基于乙醇氧化的DOC輔助DPF再生技術可行性研究

唐粵清，張春潤，井 磊，鄧成林，錢仁軍

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 裝備保障系，天津 300161；3.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

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基于乙醇氧化的DOC輔助DPF再生技術可行性研究

唐粵清1，張春潤2，井 磊1，鄧成林3，錢仁軍1

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 裝備保障系，天津 300161；3.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

柴油車顆粒物排放問題是限制柴油車進一步推廣的重要因素。在排氣管噴油再生技術基礎上，提出一種基于氧化型催化轉化器(DOC)氧化乙醇輔助柴油車顆粒物捕集器再生方法。對DOC氧化乙醇輔助再生技術的可行性、乙醇氧化的起始溫度和乙醇氧化的溫升效果進行試驗。結果顯示：DOC入口溫度大于235 ℃時，對乙醇氧化效率較高，具有很好的升溫效果，能夠滿足DPF再生的溫度要求，表明該技術路線具備很好的可行性。

柴油機；乙醇；顆粒物；DPF再生

隨著柴油車顆粒物排放的日益增加，排放法規對顆粒物排放限制日益嚴格，柴油車顆粒物污染成為汽車排放領域的重要問題[1]。柴油機顆粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)公認是處理柴油車顆粒物排放最有效的措施，但是在使用過程中，隨著過濾體捕集的顆粒物的增加，導致發動機排氣背壓升高，會對發動機性能產生不良的影響，因此需要周期性地對DPF進行再生[2]。正常情況下，顆粒物氧化溫度為600 ℃，而絕大多數運行工況下，柴油機排氣溫度低于400 ℃[3]。國內外對多種DPF再生技術進行了研究，主要是通過噴油助燃[4]、微波加熱、紅外加熱等方法提高排氣溫度，但各種再生方法都有不足之處。微波加熱和紅外加熱設備較復雜，而且DPF內部溫度不易控制，容易損壞過濾體；噴油助燃再生對柴油霧化效果要求較高，容易產生積碳或冒白煙現象。

乙醇作為一種可再生能源，具有易制取、易保存、易揮發、易氧化而且是含氧燃料等優點，更適合用于提高排氣溫度，氧化捕集器中的顆粒物，實現DPF再生。本文對正常排氣溫度下乙醇能否較好地被氧化以及乙醇氧化釋放的能量能否使DPF入口溫度達到顆粒物起燃溫度進行研究。

1 再生系統與試驗平臺設計

將再生系統安裝在氣道試驗臺上進行可行性驗證。氣道試驗臺只對排氣的流量和排氣溫度進行控制，同時利用溫度傳感器對DOC出口溫度進行測量。

1.1 再生系統設計

利用氣泵的壓力在排氣管道內噴射乙醇，在噴射壓力和排氣溫度的作用下使乙醇較好地霧化，利用氧化型催化轉化器(diesel oxidation catalyst, DOC)將乙醇蒸氣氧化，利用乙醇氧化釋放的大量熱量使DPF入口溫度提高至600 ℃以上，從而使捕集器中的顆粒物氧化，實現DPF再生。乙醇氧化輔助DPF再生系統原理如圖1所示。

圖1 乙醇氧化輔助DPF再生系統原理

圖2所示為DPF再生系統結構框圖，再生系統主要由氣助式乙醇噴射模塊、氧化催化轉換器、顆粒捕集器和相關的溫度、壓力、氧濃度傳感器組成。再生系統利用氣泵泵氣提供乙醇噴射壓力，氣體流經穩壓閥后分為兩路，一路提供穩定的乙醇噴射壓力，一路經穩壓閥后提供穩定的輔助空氣壓力，通過計量閥對乙醇噴射量進行精確控制，通過控制器對電磁閥進行控制，進而控制氣泵，確保儲氣罐氣壓穩定在一定范圍。乙醇的噴射由二位二通閥和計量閥占空比進行控制，乙醇噴射量根據系統傳感器采集的信息進行反饋調節。

