程晓章， 魏 明， 吴卫国， 周 平， 余 昳

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽艾可蓝节能环保科技有限公司，安徽 池州 247100）

0 引 言

近些年来，城市环境污染问题越来越引起人们的重视，特别是雾霾天气的频繁出现，严重影响人们的身体健康，其中柴油机颗粒物排放的影响不可忽视。与汽油机相比，柴油机尾气中颗粒物的排放量要高出30～60倍［1］，同时NOx的排放也高出很多［2］。目前解决柴油机尾气中颗粒物排放的最有效方法是在排气管后加装微粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）装置，但DPF一直受再生问题的困扰。

国外一些发达国家普遍采用含有贵金属（Pt、Pa等）催化剂的DPF，称之为连续再生式DPF，催化剂可以降低微粒燃烧的着火点，因此该装置不需要其他助燃设备对其进行加热处理，但受燃油中硫含量的影响巨大，一般要求含硫量低于0.005%［3－4］，硫含量过高直接会使催化剂中毒失效，而我国目前除了北京、上海等大城市外，其他城市油品硫含量都在0.035%以上。

本文设计了一套喷油助燃式强制再生微粒捕集器，该套设备的研发是基于我国目前绝大多数油品硫含量超标的现状，通过喷油燃烧来提升排气管中的温度，从而达到微粒的着火点（850K）实现再生［5］。

1 喷油助燃再生系统

1.1 DPF捕集原理

本文研究的喷油助燃式DPF采用壁流式蜂窝陶瓷材料制成的过滤体，主要由热胀系数低、造价低廉的堇青石制成，对微粒的捕集效率可达90%以上［6］，而且对排气中的SOF（有机可溶成分）也有一定的捕集效果。堇青石过滤体的实体如图1所示，过滤体捕集过程的示意图［7］如图2所示。过滤体两端面上的小孔间隔堵死，排气从过滤体的一端进入，而小孔的另一端已经被堵死，排气必须从小孔壁面进入相邻的小孔，相邻的小孔在另一端是开口的，在此过程中，排气中的颗粒物即被壁面过滤截留下来了。

图1 堇青石过滤体

图2 过滤体颗粒捕集过程示意图

1.2 喷油助燃再生系统的结构和工作原理

根据国内公交车柴油机结构特点，综合考虑燃油特性等诸多因素，设计了一套DPF系统，其总体构架和实物如图3所示。该喷油助燃式微粒捕集器采用旁通式结构，整个系统用1个ECU控制，发动机在正常工作时，排气经DPF通道过滤进入大气，当压差测量值达到设定的再生值时，ECU会控制液压电机启动，带动尾气旁通阀使尾气从DPF通道转向旁通通道，再从旁通通道直接排入大气，然后ECU控制风机启动，把前一次再生过程喷嘴遗留的积碳吹走，同时对燃烧室补充燃烧所需氧气，此时通过低压油泵向燃烧室里喷油，火花塞利用车载电源对其点火，借助风机的作用将火苗吹向DPF滤芯中，引燃滤芯中的积碳，从而起到可再生的目的。在整个再生过程中，用温度传感器1、2对燃烧室和滤芯前的排气入口温度进行监测，温度传感器1是判断点火是否成功的依据，温度传感器2是控制喷油量的依据。用压差传感器测量滤芯前后压差变化，根据压差变化控制再生始点。

2 DPF系统在公交车上的应用及分析

2.1 DPF控制碳烟排放效果检测

在合肥白马巴士集团公司所属的4辆公交车上装备了助燃式可再生DPF，通过合肥环新机动车排气污染检测有限公司对这几辆公交车安装DPF前、后的烟度值进行测量对比，得出的数据见表1所列。该检测办法是根据文献［8］标准，采用不透光烟度法测量发动机的排放烟度值，测量数据是在发动机怠速转速为600r／min下测得的，测量环境温度为37.80℃，大气压力为98.00kPa，相对湿度 为81.40%，发动机均是自然吸气式。

表1 DPF启用前、后公交车排气烟度值的对比 m－1

由表1可以看出，DPF设备对减少汽车尾气中的颗粒物排放效果显著，原来排放烟度值不能达到排放限值的发动机在启用DPF设备以后性能大大改善，排放烟度值降低了95%以上。

2.2 公交车在城区道路上DPF再生特性分析

公交车一般都在城市道路上行驶，城市交通的特点是车速和负荷普遍较低，气缸内稀薄混合区较大，从而造成很多以未燃油滴为主的微粒［9］；另一方面，城市中车流量大，使得公交车行驶时速度波动大，处于频繁的停车、加速、减速等瞬态行驶工况，燃油汽化不迅速，气缸内温度升高缓慢，导致其滞燃期长。这些因素造成了柴油机在城市道路工况下微粒的排放整体水平较高。

