缸内远后喷与排气管喷油在DPF主动再生过程中的性能对比研究.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n设计研究缸内远后喷与排气管喷油在D P F主动再生过程中的性能对比研究于佳,丰平,朱纪宾,陈卿(潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 )摘要:在一台高压共轨柴油机上,进行了缸内远后喷与排气管喷油在D P F主动再生过程中的性能对比研究.试验结果表明,相同再生热管理水平下,缸内远后喷再生持续时间长,再生油耗及HC泄露偏高.经过再生限油后,缸内远后喷再生过程HC泄露峰值降低约,但仍然比排气管喷油再生偏高.研究结果为D P F再生方法及其控制策略的制定及优化提供理论依据.关键词:缸内远后喷;再生;排气管喷油中图分类号:T P 文献标识码:A文章编号:X()P e r f o r m a n c eC o m p a r i s o nS t u d yo fL a s t p o s t i n j e c t i o na n dE x h a u s t p i p eF u e l I n j e c t i o nD u r i n gD P FA c t i v eR e g e n e r a t i o nY uJ i a,F e n gP i n g,Z h uJ i b i n,C h e nQ i n g(W e i c h a iP o w e rC o m p a n y,L i m i t e d,S h a n d o n gW e i f a n g )A b s t r a c t:C o m p a r i s o ns t u d y i s i n v e s t i g a t e do nad i e s e l e n g i n eb e t w e e n l a s t p o s t i n j e c t i o na n de x h a u s t p i p e f u e l i n j e c t i o nd u r i n gD P Fa c t i v er e g e n e r a t i o n R e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h es a m et h e r m a lm a n a g e m e n t l a s t p o s t i n j e c t i o nh a sc h a r a c t e r i s t i c so f l o n g e rd u r a t i o n,h i g h e r f u e l c o n s u m p t i o na n dh y d r o c a r b o n(HC)l e a k a g ec o m p a r e dw i t he x h a u s t p i p e f u e l i n j e c t i o n HCp e a k l e a k a g e i ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e db ym e a n so f l i m i t a t i o no f l a s t p o s t i n j e c t i o nq u a n t i t yd u r i n g t r a n s i e n t c y c l e,b u t i t i s s t i l l h i g h e r c o m p a r e d t oe x h a u s t p i p e f u e l i n j e c t i o nr e g e n e r a t i o n T h er e s u l t so ft h es t u d yp r o v i d eav a l u a b l ei n f o r m a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fD P Fr e g e n e r a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g y K e yw o r d s:l a s t p o s t i n j e c t i o n;R e g e n e r a t i o n;E x h a u s t p i p e f u e l i n j e c t i o n作者简介:于佳(),女,工学硕士,工程师,主要研究方向为车用柴油机性能开发.