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1、DPF喷油助燃装置工作参数对再生过程的影响Study of the Impact of the Working Parameters of a Burner-type DPF on Regeneration FU Jun1，2，GONG Jin-ke1?k ，WU Gang1，LONG Gang1，YU Ming-guo1，LIU Xiang-ling1 (1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China; 2
2、.Dept of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang Univ, Shaoyang, Hunan 422004,China) Abstract: Taking a burner-type diesel particulate filter (DPF) as an example and based on the pyrogenation regeneration model, the variety laws of the exhaust back-pressure, particulate layer thickness and wall
3、maximum temperature, etc. during the burner-type DPF regeneration were studied and analyzed under different working parameters, such as oil-spray pressure, spray rate and air-supply flux. The results indicate that the working parameters could influence the regeneration evidently. With the improvemen
4、t of the oil-spray pressure, the wall maximum temperature increased markedly, and the regeneration rate was quickened. The burner power became stronger with the increase of oil -spray rate, and the amplitude of the wall maximum temperature was greater. But for the safe endurable temperature of DPF,
5、the oil-spray rate must be controlled. When the oil-spray rate reached a certain extent, the oxygen content in the exhaust was deficient, the combustion efficiency decreased, and the soot oxidation velocity and regeneration rate slowed down. It increased the oxygen content by air supply and the rege
6、neration process quickened. But with more air-supply quantity, the regeneration may slow down because of the enhancement of convection transfer heat loss. Key words: diesel engine; burner-type DPF; working parameter; regeneration ? 柴油机具有热效率高、适应性好、功率范围宽等优点，在车辆、施工机械等方面应用极为广泛，其排放的微粒粒径小、重量轻，能长时间悬浮于大气中，极
7、大地危害着人类的健康，随环保形势的日益严峻，柴油机的微粒排放问题已引起了人们足够的重视，对其有效控制已成为当前柴油机发展过程中极其重要且极具挑战的课题.目前，采用微粒捕集器（DPF）被认为是解决柴油机微粒排放问题最有效的手段1-2，其再生问题也成了人们研究的热点，在诸多再生方式中，喷油助燃再生技术不受油品质量限制，燃烧器采用与柴油机相同的燃料，且各部件成熟件多，装车使用时不需对发动机原结构做太大的改动，是一种适用性好、效率高和可靠性好的再生技术3-4.因此，本文以喷油助燃再生方式为例，结合DPF再生过程理论，基于自行设计的喷油助燃装置，通过改变工作参数，如喷油压力、喷油率、补气量等来研究其对D
8、PF再生过程排气背压、微粒层厚度及壁面峰值温度等的变化规律，为喷油助燃再生装置工作过程参数的控制与优化提供理论指导. 1 喷油助燃再生工作原理 图1为DPF喷油助燃再生工作示意图.在DPF捕集微粒过程中，由分布在过滤体前后的压力传感器1，2测得的排气背压信号实时反馈至电控单元（ECU），且与储存在ECU的排气背压阈值MAP图进行比较，当压力降超过MAP图在该工况下的设定值时，燃烧器立即工作，喷油系统、供气系统分别通过喷油器3、进气阀4按ECU所发出的指令定时定量进行喷油和进气，迅速地完成雾化和混合过程.混合气形成后则由安装在燃烧器出口处的电热塞5引燃，形成高温燃气，使排气温度大幅提高，当柴油机
9、排气温度（由传感器6,7测定）达到微粒的着火点，且排气中氧气含量充分时（ECU可根据发动机负荷氧浓度关系控制进气阀4的开启来保证再生过程的氧含量），则沉积在DPF中的微粒迅速氧化燃烧，实现DPF的再生. 就再生过程而言，对于既定的喷油助燃装置，其喷油压力、喷油率及补气量等的变化对排气温度、废气中氧含量及孔道微粒沉积厚度等有重要影响，进而影响过滤体的再生过程.为此，本文将通过调整喷油压力、喷油率及补气量等参数，实时测取相关试验数据，建立过滤体不同的再生条件，基于过滤体孔道再生数学模型研究其再生特性. 2 再生过程数学模型 根据Bissett的研究5，结合过滤体结构及微粒燃烧特点，对以往再生模型做
10、适当简化6，得到过滤体再生过程控制方程. 气相连续性方程为： 3 数值求解及结果分析 采用SIMPLE算法进行数值求解，其基本原理是先假设一压力场，利用该压力场求解动量方程的离散方程，获得相应的速度场，并利用质量守恒方程来改进压力场，要求与改进后的压力场相对应的速度场能满足连续性方程，再进行下一层次迭代求解9.结合本文具体问题，求解过程为：先给定进出口孔道初始压力值，求解方程式(8)得到第1个节点气流通过多孔壁面时的速度.再求解方程(1)、(2)就可得到下一节点的气流速度，同时由方程(3)求得下一节点的气体压力.沿孔道长度z方向按上述过程求解，最终分别求得进、出口孔道最后节点的气流速度、压力.