城市公交车对DPF设备的使用是一个考验，公交车的微粒再生周期较短，因此必须提高再生的频率。本次实验选择合肥市902路公交车，当压差达到限值时，再生开始，再生过程大概持续600s。跟车测量了DPF在再生前、后各参数的变化，包括DPF入口温度、燃烧室温度、压差变化等。

公交车在城市道路工况运行的过程中，走走停停，转速不断变化，同时负荷也在不停地变化，导致DPF工作时排气入口前温度波动明显，如图4所示，所以公交车实际运行过程中的复杂路况是设计DPF设备时必需考虑的关键因素。

在DPF喷油助燃再生过程中，对燃烧室温度和DPF入口前温度进行了测量对比，再生过程中温度和喷油量曲线如图5所示。

在柴油机燃油箱喷油之前，风机在ECU的控制下对燃烧室吹风，先开启风机的目的是为了吹掉喷嘴上的积碳，同时向燃烧室填充燃烧需要的空气。从图5可以看出，在100s之前燃烧室和DPF入口前温度有一个明显的下降过程；100s后开始喷油燃烧，喷油量和温度变化趋势相同，火花塞点燃燃油后燃烧室温度和DPF入口前温度急剧上升，总体上燃烧室温度要大于DPF入口前温度，将载体入口温度控制在750℃以下（如果超过750℃，载体有烧裂的危险）；图5中300s左右时温度有短暂时间超过了750℃，此时需要根据温度传感器2反馈的温度来控制低压油泵的喷油量，从而达到降低载体入口温度的目的，从图5喷油曲线上看，在300s左右时喷油量有个小幅度的下降过程，之后趋于平稳，稳定在0.3g／s；当滤芯中碳烟颗粒物燃烧完之后，约在550s时停止喷油，燃烧室温度和DPF入口前温度迅速降低，完成再生过程。

图4 公交车运行中转速和DPF排气入口前温度变化

图5 再生过程中温度和喷油量曲线图

衡量喷油助燃式微粒捕集器对捕集颗粒物效果的一个重要参数是再生前、后DPF前后压差的变化。在滤芯前、后设置了压差传感器，测量再生前压差和再生后压差并进行对比，结果如图6所示。由图6可以看出，再生前DPF前后压差明显大于再生后的，且波动范围很大，再生后压差趋于稳定，由此可以说明，在城市复杂道路工况中运行时，此喷油助燃式DFP仍对公交车排放的颗粒物有良好的捕集效果。

图6 再生前、后DPF前后压差对比

3 结 论

（1）公交车是城市汽车尾气特别是颗粒物排放的主要“贡献者”，本文针对城市道路工况以及我国油品的实际情况设计了一种旁通助燃式可再生微粒捕集器，对DPF装置捕集颗粒物的原理以及该捕集系统的工作原理作了详细的说明。

（2）权威检测公司对安装在公交车上的设备在怠速条件下进行了检测，检测结果表明，该套捕集器系统对颗粒物捕集具有明显的效果。公交车在城市道路上行驶，发动机运转数据表明道路工况非常复杂，分析该工况下DPF在再生过程中的温度和喷油量变化，得出温度和喷油量相似的变化规律。分析再生前、后DPF前后压差的变化，得出该喷油助燃式颗粒捕集器具有良好的碳烟再生效果。

［1］ Heywood J B.Internal combustion engine fundamentals［M］.New York：McGraw－Hill，1988：15－17.

［2］ 钱叶剑，左承基，徐天玉，等.EGR率对ZS195柴油机性能和排放的影响［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（9）：1361－1364.

［3］ Khair M K.A review of diesel particulate filter technologies，SAE Technical Paper 2003－01－2303［R］.SAE，2003.doi：10.4271／2003－01－2303.

［4］ Park D S，Kim J U，Kim E S.A burner－type trap for particulate matter from a diesel engine［J］.Combustion and Flame，1998，114（3）：585－590.

［5］ 龚金科，吁 璇，伏 军，等.柴油机喷油助燃再生系统微粒捕集器油气匹配研究［J］.农业机械学报，2010，41（4）：1－5.

［6］ 李树会.POC－轻型柴油车国Ⅲ／国Ⅳ后处理方案［J］.内燃机，2008，12（6）：40－42.

［7］ 张德满.DOC辅助DPF再生方法研究［D］.南京：南京航空航天大学，2011.

［8］ GB 3847－2005，车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量办法［S］.

［9］ 吁 璇.柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究［D］.长沙：湖南大学，2010.