柴油机尾气后处理系统再生辅助进气的研究.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n柴油机尾气后处理系统再生辅助进气的研究魏起森(天津现代斗山发动机有限公司,天津 )摘要:装D P F的柴油机再生时常会遇到再生失败、D P F载体熔融、润滑油稀释等问题.本文通过对以上问题深入研究发现再生时提供额外的新鲜空气不仅能保障再生顺利进行,还能优化再生过程中存在的问题.再生辅助进气就是在柴油机后处理处于再生阶段时给后处理系统提供新鲜空气.该系统是根据发动机运行工况和后处理温度来决定提供额外新鲜空气的时刻和用量.满负荷或中等负荷以上,发动机本身的热负荷较大,排温也较高,再生辅助进气正常工作.小负荷或者长时间怠速时,再生不能进行,该系统就不工作.关键词:柴油机;颗粒捕集器(D P F);再生;再生辅助进气中图分类号:T K 文献标识码:A文章编号:X()R e s e a r c ho nR e g e n e r a t i v eA u x i l i a r yF r e s hA i rS y s t e mi nD i e s e lA f t e r t r e a t m e n tS y s t e mW e iQ i s e n(T i a n j i nH y u n d a iD o o s a nE n g i n eC o,L t d,T i a n j i n )A b s t r a c t:R e g e n e r a t i o no fd i e s e l e n g i n ew i t hD P Fo f t e ne n c o u n t e r sm a n yp r o b l e m s,s u c ha s r e g e n e r a t i o n f a i l u r e,D P Fc a r r i e rm e l t i n ga n d l u b r i c a t i n go i l d i l u t i o na n ds oo n T h r o u g h i n d e p t hs t u d yo f t h ep r o b l e m s,d u r i n gt h er e g e n e r a t i o n,s u p p l y i n gf r e s ha i r t ot h ea f t e r t r e a t m e n t s y s t e mi sb e t t e r f o r r e g e n e r a t i o n,a n da l s oo p t i m i z i n gt h ep r o b l e m se x i s t i n g i nt h e r e g e n e r a t i o np r o c e s s A u x i l i a r ya i r s y s t e ms u p p l y f r e s ha i r t oa f t e r t r e a t m e n t s y s t e mw h e ne n g i n e i s i nr e g e n e r a t i v e s t a t e A c c o r d i n g t o t h e l o a do f e n g i n e,A u x i l i a r ya i r s y s t e ms u p p l yd i f f e r e n t f r e s ha i rd o s ea td i f f e r e n t t i m e U n d e r f u l l o rm o d e r a t e l o a dc o n d i t i o n,A u x i l i a r ya i r s y s t e mc a nw o r kn o r m a l l y,m i n i m u ml o a do r l o wi d l e,A u x i l i a r ya i rs y s t e mc a n ntw o r kK e yw o r d s:D i e s e l;D P F;R e g e n e r a t i o n;A u x i l i a r ya i rs y s t e m作者简介:魏起森(),河南遂平人,男,汉族,硕士,研究方向内燃机.