圖2 乙醇氧化輔助再生系統結構

再生系統是由DOC和DPF耦合而成的一套后處理裝置，其主要的技術參數見表1。

表1 后處理裝置技術參數

1.2 氣道試驗臺

為使試驗條件可控，試驗在氣道試驗臺上進行，氣道試驗臺可以很好地用于模擬尾氣的流量條件和溫度條件。如圖3所示為氣道試驗臺布置圖，氣道試驗臺由鼓風機、加熱箱、流量計、變頻控制箱、溫度控制箱、氣體管道以及再生系統組成。該試驗臺可以通過流量計和變頻控制箱對管路中的氣體流量進行反饋控制，利用加熱箱中的加熱電阻對管路流出的氣體進行加熱，通過溫度控制箱對加熱箱出口處氣體溫度進行精確控制。

圖3 氣道試驗臺布置

2 再生可行性試驗

將氣道試驗臺氣體流量設置為140 m3/h,該流量下空速比適中，主要研究不同DOC入口溫度時，DOC出口溫度隨乙醇噴射量而變化的關系。試驗前已經對計量閥的乙醇噴射量進行標定，乙醇噴射壓力為300 kPa，輔助空氣壓力為150 kPa，計量閥標定數據見表2。

試驗中乙醇氧化效率根據能量守恒定律進行估算，當DOC出口溫度達到相對穩定時，DOC系統的能量處于動態平衡，即乙醇氧化釋放能量的功率和DOC系統流出能量的功率相等。DOC系統流出能量的功率計算式為

PΔΤ=Vexh·ρ·Cexh·ΔΤ+ΔΡ

(1)

式中：Vexh為排氣體積流量，m3/h；ρ為排氣的密度，kg/m3；Cexh排氣的比熱容，J/(kg·℃)；ΔT為DOC前、后的溫差，℃；ΔP為DOC散熱的功率，J/h。

表2 乙醇計量閥標定數據表

DOC氧化乙醇釋放的熱功率Peth可根據下式計算：

Peth=Q·qeth

(2)

式中：Q為計量閥噴射速率，kg/h；qeth為乙醇燃燒熱，J/kg。

根據能量守恒可以計算出DOC平衡時DOC前、后的理論溫差，根據實際溫差與理論溫差的比值，可以判斷乙醇的氧化效率。

2.1 DOC氧化乙醇起始溫度試驗結果及分析

如圖4所示為DOC入口溫度對DOC氧化乙醇后出口溫度的影響關系，氧含量下降時刻對應乙醇噴射計量閥參數改變時刻。從圖中可以看出，當乙醇計量閥開始噴射乙醇時，氧濃度開始下降，這是因為乙醇氧化會消耗部分氧氣，而且乙醇氣體也會占用管道中的一部分體積，從而導致氧氣體積分數下降。圖中DOC出口溫度在上升一段時間后基本保持穩定，這是因為乙醇氧化釋放的能量一部分被DOC載體吸收，一部分通過DOC表面散失到空氣中，一部分被管道內流動的氣體帶走。隨著DOC載體溫度逐漸升高，乙醇氧化釋放的熱量逐漸增大，DOC載體的溫度越來越高，DOC傳遞給空氣的熱量和流動氣體帶走的熱量會越來越多，最終會達到一個相對穩定的狀態，此時乙醇氧化釋放的熱量與DOC系統散失的熱量達到平衡。DOC不同入口溫度時出口平衡溫度見表3。其中，DOC入口溫度為215 ℃時DOC出口溫度達到平衡的時間最長，這是由于在乙醇氧化過程中DOC后端溫度逐漸升高，而在DOC載體溫度升高的溫度范圍，恰好是DOC氧化乙醇能力提升較快的溫度范圍，從而導致出口溫度達到穩定用時較長。

表3 DOC不同入口溫度時出口平衡溫度 ℃

根據式(1)(2)進行估算，DOC出口溫度相對穩定時DOC入口與DOC出口理論溫差為60 ℃，DOC入口溫度依次從265 ℃到165 ℃，DOC入口與平衡時出口溫度差依次是58、53、51、20、13 ℃，因此，當DOC入口溫度大于215 ℃時，隨著乙醇氧化使DOC溫度逐步變高，根據平衡時DOC前、后溫差與理論溫差的比值可以判斷乙醇氧化效率可以達到85%以上，但215 ℃時DOC后溫度上升時間長，該過程中可能產生污染氣體較多，因此考慮至少235 ℃時開始進行乙醇噴射。