11、根据模型边界条件要求，迭代结果要保证最后一个节点上的气流速度值满足v1(L,t)=0或足够小（近似为零），否则修正初始进口压力值，从第1个节点开始重新迭代计算，直至满足要求.同时，要保证出口孔道的最后一个节点的气体压力也满足出口边界条件，要近似等于Patm，否则重新给定出口孔道第1个节点的压力值.重复上述迭代过程，这样，便可求出气体压力场.根据各节点气体压力分布情况，通过喷油助燃装置作为外热源获得的各废气温度、方程式(4)、式(5)及气体（将排气视为理想气体）状态方程(9)求出孔道内气体温度分布.最后根据式(6)计算出微粒氧化反应生成焓H，将求得的气相流动参数和定解条件代入式(2)，式(5)和
12、式(7)，从而求出过滤体壁面温度和微粒层厚度分布等. 模型计算所需数据中，过滤体及其孔道物理参数如表3所示(其余参数见文献8). 为获得模型其他计算参数，如微粒沉积厚度、排气氧含量、过滤体初始温度、排气质量流量、过滤体入口温度等，在如图2所示的试验台架上进行测量. 基于柴油机中小负荷，试验随机选取了柴油机负荷25%转速1 400 r/min的工况，测得排气体积流量、氧含量等实验数据（见表4），并在一定喷油率下控制喷油压力，测量该工况下过滤体入口端温度（考虑到过滤体入口端处离火焰部位较远，此时废气温度已近均匀，可忽略端面处温度梯度影响，在入口端面某点测得的温度可近似代替入口孔道的入口温度）. 从
13、模拟结果来看，再生时燃烧器工作后，在每一种喷油压力P下，过滤体孔道壁面峰值温度在前期变化较缓，其主要原因为入口孔道内沉积微粒在该阶段与高温废气有一传热过程.当微粒温度达到其起燃温度后，微粒才开始氧化燃烧，由于柴油机排气在中低负荷下处于富氧状态，此时微粒急剧反应，氧化放热远大于排气带走的热量，过滤体孔道内壁面峰值温度急剧上升，在过滤体孔道后端位置峰值温度达到极点，随着微粒逐渐消耗，氧化反应减缓，孔道壁面峰值温度开始下降，但下降趋势较缓，直到过渡至微粒完全氧化，此时峰值温度变化平稳.在不同喷油压力下，随油压的增加，对应的壁面峰值温度变化幅度越大，原因可归纳为其他工作参数不变时，随喷油压力的提高，燃
14、烧器内燃油雾化效果越好，燃烧效率提高，提高了过滤体入口废气温度，缩短了微粒的起燃期，对加速DPF再生过程有利.图4为再生10 min过滤体孔道内微粒沉积层厚度的变化模拟结果，随着喷油压力升高，燃烧器燃烧效率有所改善，废气温度升高，加快了微粒的氧化速率.但从图3和图4中喷油压力P=2.0 MPa，P=2.1 MPa两种情况来看，当喷油压力变化幅度较小时峰值温度、微粒氧化速率变化不明显. 为考察喷油率变化对过滤体壁面峰值的影响，在相同压力（P=2.5 MPa）测取燃烧器不同喷油率时过滤体入口废气温度值作为模型计算参数，迭代求解后得到孔道壁面峰值温度、排气背压随时间的变化曲线，如图5所示. 由图5可
15、知，提高喷油率实际上是加大喷油量，燃烧器功率增加，微粒迅速起燃，过滤体孔道壁面峰值温度急剧上升，当喷油率q从42.2 g/min增大至65 g/min时壁面峰值温度曲线急剧上升，此时从过滤体安全耐热使用寿命角度来讲，需要对其加以控制.当微粒消耗到一定程度后，微粒层厚度减小，热量对流散失作用相对增强，峰值温度开始下降，微粒氧化速率变缓，直至再生完全后峰值温度不再变化.但进一步加大喷油量，在不予补气的情况下，当喷油率q分别为75 g/min，92 g/min时，燃油燃烧耗氧将使排气进入过滤体孔道中的氧含量不足，导致微粒层氧化速率减缓，壁面峰值温度下降，且从q=75 g/min，q=92 g/min
