微粒捕集器再生技术的试验研究*

姚广涛，张 程，何锦勇，黄利平，张卫锋，毛 明

(军事交通学院汽车工程系，天津 300161)

前言

柴油机以其优良的动力性、燃油经济性和高可靠性在交通运输领域得到了广泛的应用。与汽油机相比，虽然柴油机的CO、HC排放量较低，NOx排放略高于汽油机，但是其PM排放量远高于汽油机，是柴油机最主要的排气污染物，也是机动车PM排放的主要分担者［1－2］。

DPF技术是目前国际上公认有效的柴油机微粒排放后处理技术［3］，该技术现在处于系统优化和降低成本的阶段［4－5］。

DPF的再生问题一直是制约DPF技术推广应用的瓶颈。DPF结合DOC技术是目前被广泛采用的一套柴油机排气净化技术路线［6］。HC通过DOC可使发动机排气温度提升至PM起燃温度，从而实现DPF的再生。使DOC开始工作的措施包括使用缸内技术如缸内后喷，和使用缸外技术如DOC前加喷燃油。由于目前国产电控柴油机喷射控制系统多数为国外匹配，因此国内实现缸内后喷受到一定制约。为此本文中选择在DOC前喷射燃油的方式使DOC工作，并自主设计了一套燃油喷射装置，其雾化效果较好，可以辅助燃油快速蒸发，同时为DOC工作提供一定量的氧气，对于氧化催化反应的进行和再生效率的提高有很好的促进作用。

1 工作原理

伴随着DPF内捕集PM的增多，要去除PM，即DPF的再生。在不采取任何措施的情况下，通常发动机排气温度很难达到DPF的再生温度。通过设计的试验装置，使发动机排气经过两级升温后达到DPF的再生温度，从而实现DPF的再生。

试验选用涂覆有某种催化剂的DPF，其起燃温度为500℃，快速反应温度为550℃，DOC的起始工作温度为250℃。当不进行DPF再生时，DOC和DPF正常工作，发动机按正常工况运转。当要对DPF进行再生时，首先通过提高发动机转速或增加负载等措施使发动机排气温度达到250℃，实现一级升温，使DOC开始工作;在DOC前喷射燃油和新鲜空气，DOC通过氧化催化反应，使排气温度提升到550℃，实现二级升温，使DPF快速实现再生。

2 试验系统的组成和搭建

试验系统由发动机、DPF、DOC、燃油雾化喷射系统、温度传感器、压差传感器和控制器等组成。

图1为试验系统组成示意图，图中T1、T2、T3为3支温度传感器，P1为压差传感器，喷嘴即为燃油雾化喷射系统中的喷嘴。

试验发动机的主要参数如表1所示。

表1 试验用发动机主要参数

燃油雾化喷射系统主要构成部件有:燃油箱、压力腔、二位三通阀、调压阀、混合腔、计量阀和喷嘴等，图2为燃油雾化喷射系统结构示意图。

燃油雾化喷射系统工作时，从气源过来的压缩空气分两路，一路经调压阀2到混合腔，再到喷嘴;另一路经调压阀1，通向两个二位三通阀，在控制器的控制下，二位三通阀交替工作，压缩空气也交替通向两个压力腔。在系统不工作时，两个压力腔处于与外界大气环境相通状态，燃油自动充满腔体。当系统开始工作时，二位三通阀1工作，二位三通阀2处于断电状态，压缩空气进入压力腔1，使燃油在气体压力作用下打开单向阀2，先通过计量阀按需喷入混合腔内，再与辅助雾化压缩空气混合，并随其流向雾化喷嘴。经过一定时间的喷射，开启二位三通阀2，两压力腔同时工作一段时间后，使二位三通阀1断电，1腔不工作，2腔工作，如此交替变换工作，达到连续喷射。

试验所选用的 DPF材料为堇青石，尺寸为:φ190×200mm，挂烟量为20.5g;所选用的DOC配方Pt与Pd的比例为1∶1，贵金属涂覆量为80g/ft3，其实物见图3;温度传感器型号为PT200，其输出信号为0～5V，可耐1 000℃高温。

3 试验与结果分析

首先将挂完烟的过滤体按照图1安装到试验系统中;然后将发动机排气温度提升至250℃以上，试验中所选的发动机稳定工况参数为:转速1 400r/min，转矩40N·m，功率5.86kW，实际排气温度为292℃;再通过控制系统控制燃油雾化喷射系统在DOC前喷射燃油，此刻发现DOC并未开始工作，继续加大发动机转速和负载，以便继续提升排气温度，在时间为1 000s以后发现DPF前温度出现急剧上升，可以判断此刻DOC参与工作，此时DOC入口温度为320℃。理论上讲，该DPF前排气温度达到500℃时，DPF内PM达到起燃温度开始再生，DPF后温度达到400℃时即认为DPF再生结束，停止燃油喷射。图4为试验中通过上位机软件所采集到的DPF前后温度与DPF压差的关系曲线。

由图可见:试验开始，DOC前不喷射燃油时，DPF前后的压差略高于10kPa;当要对DPF进行再生时，提高发动机的转速和负载至上述稳定工况，随着发动机转速的提高，其排气流量也逐步增加，DPF前后温度和压差均稳定上升，当发动机工况稳定后，三者皆处于基本稳定状态;当再次提升发动机转速，DOC开始工作后，在流量和温度的双重作用下，DPF前后温度和压差出现了短暂的迅速上升，当DPF前温度达到550℃时，DPF前后压差开始急剧的下降，即认为此刻DPF快速再生。从图中还可以看出，一旦DPF开始再生后，在发动机尾气的辅助下，其再生速度非常快。再生后测量过滤体质量，计算出其再生效率为97%。

4 结论

提出了一种基于DOC升温的排气管燃油喷射雾化装置的柴油机DPF再生技术方案，并在台架上进行了试验验证。设计的燃油雾化喷射装置应用于DOC工作所需燃油的喷射:一方面增加了燃油的雾化面积，利于燃油的蒸发;另一方面，由于喷射采用的是高压气源，可以为DOC工作提供一定量的新鲜空气，利于氧化催化反应的进行，有助于提高DPF的再生效率。该技术方案可以实现DPF的再生，且其再生效率较高。此外，这种再生方式基本上可以应用于绝大多数的发动机以及发动机的大多数工况，具有一定的实际应用意义。

［1］中国汽车工业协会，国务院发展研究中心产业经济研究部，中国汽车工程学会，等.中国汽车工业年鉴中国汽车产业发展报告2008［M］.北京:社会科学文献出版社，2008:12.

［2］中华人民共和国环境保护部.中国机动车污染防治年报(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］张德满，李舜酩，李凯，等.DOC辅助DPF再生方法研究［J］.机械工程学报，2010，46(24):107－110.