燃烧器再生系统结构大为简化。此外,受涡轮

增压器工作特性影响,为了降低燃烧器工作负担,拓展

再生工况范围,本文在燃烧器后端加装了一套氧化催

化器( DOC)辅助催化升温装置。需要再生时,先由燃

烧器来提升排气温度,之后再在DOC前喷射部分燃

油,通过DOCXjH嘲然料的催化氧化作用来对排气进

行二次升湓。

1燃烧器结构形式

    图1为所设计的全流式燃烧器,主要由燃油供给

系统、空气供给系统、点火系统、燃烧室4大部分组成。

燃油经过喷油泵与喷嘴从一级燃烧室顶面中心以旋流

雾化的方式喷入燃烧器之后,在二级燃烧室中充分燃

烧,之后与柴油机排气在混合腔中混合均匀之后再流

出燃烧器。

  图1全流式燃烧器结构示意图

F9 l  Sketchm ap of PIL flcxv burner

    为加强油气混合,促进燃烧,采用了旋流燃烧的配

风结构,如图2所示,在配风器的上下两端分别均匀布

置有6道进风口。空气在进入燃烧室之前,经由配风

器分成两股,即一次风与二次风。一次风的主要作用

是用来促进混合气的形成,保证点火成功;旋流二次风

主要是用来促进油雾与助燃空气更好地混合,使燃料

在二级燃烧室中进一步燃烧完全并形成稳定的燃烧。

次风人口

次风人口

  图2燃烧器内部结构示意图

F92Internalstructure of burner

2再生系统工作特性分析

2 1燃烧器工作区域分析

    受增压器涡轮特性影响,燃烧器工作范围难以覆

盖整个发动机工作范围,即发动机进气压力必须大于

排气背压才能保证燃烧器正常工作。图3为DPF碳

烟累积量达到一定限值时,进气压力与排气背压之差

MAP图。从图土可以看出,只有左下角区域小部分工

况进气压力小于排气背压。从试验结果来看,当进气

压力与排气背压之差达到2心a以上时,燃烧器可以

正常工作。虽然燃烧器工作范围不能覆盖整个MAP

图,但在绝大部分范围仍然可以正常工作。

图3进气压力与排气背压之差MAP

2 2再生系统能量输入控制策略

    通过对后处理系统能量输入进行控制,一方面可

以提高后处理系统的燃油经济性;另一方面也可以降

低后处理系统工作时所带来的HC}世漏等问题。内    燃  机    学  报

第26卷第6期

图4为再生系统工作时的能量转换关系图。

   Qh.aicrawb(t)   Qdocamb(t

  /t  .,  7

    图4再生系统能量平衡示意图

Fig4  Ener9Y balance acrossburner anciD()C

    cluring regeneratpn

    假设喷射入燃烧器的燃油完全燃烧转化为热量,

则燃烧器所能提供能量可以通过燃料的低热值计算得

出,则

    Q'f el(9一rr-i'fue,(|9 Ihv    (1)

式中:Q'fu。.(1沩燃料燃烧热量释放速率;m 7fu。.(哟燃

烧器消耗的燃料质量流量;I书、是柴油的低热值。

    考虑燃烧器向大气辐射的热量损失,将DOC\口

温度提高到起燃温度哟300℃)时所需的燃油喷射

量为

    rr-itfL1.l(t)Ih.Qk。。mnb(J9一[m 7叫.(|9+

    m'。,,(9+ l-l-l'fue,(9]乍[Tx,。(9王。。(9]

    (2)

式中:Qk…。。(9为燃烧器向大气热量辐射速率;卫。。

为燃烧器入口温度;Tx)c(1)为DOC入口温度;帛为排

气比热容。

    同理可以进一步得出将DPF入口温度提升至再

生温度时DOC前喷射所需燃油量,则有

    ( 1TI',ld D.lIh.)1一[lTI:.xh(J9+rr-i'fue,(9+lTl'air(9+

    m';。dd n.l(9)乍(rrjPF(9 rrX,。(9]+

    Q&,。。、b(1)    (3)