柴油机由于其强大的动力性,良好的经济性和较高的可靠性被广泛应用.然而,柴油机中的氮氧化物(N O x)和颗粒物(PM)排放较高,PM排放对人类健康产生巨大威胁.随着排放法规的日益严苛,对PM质量排放及数量排放都进行严格限制,目前柴油机颗粒物捕集器(D P F)是降低颗粒物排放最有效的技术.但是D P F对颗粒物的捕集积累,会导致发动机排气背压升高等问题,需要定期对D P F进行再生.目前D P F再生方法主要分为被动再生和主动再生.被动再生需要较高的排气温度,依靠N O对PM进行持续的氧化再生,缺点是再生速度慢,再生效率低.D P F主动再生方法则通常需要采用排气管HC喷射系统或缸内远后喷来增加排气中未燃HC的含量,进而在柴油机氧化型催化器(D O C)内氧化放热,达到D P F的再生温度,从而实现D P F再生.排气管HC喷射系统是通过额外增加一套供油系统,当D P F需要再生时,往排气管内喷射柴油,柴油在D O C内氧化放热,将D P F内部碳颗粒烧掉,结构示意图见图所示.缸内远后喷是通过喷油器在上止点后远离上止点时刻,在缸内喷入后喷柴油,未燃柴油随尾气进入D O C内氧化放热,从而使碳颗粒烧掉,缸内远后喷喷油策略如图所示.缸内远后喷再生方法因具有无需额外喷油设备等优点被广泛应用.然而实际缸内远后喷可能存在着燃油经济性恶化,HC转化效率低、机油稀释等问题.图排气管H C喷射结构示意图图缸内远后喷喷油示意图目前国内学者对D P F再生策略及性能进行了广泛的研究.文献研究了缸内远后喷策略对发动机排放、油耗率及D O C温升特性的影响.文献研究了采用缸内后喷及排气管喷油相结合的方式,实现D P F在发动机大 年第 期部分工况下的再生,保证再生过程不因工况变化而中断,具有一定的时效性.文献采用仿真软件建立D O C和D P F模型,优化了D O C辅助D P F再生的燃油喷射规律,提出了先缓后急的燃油喷射规律,大幅降低D P F再生的二次污染.本文在一台带有排气管喷油喷射系统的柴油机上研究通过缸内远后喷实现D P F再生,并与排气管喷油进行再生性能对比,为D P F再生方法及其控制策略的制定及优化提供理论依据.试验设备及试验方法 试验设备试验选用发动机为某型号重型自卸车用途发动机,后处理采用D O CD P FS C R路线,排放标准满足国六排放标准,试验地点为内燃机国家可靠性重点实验室,发动机主要技术参数和试验仪器仪表详细信息见表和表.表柴油机的主要技术参数项目单位技术参数进气方式增压中冷气缸数排量L 缸径行程mm 爆压MP a 额定功率k W 表试验仪器与仪表设备名称生产厂家气体排放设备HO R I B A油耗仪AV L燃油温控AV L进气流量计AV L 试验方法首先保持与排气管HC喷射系统相同的D O C前温度控制状态,根据整车应用特点选取常用工况区进行远后喷定时、远后喷油量等标定.远后喷定时是指远后喷开始时刻与上止点间的曲轴转角.远后喷油量通过标定HC转化效率使D O C出口温度达到设定再生温度获得.因此先在相同D O C前温度控制状态下与排气管HC喷射系统对比发动机行车再生的时间、油耗、HC泄露等,再根据缸内远后喷再生性能特点进行再生性能优化.为了排除发动机初始状态对D P F再生过程的影响,进入再 生 前 均 首 先 需 要 切 换 到 单 主 喷 高 温 工 况 运 行 m i n以上,以消除在排气管中未燃的HC泄露,再切换单主喷低温工况(D O C前温度 )保 证 基 本 一 致 的D P F再生初始温度.缸内远后喷与排气管喷油再生性能对比 WH T C循环再生过程对比当车辆长期运行在轻载低速工况下,或者车辆频繁启停,发动机排气温度长时间低于 ,后处理长时间不具备有效的被动再生条件,D P F内的积碳越来越多,根据再生策略要求进行主动再生.以国六全球统一的瞬态循环WHT C循环(W o r l dh a r m o n i s e d t r a n s i e n t c y c l e)进行缸内远后喷及排气管喷油的行车再生过程对比.