急降怠速工况下DPF主动再生温度特性试验研究.pdf

第 卷 第 期 年 月内燃机与动力装置 .收稿日期:基金项目:移动源污染排放控制技术国家工程实验室开放课题()山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目()第一作者简介:王正勇()男苗族重庆彭水人硕士研究生主要研究方向为发动机排放控制:.通信作者简介:白书战()男山东莘县人工学博士教授主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制技术、整机开发及可靠性、新能源汽车技术等:.:./.急降怠速工况下 主动再生温度特性试验研究王正勇杨培兴范宪涛孙柯白书战.山东大学 能源与动力工程学院山东 济南.山东宇洋汽车尾气净化装置有限公司山东 聊城 摘要:为了探究柴油机颗粒物捕集器()在急降怠速()工况下再生时内部温度变化规律开展 试验分析 内部温度场 结果表明:在靠近 出口位置中环以内温度偏高出现最大峰值温度碳载量为 /时最高摄氏温度可达 .在中环到边缘处出现最大的径向温度梯度碳载量为 /时最大径向温度梯度为 /峰值温度和径向温度梯度均随碳载量的增加而增大增大载体烧裂风险堇青石 在碳载量为 /左右时应进行再生碳化硅 的极限碳载量可拓展至 /以上相比堇青石 碳化硅 可减少主动再生频率降低再生油耗提高燃油经济性关键词:温度特性碳载量中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用格式:王正勇杨培兴范宪涛等.急降怠速工况下 主动再生温度特性试验研究.内燃机与动力装置():.():.引言柴油机排气中含有多种大气污染物污染空气严重影响居民身体健康应加以控制 随着排放标准不断升级我国排放标准已经进入国六阶段对颗粒物()排放增加了粒子数量()的要求 仅采取机内净化措施远远不能满足国家排放标准的要求同时采用柴油机颗粒物捕集器()是目前控制 排放最有效的、技术比较成熟的后处理技术当尾气流经 时通过 内的孔道壁面捕集颗粒物净化尾气 颗粒物不断累积 堵塞引起排气背压升高导致发动机动力性和燃油经济性严重下降因此应及时清理 捕集的颗粒物对 进行再生 对 进行再生时应保证其内部温度不超过载体和催化剂的可靠工作温度实现安全可靠再生 但实际应用过程中在再生过程中会出现急降怠速()的情况这时由于排气流量降低 再生释放的热量不能被及时带走内部温度急剧升高严重时可导致载体烧裂和熔融 为确保 再生的安全性对其温度控制尤其重要 国内外学者对 再生安全性的研究较多:等通过改变柴油氧化催化器()前的燃油喷射速率控制 再生温度黄铁雄等通过试验得到安全再生温度曲线研究了再生温度的控制算法提出了采用排气温度和排气流量作为增益补偿的优化再生温度控制器机构陈鹏等对比了不同碳载量、再生温度时降怠速工况下 再生期间对 的过滤效率 等采用实际车辆上使用过的相同规格的 进行试验发现背压并不能完全反映再生效果因为背压可能会降低而 仍可能保留显著的灰分水平等研究发现改善孔隙结构可以提高正常再生下 的氧化速率提高不受控制再生下的 负荷极限 等通过数值模拟方法对 再生进行仿真分析发现在多孔介质的中心区域存在局部高温热应力比较集中容易发生热损伤 等通过试验研究了 工况再生的温度特性基于试验数据建立了可以预测峰值温度和最大温度梯度的模型上述研究对于 工况下 内部的温度场分布不够明确本文中开展一系列 试验分析 在不同碳载量下再生发生 时的温度特性探究碳化硅载体的极限碳载量研究结果可为 再生安全性研究提供参考 试验装置及方法.试验装置本研究中使用.柴油机柴油机型式为直列、缸、水冷其主要技术参数如表 所示表 柴油机主要技术参数缸径/行程/排量/压缩比额定功率/额定转速/()最大转矩/().