16、壁面峰值温度两曲线对比情况来看，喷油率增加后燃烧耗氧量增大，此时参与微粒氧化反应的氧含量降低，导致孔道壁面峰值温度降低. 从图5台架再生试验排气背压变化情况可以看出，适量增大喷油率，当喷油率q从42.2 g/min增大至65 g/min时，可加快再生过程，缩短再生时间.但随着喷油率的进一步增大，在不补气的情况下，将出现废气中氧含量不足，微粒氧化反应速度减缓,导致再生过程减慢，所需再生时间延长，当喷油率q=75 g/min增大至92 g/min时，由于参与微粒氧化反应的氧含量降低，孔壁微粒层氧化速率减缓，此时导致喷油率q=92 g/min对应的排气背压随时间的变化反较q=75 g/min时对应的
17、曲线变化小，此时，为保证再生速率与效率，应及时补充空气. 控制进气阀开度得到不同补气量，由于补气过程中空气流速较低，补气压力较小，对燃烧器燃烧性能、过滤体再生过程影响不予考虑，仅对补气量（体积流量）对再生的影响进行研究，结果如图6所示. 由图6可知，当加大补气量,体积流量V从450 L/min增大到600 L/min时，增大了排气中氧含量，有助于微粒的氧化，起燃后，孔道壁面峰值温度上升剧烈且增幅较大.当排气处于富氧状态下，随着补气量的进一步加大，体积流量V增大到800 L/min时，对微粒的氧化促进作用并不明显，当补气量超过某一范围时，由于空气传热散失作用增强，反而导致微粒壁面峰值温度下降.从
18、再生10 min模拟结果来看，微粒层厚度随再生时间的变化速率随补气量的增加而加快，这一点可从V=450 L/min, V=600 L/min微粒层厚度变化率曲线看出来；但进一步加大补气量后，如V=800 L/min时，对促进微粒的氧化速率作用不明显，甚至由于对流传热散失严重，将削弱微粒的燃烧效率，使微粒层厚度随时间的变化率反而下降. 试验还随机选取了其他中小负荷工况，通过对喷油压力、喷油率及补气量单因素控制，对过滤体的再生过程影响同上述变化规律基本一致. 4 结 论 1）中小负荷工况下，喷油助燃装置工作参数对DPF再生过程有着重要影响，通过对喷油压力、喷油率、补气量等参数单因素的调整来考察对D
19、PF的再生影响规律，为DPF喷油助燃再生过程的优化控制提供理论指导. 2）随着喷油压力的提高，过滤体孔道再生壁面峰值温度升高，微粒氧化速率加快，微粒沉积厚度下降较快，再生时间缩短，但当喷油压力变化幅度较小时，则对DPF再生过程影响不显著. 3）在正常工作油压下，提高喷油率可加大燃烧器的功率，再生过程壁面峰值温度增幅较大，排气背压变化明显，较大幅度地缩短再生过程，但从过滤体的安全耐热温度来看应加以控制，避免过滤体烧熔烧裂.喷油率提高到一定程度后，燃油燃烧耗氧量增加，则排气中氧含量不足，如果不及时补气，将使燃烧器燃烧效率下降，且影响微粒的氧化速度，导致再生过程变缓甚至再生不完全. 4）在喷油助燃再生过程中，适当补气可增加排气中的氧含量，微粒一旦起燃，将加快其氧化速率，加快再生过程.但进一步加大补气量后，由于空气与壁面微粒间的对流传热散失作用加强，对促进再生过程的作用不明显.