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燃燒器噴霧參數(shù)對DPF主動再生的影響

2021-12-28 20:36:15·  來源：內(nèi)燃機學(xué)報  
　
柴油顆粒捕集器（DPF, diesel particulate filter）在顆粒物（PM）堆積到一定程度時需要進行氧化再生，包括被動再生和主動再生。通常被動再生不太充分，需要采取
柴油顆粒捕集器（DPF, diesel particulate filter）在顆粒物（PM）堆積到一定程度時需要進行氧化再生，包括被動再生和主動再生。通常被動再生不太充分，需要采取主動再生措施，而主動再生中DPF溫度分布是影響其催化氧化性能的重要因素。本期推文筆者采用燃燒器＋DOC＋DPF 的模式，進行不同碳載量下的主動再生試驗，并且通過CFD 仿真，分析補氣量、噴油量、噴油錐角和噴油壓力對燃燒器內(nèi)溫度場的影響，以期優(yōu)化燃燒器參數(shù)。
1、試驗裝置
試驗采用旋流式燃燒器，DPF采用碳化硅(SiC)載體。試驗用發(fā)動機為某直列4 缸、高壓共軌柴油機，表1為發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)，表2為后處理裝置相關(guān)參數(shù)。
表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)
表2后處理裝置相關(guān)參數(shù)

圖1為試驗用旋流式燃燒器結(jié)構(gòu)，主要包括燃燒器本體、點火棒、噴油嘴和控制器。控制器可實時讀取溫度、壓力采集模塊中的數(shù)據(jù)，控制點火棒的點火、關(guān)閉及油泵、氣泵的啟停。噴油前10 s 打開點火棒預(yù)熱，工作期間點火棒均處于打開狀態(tài)，以保證穩(wěn)定的著火。


圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意
再生時DPF 內(nèi)部溫度場的均勻性將影響PM 的氧化效率以及再生的完全性，再生的不均勻性可能導(dǎo)致DPF內(nèi)較高的溫度梯度，造成熱沖擊與載體的熱應(yīng)力損壞。筆者通過布置熱電偶，對DOC氧化HC及DPF再生時載體內(nèi)部溫度場進行實時監(jiān)控。


圖2熱電偶布置示意

2、結(jié)果分析
采用燃燒器＋DOC＋DPF模式，為了測試燃燒器對DPF再生性能的影響，將發(fā)動機穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、轉(zhuǎn)矩為0 N·m 工況下，在碳載量為4 g/L和6 g/L時進行主動再生試驗。將DPF前溫度控制為620℃，再生時間為900 s，取下DPF稱重。
圖3為再生前、后碳載量和再生效率對比，碳載量為4 g/L、6 g/L時的再生效率分別為72.4% 、65.8% ，兩種初始碳載量條件下的再生效率均較低。圖4為燃燒器再生時的DPF壓降。再生開始時壓降分別為0.5 kPa、3.1 kPa。隨著再生的進行，兩種碳載量條件下的DPF壓降均快速升高，再生300 后，壓降逐漸降低。因排氣質(zhì)量流量較小，再生前、后壓降差異不大。


圖3 主動再生前、后碳載量


圖4 不同碳載量下燃燒器再生的DPF壓降
圖5為燃燒器再生時DPF內(nèi)部溫度場對比。碳載量為4 g/L 時DPF內(nèi)的最大溫差高達(dá)373.4℃，6 g/L時的最大溫差高達(dá)534.1℃，穩(wěn)定后溫差分別為124.9 ℃、139.1℃。兩種碳載量下前、后段溫度相近，中段溫度最低。其溫度分布不均勻是載體中碳煙分布不均勻所致，碳煙在7/8R處的分布明顯少于中心和1/2R處，且因孔道中碳煙分布呈兩頭多、中間少的形式，使中段的7/8R處溫度過低。