式中:1为DO(鞠转化效率,%;ITl',tld fu。-(9为DOC前

燃油喷射质量流量;Q’Ⅱ,。毗(9为DOC向大气热量辐

射速率。

    因为发动机排气质量流量与温度变化范围较大,

涡轮增压器所能提供的空气流量又与发动机工况密切

相关,且1受DOC本身的催化特性和入口温度的影

响,所以在实现应用过程中按照上述公式实现燃油喷

射量与空气供给量的精确控制较为困难。为了简化控

制策略,可以对燃油喷射量与空气量供给量实行分段

控制,即将发动机工况范围划分为若干区域,在某一区

域范围之内固定燃油喷射量与空气供给量。

    当发动机排气温度低于300℃时,需要燃烧器与

DOC能j共同配合来完成排气升温过程;当排气温度达

到300℃以上日寸,则可以由燃烧器或者DOC单独工作

完成DPF再生,但考虑到DOC能对燃烧器未燃的HC

进一步氧化,所以应优先选取燃烧器升温。

    当发动机工作在低负荷区域时,进气压力值较小,

而此时排气温度相对高负荷区域也较低,对燃烧器工

作能力的考核应集中在这一区域。基于燃油喷射与空

气侠给分段控制策略,本文主要针对该区域再生系统

升温特性进行了研究。

3试验装置

    按图5所示的结构搭建了发动机台架试验系统。

试验用发动机为某发动机,具体参数见表L

表1试验用发动机主要参数

Tab l  En9 ne sPecificatDns

型式

4冲程,涡轮增压直喷

气缸数及排列

排量/L

压缩比

标定功率/趼

最大转矩/(N。m)

   4缸L直列

    2 499

    1& 3:1

 76(3 800  Vm in)

225(2 000 r/min)

    i缸f芝f0感**

    图5燃烧器再生系统图

Fg 5  Sch∈ma tic clia9rarn  of full- flow burner DPF  syste;m

传感器2008年11月    李  新等:柴油机排气微粒捕集器燃烧器再生技术研究

    试验所用DPF滤芯尺寸为①178 mm×152 rrIm

 DO~jZ体尺寸为Q120 rrrn×220 mm其它主要试验

设备如表2所示。

    表2试验所用仪器设备

    Tab 2 M an components of the test system

设备名称    制造厂家

测功机((Wl60)

数据采集系统(2700)

K型温度传感器

迈凯机电有限公司

美国吉时利仪器公司

  天津中环公司

4试验结果及分析

4 1燃烧器单独工作效果

    图6为不同转速下,零转矩输出时燃烧器单独工

作的升温效果,图中燃烧器工作时喷射油量稳定在1

 k9/b从图上结果可以看出,燃烧器能在较大范围内

迅速将排气温度提升至300℃附近,能够满足DOC正

常工作的温度区间,有利于下一步利用DOC进行二次

升温。随着转速的增加,虽然燃烧器入口温度也会相

应有所增加,但燃烧器升温能力却随之下降。

p

图6燃烧器单独工作时排气温度随时间的变化

  F9 6  Exhaust tem pera ture varia tDns using

    burner at ciifferent speeci

4 2燃烧器与DOC弭关合工作效果

    当采用燃烧器将排气温度提升至300℃附近时,

冉采用DOC前喷射燃油来进一步提升排气温度。整

个试验过程中始终保持燃烧器燃烧喷射量为入s—L 0

 k9/b图7为低转速(1600 rlm嘲时排气温度随时间

变化过程D()Cfi百燃油喷射量为kD=L 2 k9/b

    在1 600 r/min 50 N。m时,排气温度由200℃升

温至600 aC,效果较为理想,但在2400 rlmin时排气

温度却只能升至400℃左右(图8嗡难已满足捕集器

再生条件。这时有两种途径来进一步提升排气温度:

1)提高燃烧器的功率;2)加大DOC前燃油喷射量。

对比两种方式,通过增加燃烧器功率来提升排气温度

有两个弊端:1)热损失较大,能量利用豪较低;2)燃烧

器如果升温过高会点燃DOC前喷入的燃油,反而降低

D()j升温效果。因此,选择了增加DOC前燃油喷

射量来进一步提高排气温度。图8b为DOC前燃油喷

射量为L 5 k9/h时,2400 rlmin零转矩输出时的升

温效果,与图8 4fB比,排气温度提升了100 0Co但如

果排气流速继续增加,那么此时的燃烧器与DOCfl-温

效果仍然是不够的,如图ga所示。

    时删^

图7  1 600 r/m ln 50 N。m排气温度随时间的变化

    Fg7Variation of exhaust te;mPeraturewith

    tme atl 600 r/m ln 50 Nom

囹8 2 400  r/m ln o N。m排气温度随时间的变化

    F98Variation of exhaust te;mPeraturewith

    tln e at2 400 r/minO Nom

    虽然在高速情况下可以再加大DOC前燃油喷射

量来提高升涡效果,但受空速的影响,DOC的升温能内    燃  机    学  报

第26卷第6期

力较为有限,且会带来DP聒端HC的泄漏,造成二次

污染。因此更换大尺寸DOC(Q150 rrrn×220 rrrn)来

降低空速,增加反应时间,以在燃油喷射量不变情况下

达到增强DOC升温效果的目的。图gb为更换DOC

后3 200 rlmin发动机零转矩输出时的升温过程,排

气温度提升到了500℃。

    时间,s

a)中120 rrrnX 220 mm

b)中  150 rrrnX 220 mm

    图9 3 200 r/minO Nom排气温度随时间的变化

    F199  Variation of.(haust temPeraturewit

    tm e at3 200 r/minO Nom

    虽然上述试验中再生系统通过对燃油喷射量适量

修改与DO(Z速特性优化之后的能在较短时间内提

升排气温度至500℃以上,但是仍然需要对燃烧器与

DOCU燃油喷射量进一步调敕,以加快微粒氧化速

度,缩短再生时间。

4 3取气对发动机影响

    喷油助燃再生系统在完成对捕集器再生的同时,

必须保证再生系统对发动机性能影响在允许的范围

内。选取高、中、低3个转速试验喷油助燃装置对发动

机性能的影响,如图10所示。可以看出,当喷油助燃

装置工作时,转矩稍微有所增加,对发动机影响不大,

可以认为发功机动力性没有变化。转矩增加的主要原

因可能来自两个方面:1)中低负荷时发动机进气量充

足,燃烧器引入部分空气之后使得发动机热效率提高,

导致转矩稍有增加;2)燃烧器工作后使得增压器增压

效果有所提升。因此,喷油助燃装置工作时,从涡轮增

压器取少量空气是可行的。

 80

 70

 60

舍 50

Z 40

oz: 30

 'l: r

” 20

  10

    0

┏━━━┳━━┳━━━━━┳━┳━┳━┳━┳━┓

┃.I   ┃烧  ┃器1 7作前 ┃  ┃  ┃  ┃  ┃  ┃

┃.口  ┃龆  ┃器T作后   ┃  ┃  ┃  ┃  ┃  ┃

┗━━━┻━━┻━━━━━┻━┻━┻━┻━┻━┛

    1 200  1 600  2{)f)()  2 400  2 80()  3 2()()  3 600

    转述/(r/mii]l

    图10取气对发动机影响

F19 10   Effect of usng ccmpress air from turbochar9er

    on en9he power perfolrn ance

 5结论

    (1)从涡轮增压器取气用于微粒捕集器再生的

方法是可行的,取气没有对发动机动力性造成不利影

响。设计的燃烧器再生系统能够实现捕集器在过滤过

程中进行再生,避免了排气旁通而带来的污染失控

问题。

    (2)采用本文提出的分段控制策略,设计的燃

烧器再生系统能够在发动机低负荷工况迅速提升排气

温度至500℃以上。为提高能量利用率,应对再生需

求功率进行分市斤,确定合理的燃油喷射量,并对DOC

空速特性等进行优化,以进一步提升排气温度,

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