图 试验台架布局示意图试验台架布局示意如图 所示 试验采用 发 动 机 测 控 系 统 使 用 交流测功机测量发动机转速和转矩 油耗仪测量发动机油耗采用 排气分析仪测量尾气的成分及浓度采用 颗粒分析仪测量、颗粒分析仪测量 采用 精密天平测量 的碳载量 具体试验设备型号及测量精度如表 所示表 试验设备型号及精度设备名称测功机排放分析仪颗粒分析仪颗粒分析仪电子天平型号 精度 转速精度为满量程的.转矩精度为满量程的.满量程的.满量程的.满量程的.后处理系统由 和 组成其主要技术参数如表 所示表 后处理系统主要技术参数后处理系统载体材料规格/目壁厚/直径/长度/体积/堇青石.碳化硅.第 期 王正勇等:急降怠速工况下 主动再生温度特性试验研究 出入口和 两端分别布置了温度传感器和压差传感器实时监测 出入口温度和排气背压 为了在 试验中实时监测 内的温度场变化在 内部布置了 个测点使用 型铠装热电偶进行温度测量 温度测点分布如图 所示 )实物图 )端面示意 )测点位置 单位:图 温度场测点分布.试验方法图 试验流程对碳载量分别为、/的 进行 试验试验流程如图 所示每次试验测量 质量之前对 进行预热处理 为保证一致性每次累碳过程和 试验选择相同的工况 利用世界统一瞬态循环()的前 进行累碳较长时间内涡后排温为 可缩短累碳周期 试验选择转速为 /、转矩为 时触发主动再生采取缸内后喷产生未燃 进入 进行氧化放热使 出口摄氏温度达到 当 出口温度达到目标温度立即进行降怠速再生采集 内部温度场数据直到所有测点温度都开始呈下降趋势试验结束后拆下 检查 是否变形、开裂若 无损坏安装 进行 排放测试根据排放结果进一步确定 是否完好若 无损坏在转速为 /、转矩为 的工况下对 进行清碳处理维持该工况 确保 内累积的微粒被烧干净 之后测量质量进行下一个目标碳载量的 试验 试验结果分析.过程温度场分析不同碳载量下 试验过程中载体的温度变化曲线如图 所示由图 可知:随着碳载量的增加温度峰值表现出增大的趋势并且都出现在 位置碳载量为、/时峰值摄氏温度分别达到.、.、.碳载量为/的 只有 位置的峰值摄氏温度超过 随着碳载量增加整个载体的温度升高/时、位置的摄氏温度均超过 温度峰值出现在靠近出口端面中环以内的位置中环以内温度均较高载体烧裂的风险增加 碳载量为 /时试验中 测点热电偶损坏/时试验中 测点的热电偶损坏但边缘处温度不高不影响对试验结果的分析 内燃机与动力装置 年 月 第 卷图 不同碳载量下载体内部温度变化规律以碳载量为 /的温度曲线进行讨论 经过 发动机工况调整到转速为 /、转矩为 工况 温度有所上升稳定之后趋于平缓(图中 之前的温度平稳期)第 秒第 秒为温度上升期主动再生后喷开始产生的未燃 流经 进行氧化放热热量通过废气带到 导致 温度开始呈现上升趋势达到微粒的起燃温度后微粒开始燃烧氧化释放的热量从上游传递到下游导致下游温度比上游较高并且随着燃烧加剧释放热量增多温度上升速率加快 后 测点温升速率开始增大 剧烈燃烧从中心位置 测点开始原因为中心捕集的碳量多而且最中心位置散热能力最差随着燃烧加剧测点出现第一个温度峰值随着碳量减少废气和热传导带走的热量多于微粒燃烧释放的热量温度开始下降此时发动机转速急降至怠速排气流量大大降低微粒燃烧放出的热量不能被及时带走上游的热量被带到下游由于碳量分布不均匀下游中环以内的微粒先大面积燃烧温度急剧上升之后在 测点处出现峰值摄氏温度最高为 随后温度下降由于热传导和本身所储存微粒燃烧边缘处温度快速上升到峰值后开始下降不同碳载量下 试验过程中轴向摄氏温度梯度的变化如图 所示 由图 可知:碳载量为、/时的最大轴向摄氏温度梯度分别为 、/分别出现在、位置轴向温度梯度并不是很大出现的位置具有不确定性而且随碳载量增加温度梯度没有特别的变化规律 因为轴向燃烧热量从上游传递到下游下游只是相对上游燃烧更加剧烈不会出现燃烧不均匀导致载体烧裂的现象不同碳载量下 试验过程中径向温度梯度的变化如图 所示 由图 可知:碳载量为、/时的最大径向摄氏温度梯度分别为 、/均出现在 位置 由于 中微粒分布不均匀径向燃烧较轴向燃烧更不均匀中环以内的剧烈燃烧相比边缘处早很多在中环以内的温度到达峰值之后下降期间边缘处的温度以更大的温升速率升温导致中环与边缘处的温度梯度最大 相比于轴向温度梯度径向温度梯度大得多并且随着碳载量的增加有增大趋势载体烧裂的风险增加需要重点关注第 期 王正勇等:急降怠速工况下 主动再生温度特性试验研究 图 不同碳载量下载体内部轴向温度梯度图 不同碳载量下载体内部径向温度梯度.试验前后排放结果分析为了进一步确定 试验之后载体是否完好进行 排放测试测试结果如表 所示 由表 可知:次 试验中载体均未被损坏 试验之前的循环排放结果相比积碳之后相对较高分析是因为第一次试验之前 比较干净颗粒容易通过过滤效果较差 随着微粒在 内累积孔道逐渐拥 内燃机与动力装置 年 月 第 卷堵捕集能力提升表 不同碳载量下 试验后 再生 排放结果碳载量/()排放/()排放/(个)(冷态)(热态)(冷态)(热态).陈鹏等只进行了碳载量为、/下的 试验碳载量为 /时载体烧毁碳载量为、/时载体均未损坏并没有考虑碳载量为 /的情况 经本研究可以确定碳化硅 极限碳载量可拓展至 /左右 碳化硅 性能分析 常用的材料有堇青石和碳化硅 种碳化硅成本高于堇青石但性能具有很大优势 碳化硅对温度有更好的耐受能力能够承受更高的温度 在实际应用中 需要频繁再生再生期间由于 内部微粒的氧化放热 内部温度均上升可能超过材料的耐热极限 这个问题在 试验研究中尤为突出主动再生期间急降怠速时在 内部出现较高的温度峰值和较大的温度梯度并随着碳载量增多有增大的趋势 李青等研究发现堇青石 再生时内部的最高燃烧温度和最大温升速率均大于碳化硅 烧损风险更大 堇青石 在碳载量累积到 /左右时需要进行再生否则有烧损风险 本研究中所使用的碳化硅 碳载量在/发生 时仍然完好碳载量是堇青石 的 倍多碳化硅 安全性能更优 碳化硅 安全碳载量限值高在实际应用中碳化硅 可以累积更多的碳相比堇青石 不需要频繁再生因此再生里程长可减少再生累计油耗提高燃油经济性 结论)主动再生急降怠速导致载体在靠近出口端面在中环以内位置出现较大的温度峰值碳载量为 /时峰值摄氏温度可达到 在中环到边缘处出现最大的径向温度梯度碳载量为/时摄氏温度梯度可达到 /温度梯度随碳载量增加而增大增加载体烧裂的风险)循环排放测试结果表明:并没有发生损坏碳化硅 极限碳载量可拓展至 /随着碳烟在 内部的积累 对碳烟颗粒的捕集能力提高)碳化硅 极限碳载量是堇青石 的 倍多碳化硅 的再生里程长可减少再生频率降低再生总油耗提高燃油经济性参考文献:.():.赫炎.更严苛的排放标准逼近.世界汽车():.张韦陈朝辉孔孟茜等.柴油机催化型颗粒捕集器喷油助燃再生特征.农业工程学报():.孟忠伟李鉴松秦源等.再生及其颗粒物数量浓度排放性能的试验.内燃机学报():./第 期 王正勇等:急降怠速工况下 主动再生温度特性试验研究 .:.(/):.王丹.柴油机微粒捕集器及其再生技术研究.长春:吉林大学./.:.唐蛟李国祥郭圣刚等.基于怠速提升的 再生温度控制方法研究.车用发动机():./.:.():.黄铁雄胡广地郭峰等.热再生过程温度控制与试验.内燃机学报():.陈鹏朱磊刘德文等.降怠速再生温度场分布测试及过滤效率分析.内燃机学报():.:.():.():.:.:():.曹莉萍杜毅帆温伯霖等.柴油车颗粒过滤器()基体材料研究进展.中国陶瓷():.李青吕誉陈贵升等.不同材料 的高温极限被动再生特性.内燃机学报():.苗垒陈超.主动再生 工况试验研究.现代车用动力():.:()./././.:(责任编辑:刘丽君)内燃机与动力装置 年 月 第 卷