圖5 DPF內(nèi)溫度場及DPF內(nèi)徑向溫度梯度
碳載量為6 g/L條件下DPF再生時溫度曲線存在一個明顯的波峰，測點4、7、8 為溫度最高的3 個測點，溫度分別為905.9、1 020.4 和987.9℃，后段溫度遠(yuǎn)高于中段與前段，測點4與測點7最大溫差為114.5℃。碳載量為6 g/L時，再生釋放熱量較大，溫度曲線中出現(xiàn)較高波峰，對比圖5c 可知，達(dá)到溫度峰值時的DPF徑向溫度梯度同時達(dá)到最大，其1/2R處與7/8R處之間的溫度梯度較大，前、中、后段1/2R處與7/8R處之間的溫度梯度分別為45.5、106.5 和127.8℃/cm。溫度急劇升高與長時間高溫，會對載體產(chǎn)生較大的熱沖擊，嚴(yán)重時導(dǎo)致載體燒融，同時也會降低催化劑性能。燃燒器再生時應(yīng)將DPF 碳載量控制在合理范圍，以避免載體內(nèi)部溫度過高，溫度升高過快，同時需要優(yōu)化噴油策略以實現(xiàn)對再生溫度的精確控制，確保高效的再生。
噴油助燃氧化再生采用尾管噴油，由DOC氧化HC，以提高排氣溫度，其結(jié)構(gòu)為燃燒器＋DOC1＋DOC2＋DPF，將發(fā)動機調(diào)節(jié)到轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、轉(zhuǎn)矩為180 N·m(此時DPF前溫度約為280℃)，保溫300 s后通過噴油器噴油，噴孔直徑為1.0 mm、噴油頻率為10 Hz、開度為60%、DPF前溫度約為600℃、碳載量為6 g/L 且再生時間為1 200 s。圖6為噴油助燃氧化再生時DOC1 后、DOC2后、DPF后溫度。排氣流經(jīng)DOC1與DOC2，溫度分別提升了206℃、77℃。DOC1 在入口溫度更低的條件下升溫能力更強，一方面，在DOC1處有較為充足的HC 與O2參與催化氧化反應(yīng)；另一方面，由于DOC2處更高的溫度，使得其與外界換熱能力增強，相同熱量下對氣流的升溫沒有DOC1顯著。DPF 通過再生時碳煙氧化釋放熱量，使氣流溫度上升。


圖6 DOC1后、DOC2后、DPF后溫度
圖7為噴油助燃再生時DPF內(nèi)的壓降變化。隨著柴油的噴入，氣流溫度升高，體積流量增加，DPF壓降升高。壓降隨著再生的進行逐漸降低，再生結(jié)束時壓降比開始時低2.3 kPa。再生結(jié)束后剩余碳載量為2.53 g/L，再生效率為57.8%，低于燃燒器的再生效率，這是由于再生溫度不高且時間較短。圖8 為DOC2及DPF內(nèi)部溫度場對比。隨著柴油的噴入，DOC2的溫度開始升高，約在83 s 時出現(xiàn)一個波峰，峰值為424.3℃，隨后溫度快速升高，在230 s時開始穩(wěn)定，整個溫度場較為均勻。波峰的出現(xiàn)是因為來自DOC1的高溫排氣對DOC2進行加熱，使溫度快速升高，但是DOC1中未完全蒸發(fā)的柴油到達(dá)DOC2后蒸發(fā)、吸熱，使其產(chǎn)生小幅度降溫。DPF中心溫度在溫度穩(wěn)定之前出現(xiàn)一個波峰，前段與中段中心溫度在波峰后明顯下降，其受DOC2的影響，溫度明顯低于其他位置，但在再生階段，后段溫度幾乎沒有降低，最大值為648.8℃，高于穩(wěn)定溫度，這是由于載體中、后段顆粒物分布不均勻且沉積較多，再生時放熱較多。


圖7 噴油助燃氧化再生的DPF壓降


圖8 DOC2及DPF內(nèi)部溫度場
DPF三維CFD 仿真分析見原文[1]。

文獻(xiàn)來源
[1]陳貴升,楊銳敏,蔣文濤,等.燃燒器噴霧參數(shù)對DPF主動再生的影響[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2021,(06):506-514.
學(xué)報簡介
《內(nèi)燃機學(xué)報》是由中國內(nèi)燃機學(xué)會主辦的國家級高級學(xué)術(shù)刊物，是國務(wù)院學(xué)位委員會與研究生教育中文重要期刊，是中國科技論文統(tǒng)計用刊，被工程索引(EI)等多個國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國“中文核心期刊要目”能源與動力工程類前列?！秲?nèi)燃機學(xué)報》主要刊載內(nèi)燃機方面有較高學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用價值的學(xué)術(shù)性論文，在海內(nèi)外有廣大的讀者群，是內(nèi)燃機工作者的良師益友，歡迎登錄《內(nèi)燃機學(xué)報》官方網(wǎng)站（www.transcsice.org.cn）投稿。
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