微粒捕集器再生技術的試驗研究*

姚廣濤，張 程，何錦勇，黃利平，張衛鋒，毛 明

(軍事交通學院汽車工程系，天津 300161)

前言

柴油機以其優良的動力性、燃油經濟性和高可靠性在交通運輸領域得到了廣泛的應用。與汽油機相比，雖然柴油機的CO、HC排放量較低，NOx排放略高于汽油機，但是其PM排放量遠高于汽油機，是柴油機最主要的排氣污染物，也是機動車PM排放的主要分擔者［1－2］。

DPF技術是目前國際上公認有效的柴油機微粒排放后處理技術［3］，該技術現在處于系統優化和降低成本的階段［4－5］。

DPF的再生問題一直是制約DPF技術推廣應用的瓶頸。DPF結合DOC技術是目前被廣泛采用的一套柴油機排氣凈化技術路線［6］。HC通過DOC可使發動機排氣溫度提升至PM起燃溫度，從而實現DPF的再生。使DOC開始工作的措施包括使用缸內技術如缸內后噴，和使用缸外技術如DOC前加噴燃油。由于目前國產電控柴油機噴射控制系統多數為國外匹配，因此國內實現缸內后噴受到一定制約。為此本文中選擇在DOC前噴射燃油的方式使DOC工作，并自主設計了一套燃油噴射裝置，其霧化效果較好，可以輔助燃油快速蒸發，同時為DOC工作提供一定量的氧氣，對于氧化催化反應的進行和再生效率的提高有很好的促進作用。

1 工作原理

伴隨著DPF內捕集PM的增多，要去除PM，即DPF的再生。在不采取任何措施的情況下，通常發動機排氣溫度很難達到DPF的再生溫度。通過設計的試驗裝置，使發動機排氣經過兩級升溫后達到DPF的再生溫度，從而實現DPF的再生。

試驗選用涂覆有某種催化劑的DPF，其起燃溫度為500℃，快速反應溫度為550℃，DOC的起始工作溫度為250℃。當不進行DPF再生時，DOC和DPF正常工作，發動機按正常工況運轉。當要對DPF進行再生時，首先通過提高發動機轉速或增加負載等措施使發動機排氣溫度達到250℃，實現一級升溫，使DOC開始工作;在DOC前噴射燃油和新鮮空氣，DOC通過氧化催化反應，使排氣溫度提升到550℃，實現二級升溫，使DPF快速實現再生。

2 試驗系統的組成和搭建

試驗系統由發動機、DPF、DOC、燃油霧化噴射系統、溫度傳感器、壓差傳感器和控制器等組成。

圖1為試驗系統組成示意圖，圖中T1、T2、T3為3支溫度傳感器，P1為壓差傳感器，噴嘴即為燃油霧化噴射系統中的噴嘴。

試驗發動機的主要參數如表1所示。

表1 試驗用發動機主要參數

燃油霧化噴射系統主要構成部件有:燃油箱、壓力腔、二位三通閥、調壓閥、混合腔、計量閥和噴嘴等，圖2為燃油霧化噴射系統結構示意圖。

燃油霧化噴射系統工作時，從氣源過來的壓縮空氣分兩路，一路經調壓閥2到混合腔，再到噴嘴;另一路經調壓閥1，通向兩個二位三通閥，在控制器的控制下，二位三通閥交替工作，壓縮空氣也交替通向兩個壓力腔。在系統不工作時，兩個壓力腔處于與外界大氣環境相通狀態，燃油自動充滿腔體。當系統開始工作時，二位三通閥1工作，二位三通閥2處于斷電狀態，壓縮空氣進入壓力腔1，使燃油在氣體壓力作用下打開單向閥2，先通過計量閥按需噴入混合腔內，再與輔助霧化壓縮空氣混合，并隨其流向霧化噴嘴。經過一定時間的噴射，開啟二位三通閥2，兩壓力腔同時工作一段時間后，使二位三通閥1斷電，1腔不工作，2腔工作，如此交替變換工作，達到連續噴射。

試驗所選用的 DPF材料為堇青石，尺寸為:φ190×200mm，掛煙量為20.5g;所選用的DOC配方Pt與Pd的比例為1∶1，貴金屬涂覆量為80g/ft3，其實物見圖3;溫度傳感器型號為PT200，其輸出信號為0～5V，可耐1 000℃高溫。

3 試驗與結果分析

首先將掛完煙的過濾體按照圖1安裝到試驗系統中;然后將發動機排氣溫度提升至250℃以上，試驗中所選的發動機穩定工況參數為:轉速1 400r/min，轉矩40N·m，功率5.86kW，實際排氣溫度為292℃;再通過控制系統控制燃油霧化噴射系統在DOC前噴射燃油，此刻發現DOC并未開始工作，繼續加大發動機轉速和負載，以便繼續提升排氣溫度，在時間為1 000s以后發現DPF前溫度出現急劇上升，可以判斷此刻DOC參與工作，此時DOC入口溫度為320℃。理論上講，該DPF前排氣溫度達到500℃時，DPF內PM達到起燃溫度開始再生，DPF后溫度達到400℃時即認為DPF再生結束，停止燃油噴射。圖4為試驗中通過上位機軟件所采集到的DPF前后溫度與DPF壓差的關系曲線。

由圖可見:試驗開始，DOC前不噴射燃油時，DPF前后的壓差略高于10kPa;當要對DPF進行再生時，提高發動機的轉速和負載至上述穩定工況，隨著發動機轉速的提高，其排氣流量也逐步增加，DPF前后溫度和壓差均穩定上升，當發動機工況穩定后，三者皆處于基本穩定狀態;當再次提升發動機轉速，DOC開始工作后，在流量和溫度的雙重作用下，DPF前后溫度和壓差出現了短暫的迅速上升，當DPF前溫度達到550℃時，DPF前后壓差開始急劇的下降，即認為此刻DPF快速再生。從圖中還可以看出，一旦DPF開始再生后，在發動機尾氣的輔助下，其再生速度非常快。再生后測量過濾體質量，計算出其再生效率為97%。

4 結論

提出了一種基于DOC升溫的排氣管燃油噴射霧化裝置的柴油機DPF再生技術方案，并在臺架上進行了試驗驗證。設計的燃油霧化噴射裝置應用于DOC工作所需燃油的噴射:一方面增加了燃油的霧化面積，利于燃油的蒸發;另一方面，由于噴射采用的是高壓氣源，可以為DOC工作提供一定量的新鮮空氣，利于氧化催化反應的進行，有助于提高DPF的再生效率。該技術方案可以實現DPF的再生，且其再生效率較高。此外，這種再生方式基本上可以應用于絕大多數的發動機以及發動機的大多數工況，具有一定的實際應用意義。

［1］中國汽車工業協會，國務院發展研究中心產業經濟研究部，中國汽車工程學會，等.中國汽車工業年鑒中國汽車產業發展報告2008［M］.北京:社會科學文獻出版社，2008:12.

［2］中華人民共和國環境保護部.中國機動車污染防治年報(2010年度)［R］.2010:17－18.

［3］Timothy V Johnson.Diesel Emission Control in Review［C］.SAE Paper 2007－01－0233.

［4］Timothy V Johnson.Diesel Emission Control in Review［C］.SAE Paper 2008－01－0069.

［5］Timothy V Johnson.Review of Diesel Emissions and Control［C］.SAE Paper 2010－01－0301.

［6］張德滿，李舜酩，李凱，等.DOC輔助DPF再生方法研究［J］.機械工程學報，2010，46(24):107－110.