引言目前由于国内国V I法规的全面实施,轻型柴油机尾气中颗粒(PM)单靠缸内净化已经远远不能满足法规要求.因此许多厂家开始使用颗粒捕集器(D P F)来净化发动机尾气以促使排放达到法规要求.通过在尾气处理中加装颗粒捕集器这个有效手段净化尾气已经越来越被广大轻型发动机厂家接受,该方法不需要对发动机结构做大的调整,仅仅需要在布局上做一些改动即可,改动变化小,改动成本低,经济效益好,特别是在疫情肆虐的当下,该方案更符合现阶段的国情.现有的颗粒捕集器(D P F)再生方式现阶段D P F的再生方式主要有电加热再生和发动机后喷再生这两种主要的方法,而且后喷技术也是目前降低柴油机污染物排放的有效手段.电加热再生优点是再生过程简单、再生中不需要额外燃油,也就是发动机不需要后喷,对再生发生的条件和时间要求不多,优点明显.但是,电加热再生结构复杂,颗粒捕集器(D P F)需要额外布设电路,还需要专门的电源供电,生产和使用成本高,因此缺点同样明显.发动机后喷再生也分两种方式,一种是再生时,发动机缸内喷油结束后,在活塞接做功冲程近下止点时喷出一部分燃油,这部分燃油与缸内高温废气相遇气化氧化后被排出缸外,在经过选择性催化氧化器(D O C)后温度进一步升高,高温尾气进入颗粒捕集器(D P F)可以氧化累计的碳颗粒,就是再生.此种方法优点是发动机不需要重新设计,整体布局不变,也不需要额外的其他部件,经济实惠.缺点是再生是由于是缸内后喷,极易导致燃油进入润滑油中,润滑油稀释的问题.同时也存在再生时可能尾气中氧含量不足,再生发生的慢,再生时间延长.但是这种方式缺点也明显,主要有二,一是再生中由于发动机的后喷,很可能后喷的燃油不能全部排出缸内;二是通过气缸壁流到润滑油中,稀释润滑油,降低润滑油粘度,影响发动机旋转件的润滑效果,严重者会导致发动机损坏.另一种后喷再生是在选择性催化氧化器(D O C)前端安装一个喷嘴,当颗粒捕集器(D P F)中碳载量达到再生条件时,通过安装在选择性催化氧化器(D O C)前端的喷嘴喷油,燃油与高温尾气后气化氧化,在经过选择性催化氧化器(D O C)时进一步氧化,升温,升温后的尾气进入颗粒捕集器(D P F)氧化捕集的碳,达到清除积碳的目的.此种方法的有点是直接排除了燃油进入润滑油中的难题,从根本上杜绝了润滑油稀释的问题.但是缺点是需要布置后喷管路和燃油压力泵,需要增加喷嘴和安装位置及控制系统,发动机安装也需要从新布置,改动较大.通过后喷实现颗粒捕集器(D P F)再生的两种方式除 年第 期了各自存在缺点外,都存在一个共性的缺点,就是没考虑再生时尾气中氧气含量低的问题.再生时后喷的燃油经过选择性催化氧化器(D O C)消耗点一部分残存氧气提升尾气温度,高温的尾气点燃颗粒捕集器(D P F)中的碳,但是尾气中本来残存的氧气就少,一部分还被后喷的燃油消耗,剩余的氧气才能与颗粒捕集器(D P F)中的碳发生氧化反应.由于氧气的不足,颗粒捕集器(D P F)中的碳氧化完全需要更长的时间,很可能使再生时间加长,后喷也相应的延长.这样不但增加燃油消耗,提高使用成本,发动机排放的尾气也增大,对环境不友好.如果再生时增加尾气中的氧含量,能大大的加速颗粒捕集器(D P F)中的碳的氧化速率,缩短再生时间,节省后喷油量.对缸内后喷来说会更有利,不仅能节省了后喷燃油量,还能降低燃油进入到润滑油中的风险,减小润滑油稀释率.再生辅助进气系统的构成为实现再生时增加尾气氧含量这一目标,特设计一组进气管路即再生辅佐进气系统,从增压器压气机出口取增压后的新鲜空气,经过受控节流阀,管路连接后处理选择性催化氧化器(D O C)前端.该系统各部件的具体流程图见图:图新鲜空气从空滤器进入增压器,经过增压后空气的温度和压力提升,再生时根据需要打开电控调节阀,压缩后的高温、高压空气通过连接管路进入排气尾管,由于含氧量提升,选择性催化氧化器(D O C)能快速氧化尾气中的后喷燃油形成的HC有机物,快速提升尾气的温度,接下来高温的尾气进入颗粒捕集器(D P F),对积累的碳颗粒快速氧化,缩短再生时间,提升再生效率.系统安装示意图见图,系统包含的各个部分的功能介绍如下:图空气滤清器,与发动机共用,作用是过滤空气中的灰尘、水汽等杂质,确保干净的空气进入发动机及后处理中;增压器的作用是将过滤后的空气压缩以提高进入发动机的空气的密度,由于取气在中冷器前,还可以提升输入到后处理中的空气温度;连接管道,其进气端连接至所述增压器的输出端,出气端连接于所述颗粒捕集器前端,用于将过滤并增压以后的高温空气输送至后处理尾管中;电控调节阀,安装在所述连接管道内部,不再生时关闭,再生时根据发动机运行工况及尾气含氧量电控调节阀时时调整空气流量,确保后处理中氧含量始终能满足催化氧化的最佳状态.选择性催化氧化器(D O C)在该系统中主要作用是提升尾气温度,便于再生时颗粒捕集器(D P F)碳颗粒充分氧化.颗粒捕集器(D P F),用于捕捉内燃机废气中的颗粒物并通过使所述颗粒物燃烧完成再生.研究再生辅助进气系统的目的设计再生辅助进气系统目的是解决再生时尾气流中氧气含量不足导致再生不能发生或再生时间过长的问题.当颗粒捕集器(D P F)碳载量达到再生要求,其他再生条件也满足时后处理系统进行再生,但控制系统检测到尾气中氧含量不足,影响再生顺利进行时,电控系统通过调节V G T增压器涡轮叶片开度,改变增压器转速来增大增压器压气机压比提高新鲜进气量,增大的气量用来补充到后处理中,为再生提供额外的氧气,辅助再生顺利进行.该系统使用需要结合发动机的运行工况进行标定.标定总思路是根据后处理排温来决定电子调节阀的开度,即控制新鲜空气进入后处理系统是适量的.进入到后处理的高温、高压新鲜空气不仅能增加后处理对气体污染物、碳颗粒的氧化速率,还能适当降低后处理的热负荷.试验中发现高负荷状态下增压后的新鲜空气基本上在 左右,低于该工况下后处理的表面温度,对后处理有降温的效果,但也不影响后处理的催化效率.再生辅助进气系统的作用及影响再生分为主动再生和被动再生,主动再生是控制系统自身检测到颗粒捕集器(D P F)中碳载量达到设定的再生标准,在满足其他再生条件下(比如车速、尾气温度等)自发进行再生,当达到再生结束条件时(比如碳载量下降到设定值以下、尾气温度低于设定值等)自发停止,整个过程不需要人为干预.被动再生不受控制系统和人为的影响,仅仅是排气温度达到颗粒捕集器(D P F)中碳颗粒的燃烧点而自发进行的氧化反应.被动再生发生在发动机正常运转阶段,没有额外的后喷,不受系统控制的自发的氧化反应.被动再生有诸多优点,有利减少碳载量、有利于减少主动再生次数从而提高燃油经济性,因此在发动机使用时应关注被动再生.不论主动再生还是被动再生,都是需要氧气来氧化后处理中的碳颗粒,差异是主动再生由于后喷的存在可能会导致尾气中氧含量不足,被动再生没有后喷,尾气中氧含量应高高一些.但由于氧气是氧化剂,适当补充会加速氧化反应的发生.由此可知再生辅佐进气系统对后处理的内燃机与配件w w w n r j p j c n主动再生和被动再生顺利进行均有帮助.再生辅佐进气系统对主动再生的影响:由于再生时发动机的运行工况并不统一,因此该系统高效工作需要细分发动机不同的工况.发动机高负荷运行状态下再生时,此时发动机的排温高,热负荷也大,由于柴油机是扩散燃烧,大量的燃油喷入缸内,肯定会出现局部氧气不足的现象,高温、高压、缺氧条件下会有大量的碳颗粒直接从油滴中析出,产生碳颗粒.会出现一边再生一边又产生碳颗粒的情况.这无疑会延长再生时间,还会导致润滑油过分稀释.同时还存在发动机排气背压大,影响动力性,又进一步增高了发动机的热负荷.运用该系统能很好的优化此种再生局面,根据发动机运行工况当电控调节阀适当打开后,新鲜的高温、高压空气进入后处理系统,空气中的氧气不仅能给选择性催化氧化器(D O C)提供额外的富裕氧气,充分氧化尾气中的有机物,提高尾气温度,还能给颗粒捕集器(D P F)提供额外的氧气,加速氧化碳颗粒,保障再生迅速完成.高负荷状态下发动机的排温很高,此时部分新鲜空气注入后处理还有利于降低选择性催化氧化器(D O C)的表面温度,增加使用寿命.发动机运行在中等负荷工况下时,由于排气温度不是太高,且柴油机是富氧燃烧,尾气中有相当的氧气供选择性催化氧化器(D O C)氧化HC化合物,以及氧化颗粒捕集器(D P F)中的碳颗粒.此种状态下应根据后处理温度和积碳量来打开电控调节阀开度和时间.也应防止新鲜空气降低后处理尾气的温度.发动机中、低等负荷及怠速运行时负载量不大,燃油消耗也相应低,由于柴油机缸内燃烧特性,尾气中氧含量较多.此时电子调节阀应根据后处理温度决定开启时间和开启幅度.后处理的催化温度较低,因此后处理低于该温度电子调节阀应该关闭,以免降低后处理温度影响催化效率.再生辅佐进气系统对被动再生的影响:再生辅佐进气系统对被动再生的影响:发动机运行在高负荷工况下时,被动再生常发生在发动机排温高的阶段,一旦排温超过碳颗粒的燃点,颗粒捕集器(D P F)里累积的碳颗粒在尾气氧含量富裕的情况下有可能被氧化.但是发动机排温高的工况常发生在高负荷状态下,此时发动机接近满负荷运转,缸内喷油有可能来不及充分燃烧就析出碳颗粒,因此会出现一边被动再生,一边又有大量的新产生的碳颗粒累计在颗粒捕集器(D P F)中.针对此种情况,该系统就是一个很好的解决方案.通过被动再生减少颗粒捕集器(D P F)中的碳颗粒,从而延长再生间隔,减少再生次数,达到节油的效果.当发动机排温达到一定温度,根据发动机运行工况电控调节阀适当打开,一部分新鲜空气进入后处理,在高温条件下氧气在选择性催化氧化器(D O C)中充分与尾气中的有机物(HC)氧化并产生大量的热,高温的尾气中含有大量的氧气,在颗粒捕集器(D P F)中与碳颗粒充分氧化,从而达到再生的效果.发动机运行在中低负荷及怠速工况下时,由于发动机排气温度较低,一般在后处理阶段低于 ,远低于碳颗粒的燃点,因此此种条件下被动再生不会发生.结论随着装配有颗粒捕集器(D P F)的柴油车越来越多的进入市场,颗粒捕集器(D P F)再生时常见的载体熔融多次再生失败导致的D P F堵死及机油稀释等等问题会越来越突出,应引起人们的关注.为了减少这些常见问题的发生,柴油机再生辅助系统从以下方面对再生进行了优化:()柴油机高负荷条件下,在主动和被动再生中,再生辅助系统都能提供给后处理额外的新鲜空气,能促进后处理对气态污染物和碳颗粒的氧化转化效率.高负荷下柴油机必然高热负荷,新鲜空气对后处理载体表面也有一定的冷却作用.()柴油机中低负荷下,主动再生时能提供适量的额外新鲜空气来加速后处理对污染物的氧化,促进再生顺利进行.()有利于缩短再生时间,相应的再生后喷时间也缩短,机油稀释也得到改善()柴油机怠速时,再生辅助系统对后处理的再生影响有限.参考文献:贺继龄 黄辉阳 采用缸内二次后喷再生技术的D P F入口温度研究与验证 汽车与驾驶维修(维修版);,页 曹东晓、张俊、郭帅杰等D P F主动再生柴油喷雾氧化的试验及模拟研究 内燃机工程 ,页 袁守利,杜传进,颜伏伍 基于添加剂和电加热的柴油机D P F再生技术研究 车用发动机 ,页 吴凤英,王占成,徐斌等 柴油机颗粒捕集器(D P F)再生技术法分析 大气污染防治 ,页 姜鹏飞,李延昭,闫伟等 可变截面涡轮增压器喷嘴叶片小开度流动特性 内燃机与动力装置 ,页 万桂琴 琴肖肖D P F再生技术的分析和研究 轻型汽车技术 (),页 仝畅,刘晓日,陈林睿等 散热参数对D P F温度的影响内燃机与动力装置 ,页