两种方式再生参数统计对比见图所示,截取连续WHT C循环中 s至 s再生开始至再生结束时间段进行对比,分别见图、图、图所示.两种再生方式均可以在两个连续WHT C循环内可以完成,缸内远后喷再生时间比排气管喷油长约,在D O C入口温度及再生油量基本一致的前提下,缸内远后喷再生效率较低,HC泄露有四个较大峰值,相对于排气管喷油增大了四倍多,两个WHT C循环油耗量增加.缸内远后喷再生效率低与后喷缸内喷射频次高、小油量加电时间精度不高、缸内喷射容易附着在缸套上等因素有关.图WH T C循环不同再生方式再生参数统计对比图WH T C循环两种再生方式H C泄露对比图WH T C循环两种再生方式D O C入口温度对比图WH T C循环两种再生方式再生油量对比如果发动机D O C后的HC泄露量过大,容易覆盖到S C R载体表面,影响S C R的转化效率,且若后处理后尾排HC泄露量过大,在低温时容易形成大量可见白烟,并伴随刺激性气味,会造成二次污染,因此应尽量降低再生过程中HC泄露量.图所示为WHT C循环部分区域D O C上游氧浓度与HC泄露关系示意图.由图可知,HC泄露峰值一般出现在突加速过程氧浓度较低的瞬间工况,并稍有滞后.因此提升D O C上游瞬态循环氧浓度或在低氧浓度下减小再生喷油量是降低再生过程HC泄露的有效手段.内燃机与配件w w w n r j p j c n图缸内远后喷行车再生H C泄露与氧浓度关系柴油机瞬态工况下由于废气涡轮增压器存在滞后现象,导致进气延迟,突加速随着负荷增大,喷油量增大,缸内空燃比急剧下降,燃烧恶化,D O C前氧浓度降低.故控制不同工况下合理的油气配比关系,即低进气量下减少主喷油量,是可以提高瞬态循环的氧浓度的,但是会降低发动机扭矩响应,加速性能变差,因此优先选择通过低氧浓度下减小再生喷油量的手段来降低缸内远后喷再生过程D O C后HC泄露峰值.利用D O C上游的氧浓度信号若设定氧浓度下缸内远后喷再生油量为,进行限制再生油量性能对比,见图所示.由图可知,经过低氧浓度下限制再生油量后所有较大HC峰值明显降低,降幅 以上,但再生时间又延长,两个WHT C循环油耗基本没有变化,再生时长及油耗等对比见图所示.图缸内远后喷限制再生油量前后H C泄露对比图WH T C循环不同再生方式再生参数统计对比虽然缸内远后喷经过限制低氧浓度下的再生油量后HC泄露降低明显,可靠性大幅提升,但是相对于排气管喷油再生时间长延长,HC泄露峰值增大一倍,油耗稍有增大.整车轻载国道路谱再生过程对比基于以上缸内后喷标定数据,在台架上模拟整车轻载国道实际路谱,进行缸内远后喷及排气管喷油行车再生过程性能对比.轻载国道是自卸车典型工况中排温较低的路谱,因此采用此路谱模拟行车再生过程基本可代表整车行车再生特性.整车轻载国道实车路谱行车再生对比结果见图、图 和图 所示.与WHT C循环相似,虽然远后喷再生经过了再生限油,但D O C后HC泄露峰值仍然比排气管喷油增大了约,再生时长和油耗增加不大.缸内远后喷因为限制再生油量,D P F入口温度稍有偏低.图 整车轻载国道路谱两种再生方式再生参数对比图 整车轻载国道路谱两种再生方式D O C后H C泄露对比图 整车轻载国道路谱两种再生方式D P F入口温度对比总结()基于WHT C循环,相同热管理前提下,缸内远后喷相对于排气管喷油D O C后HC泄露增大四倍多,再生持续时间偏长,油耗偏高.()通过限制低氧浓度下的再生油量,缸内远后喷D O C后HC泄露可明显降低,但是相对于排气管喷油HC泄露仍然偏高一倍,且再生时间进一步延长.实车路谱呈现出相同特点.()鉴于缸内远后喷再生过程HC泄露高,后续研究提高小油量加电时间精度与HC泄露的关系.参考文献:贺泓,翁端,资新运柴油车尾气排放污染控制技术综述J环境科学,():张鹏超,宋崇林,吴兆阳,吕刚 D P F主动再生过程中缸内远后喷策略对柴油机排放及D O C温升特性的影响J内燃机工程,():刘宏威,张凯凯,姚广涛,张卫锋,资新运采用缸内后喷和排气管喷油的D O C辅助D P F再生技术的研究J汽车工程,():李顶根,朱红雨,成晓北柴油机D O C辅助D P F再生燃油 喷 射 规 律 的 优 化 J车 用 发 动 机,:张德满,马士虎,王晓东,汪正清,李伟,鲍晓峰,李凯D O C辅助D P F再生的二次污染研究J车用发动机,:丁云龙,刘忠长,张龙平,田径,牛吉祥加载停滞时间对柴油机瞬态性能的影响J车用发动机,: