柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)是降低顆粒物排放最有效的后處理裝置之一，其關(guān)鍵技術(shù)是DPF 再生。后處理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流動(dòng)的均勻性，從而影響DPF 再生溫度的均勻性。目前，在后處理系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)對(duì)DPF 再生溫度特性方面的研究較少，基于此，筆者首先對(duì)原機(jī)新型國Ⅵ碳化硅催化型柴油機(jī)顆粒捕集器(CDPF)噴油點(diǎn)火主動(dòng)再生進(jìn)行了試驗(yàn)，然后針對(duì)原機(jī)試驗(yàn)中再生峰值溫度和峰值溫度梯度較高問題，提出了導(dǎo)流裝置的兩種優(yōu)化方案，并進(jìn)行了原機(jī)方案、優(yōu)化方案的流動(dòng)特性分析；基于較優(yōu)方案，選用新型國Ⅵ碳化硅CDPF 分別進(jìn)行噴油點(diǎn)火主動(dòng)再生和噴油助燃主動(dòng)再生試驗(yàn)，對(duì)再生時(shí)的溫度、溫度升高速率和溫度梯度進(jìn)行研究，以期為實(shí)現(xiàn)CDPF安全再生提供參考。

試驗(yàn)基于D30TCI 高壓共軌電控增壓、直列4 缸柴油機(jī)開展，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.98 L，最大轉(zhuǎn)矩為400 N·m(1 600～2 600 r/min)，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管后端加裝后處理系統(tǒng)進(jìn)行再生試驗(yàn)，圖1 為再生試驗(yàn)裝置布置。具體的實(shí)驗(yàn)方法見參考文獻(xiàn)[1]。

圖1 再生試驗(yàn)臺(tái)架示意

圖2 為DOC+CDPF 流場(chǎng)模型構(gòu)建。圖3 為DOC、CDPF 壓降和溫度的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比。在捕集工況下，通過在DOC、CDPF 前、后端安裝的壓力傳感器和溫度傳感器，得到排氣流過DOC、CDPF 后的壓降和溫度。在相同條件下，流場(chǎng)模型中DOC、CDPF 前、后端的壓降、溫度與試驗(yàn)值相比，誤差較小，可用于仿真計(jì)算。

圖2 DOC＋CDPF流場(chǎng)模型構(gòu)建

圖3 DOC、CDPF壓降、溫度的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比

由圖4、圖5 可知，方案1 和方案2 的導(dǎo)流板前端斷面下端均有速度較高的扇形區(qū)域，且方案1 的流速大于方案2，這是因?yàn)榉桨? 的導(dǎo)流板小孔直徑減小，流速增大。原機(jī)方案中氣流流經(jīng)DOC 進(jìn)口端時(shí)，進(jìn)口端斷面下端的氣流速度明顯大于上端。方案2 的DOC 進(jìn)口端斷面的速度均勻性優(yōu)于方案1，在DOC 軸向中心區(qū)域的效果更加明顯。隨加裝導(dǎo)流裝置的開孔率增大，DOC 進(jìn)口端斷面的速度均勻性系數(shù)由0.816增大至0.967。其相應(yīng)的壓力分布和溫度分布見參考文獻(xiàn)[1]。

圖4 導(dǎo)流板前端和DOC進(jìn)口端氣流速度

圖5 不同方案下的速度均勻性系數(shù)

4.1 CDPF噴油點(diǎn)火主動(dòng)再生溫度特性

圖6 示出碳載量為6 g/L 時(shí)方案2 下DOC 和CDPF噴油點(diǎn)火主動(dòng)再生過程內(nèi)部溫度變化。從DOC 的溫度分布可知，DOC 內(nèi)部溫度呈中心溫度高、四周溫度低的趨勢(shì)，最高溫度出現(xiàn)在載體中心測(cè)點(diǎn)a 處(780 ℃)，但DOC 內(nèi)部徑向上各點(diǎn)的溫度相差較小，保證了CDPF 進(jìn)口端溫度場(chǎng)分布較均勻。DOC 內(nèi)部溫度出現(xiàn)多個(gè)峰值是因?yàn)槿紵鞑捎妹}沖式不斷噴射HC，當(dāng)HC 積累量大于氧化量時(shí)，導(dǎo)致溫度下降。當(dāng)氧化繼續(xù)進(jìn)行，氧化量高于積累量且氧化速率一定時(shí)，載體內(nèi)部溫度保持穩(wěn)定。在900 s 以后結(jié)束噴射HC，僅有載體內(nèi)部的碳煙燃燒，溫度較穩(wěn)定。