(a)入口溫度265 ℃溫度曲線

(b)入口溫度235 ℃溫度曲線

(c)入口溫度215 ℃溫度曲線

(d)入口溫度185 ℃溫度曲線

(e)入口溫度165 ℃溫度曲線圖4 DOC入口溫度對DOC升溫效果的影響

2.2 DOC氧化乙醇溫升試驗結果及分析

根據乙醇氧化起始溫度試驗數據確定DOC入口溫度為235 ℃時可以進行乙醇噴射，乙醇噴射量由計量閥占空比控制，試驗中計量閥占空比分別是0、10%、25%、40%、55%、70%和85%。如圖5所示為出口溫度隨乙醇噴射量變化的關系。氧含量下降時刻對應乙醇噴射計量閥參數改變時刻。由圖可知，該入口溫度條件下，計量閥占空比的變化導致DOC出口溫度成階梯狀，每一階梯的溫度達到最高點后基本達到平衡，這是乙醇氧化釋放的熱量與氣流帶走的熱量與系統散熱之和達到平衡的結果；DOC出口溫度通過噴射乙醇可以使DOC出口溫度即DPF入口溫度達到730 ℃，可以滿足DPF再生的溫度要求。只考慮乙醇氧化升溫階段時間，3 min內可以將DOC出口溫度提高至650 ℃。

圖5 乙醇噴射量對DOC升溫效果的影響

3 結 論

(1)DOC入口溫度對乙醇氧化效率影響較大，在DOC溫度大于235 ℃的情況下，DOC氧化乙醇升溫效率較高，可以開始進行乙醇噴射。

(2)DOC入口溫度滿足乙醇氧化的初始溫度時，可以通過噴射乙醇快速將DOC出口即DPF入口溫度升高至DPF再生溫度，滿足DPF再生需要。

(3)該再生系統能滿足DPF再生的需求，并且對原始排氣溫度的要求相對有所降低，對于DPF車載實時再生具有更廣的適應性，對DPF再生技術的研究具有一定的借鑒意義。

[1] JOHNSON T. Review of vehicular emissions trends[J]. SAE Int. J. Engines:2015, 8(3), doi:10.4271/2015-01-0993.

[2] 張春潤,姜大海.柴油機排氣微粒捕捉器燃氣再生技術的研究[J].內燃機學報,2002,20(5):391-394.

[3] KOTRBA A, BROCKMAN A, MARTIN S, et al. Secondary fuel injection layout influences on DOC-DPF active regeneration performance[J]. SAE Int. J. Commer.Veh. 2013,6(2), doi:10.4271/2013-01-2465.

[4] 劉宏威,張凱凱,姚廣濤,等.采用缸內后噴和排氣管噴油的DOC輔助DPF再生技術的研究[J].汽車工程,2015,37(4):391-395.

(編輯：張峰)

Feasibility of DPF Regeneration Technology with DOC Ethanol Oxidation

TANG Yueqing1， ZHANG Chunrun2， JING Lei1， DENG Chenglin3， Qian Renjun1

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 2.Equipment Support Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 3.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Particulate matter emission is a restriction for popularizing diesel vehicles. This paper proposes a regeneration technology for diesel particulate filter (DPF) with diesel oxidaton catalyst(DOC) on the base of exhaust pipe oil injection regeneration technology, and tests the feasibility of regeneration technology with DOC ethanol oxidation, and initial temperature and heating effect of ethanol oxidation. The result shows that DOC ethanol oxidation has high efficiency and great heating effect while DOC inlet temperature is above 235℃ and can meet the requirement of DPF regeneration, which can prove the feasibility of this technology.

diesel; ethanol; particulate matter (PM); DPF regeneration

2016-04-25；

2016-05-24．

國家高技術研究發展計劃項目(2013AA065303).

唐粵清(1992—)，男，碩士研究生；

張春潤(1957—)，男，博士，教授，博士研究生導師.

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.012

TK421．5

A

1674-2192(2016)11- 0049- 05