圖6 DOC和CDPF噴油點(diǎn)火主動(dòng)再生時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)

4.2 CDPF噴油助燃再生溫度特性

圖7a 中，DOC 進(jìn)口溫度達(dá)到280 ℃后，保溫5 min，通過燃燒器噴油，DOC 氧化HC 放熱，將CDPF 進(jìn)口溫度提升至500 ℃后，保溫30 min，進(jìn)行再生。CDPF 后端溫度高于前端，一方面，載體內(nèi)碳煙氧化再生，釋放大量熱量，提高了溫度；另一方面，CDPF 涂覆催化劑對(duì)HC 也具有氧化的作用，DOC 中未被氧化完的HC 繼續(xù)在CDPF 載體內(nèi)氧化升溫，同時(shí)，載體散熱速度小于排放物氧化放熱提升溫度的速度。圖7b 中，CDPF 載體內(nèi)部軸向方向上前段、中段、后段峰值溫度依次升高，徑向方向上整體呈越靠近外緣處溫度越低的規(guī)律；其中再生時(shí)的峰值溫度出現(xiàn)在載體后段，為597.8 ℃。

圖7 DOC和CDPF噴油助燃主動(dòng)再生時(shí)內(nèi)部溫度

圖8a 中，主動(dòng)再生時(shí)載體測(cè)點(diǎn)1′、4′和7′的最大溫度升高速率分別為8.1、8.7 和5.6 ℃/s，較噴油點(diǎn)火主動(dòng)再生時(shí)的溫度升高速率分別降低45.64%、15.94%和39.13%。這主要是因?yàn)椴捎脟娪椭贾鲃?dòng)再生方式時(shí)，燃燒器噴射HC 后，在DOC內(nèi)部進(jìn)行氧化升溫，溫度較低，故CDPF 內(nèi)的再生速率也較低。圖8b 中，載體在進(jìn)行主動(dòng)再生時(shí)軸向和徑向方向上的溫度梯度變化幅度較小，軸向上峰值溫度梯度為3.41 ℃/cm ，徑向上峰值溫度梯度為4.37 ℃/cm，使載體在主動(dòng)再生時(shí)所受的熱沖擊和熱應(yīng)力較小。

圖8 CDPF噴油助燃主動(dòng)再生時(shí)溫度升高速率和溫度梯

(1) 采用噴油點(diǎn)火主動(dòng)再生方式時(shí)，無導(dǎo)流裝置的原機(jī)方案CDPF 再生峰值溫度、最大溫度升高速率和最大溫度梯度分別為1 239 ℃、73.9 ℃/s 和124.9 ℃/cm，使載體出現(xiàn)熱熔失效和熱應(yīng)力失效。

(2) 無導(dǎo)流裝置時(shí)，后處理系統(tǒng)內(nèi)部的速度均勻性較差，溫度場(chǎng)分布不均勻；加裝導(dǎo)流裝置后，隨導(dǎo)流裝置的開孔率增大，速度均勻性系數(shù)增大至0.967，其溫度分布更加均勻。

(3) 采用高開孔率方案(方案2)時(shí)，不同再生方式下的CDPF 載體內(nèi)部的峰值再生溫度均出現(xiàn)在載體后段位置，且中心溫度高于外緣溫度。

(4) 采用噴油點(diǎn)火和噴油助燃兩種主動(dòng)再生方式時(shí)，高開孔率方案的再生峰值溫度為845.5 ℃和597.8℃，溫度升高速率為 14.9℃/s 和 8.7℃/s，最大溫度梯度為31.78℃/cm 和4.37 ℃/cm，較原機(jī)方案均大幅降低，載體所受的熱沖擊和熱應(yīng)力較小，能夠保證載體在主動(dòng)再生過程中安全可靠。

1]陳貴升,李冰,李靚雪,彭益源,馬龍杰,張韋.基于氣流引導(dǎo)的碳化硅CDPF主動(dòng)再生溫度特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2022,40(02):135-143.

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