柴油机氧化催化器喷油助燃特性研究

2021-05-14万川邹笔锋吴星孟强

车用发动机 2021年2期

万川，邹笔锋，吴星，孟强

(江铃汽车股份有限公司，江西南昌 330030)

近几十年来，柴油车在人们的生活和企业的运营中都发挥了相当重要的作用，柴油车的数量也一直在增加，据《中国移动源环境管理年报(2019)》报道[1]，2018年柴油车数量高达2 103万辆，同比增长7.5%，占全国汽车保有量的9.1%。柴油车对环境带来的污染也是不容忽视的。柴油机尾气中的有害气体主要包括CO，THC，PM，NOx[2-3]，为了应对这些有害气体的排放问题，采取在柴油机排气管后端加装尾气后处理器的方法，该方法已经得到广泛应用[4-7]。后处理装置可以辅助柴油机的机内净化技术，进一步降低污染物浓度，十分高效直接，具有其他减排方案没有的优势。因此针对尾气后处理装置的研究备受重视。

柴油机后处理技术主要包括氧化型催化转化器(DOC)、颗粒氧化催化器(POC)、颗粒捕集器(DPF)、催化型颗粒捕集器(CDPF)、选择性催化还原系统(SCR)、复合选择性催化还原过滤器(SCRF)等，还可将多种后处理器耦合在一起发挥更高效的作用[8-10]。目前，在柴油机上应用最普遍的方案是加装颗粒后处理系统，即由DOC和CDPF耦合的后处理装置。其中，“尾管喷油+DOC+CDPF”更是一种可靠的技术方案，该技术方案将被动再生与主动再生结合在一起，可以实现在全工况下高效率地持续进行捕集器再生。

国内外有大量的学者基于台架试验对DOC和DPF的减排性能以及其他特性进行了研究。T. Gardner等[11]采用试验方法研究了柴油机尾管喷油时的柴油雾化和DOC氧化情况，考察了不同燃油喷射方向、喷射位置以及柴油预混合器对DOC内氧化情况和DPF再生情况的影响。T. Tao等[12-14]试验研究了CDPF在主动和被动再生时的一系列特性，发现柴油机若保持长时间的高温工况，连续被动再生就可以连续地氧化颗粒物。张靖等[15-16]在台架上选取两种碳载量在稳态工况下对DPF进行了再生试验，测试了DPF再生效率和速率，研究了高低流速和不同O2浓度下的主动再生性能。王丹等[17-19]提出了基于缸内次后喷(Late Post Injection，LPI)主动再生的喷油量控制方法，确定了降怠速(Drop to Idle，DTI)不可控再生情况发生时喷油时机的确定方法，提出了用数学模型制定喷油控制策略的方法，以及根据DPF压降来判断碳载量的方法和试验确定DPF碳载量安全限值(Soot Mass Limit，SML)的方法。

虽然学者们对于柴油机后处理器的减排性能进行了大量的研究，但对柴油机氧化催化器喷油助燃系统的排放特性及温升特性的研究较少。为此，本研究选取氧化催化器喷油助燃系统作为研究对象，通过柴油机台架试验研究在不同入口温度、不同空速、不同喷油脉宽下，后处理装置的温升特性及排放特性的变化规律。

1 材料与方法

1.1 试验柴油机

试验所使用的柴油机是一台高压共轨重型柴油机。柴油机的具体参数见表1。

表1 试验柴油机参数

1.2 后处理装置

试验的后处理器为箱式后处理器，这种后处理器将DOC、CDPF和SCR集成封装为一体。尾气在箱式后处理器中将依次通过DOC、CDPF及SCR。DOC和CDPF内壁均涂覆有铂(Pt)、钯(Pd)贵金属催化剂，具体参数见表2。

表2 DOC和CDPF技术参数

1.3 试验测试系统

柴油机台架结构示意和测点分布见图1。试验设备主要由进排气系统、电力测功机、柴油机、后处理器、柴油喷射系统、气体分析仪、温度传感器、压差传感器等组成，主要仪器型号见表3。

图1 试验测试系统

表3 柴油机台架仪器

1.4 试验测试方案

尾管喷油主动再生试验共分为3大组，13小组，具体工况见表4。

表4 主动再生试验方案

第一大组试验研究不同喷油脉宽的影响；第二大组试验研究不同DOC入口温度的影响；第三大组试验研究DOC低入口温度与高入口温度下不同空速的影响。

本试验中喷射系统计量阀频率为5 Hz，试验过程中共设置3个变量，分别为转速、DOC前温度、喷油脉宽。DOC前温度通过调节柴油机扭矩实现，喷油脉宽通过Vector CANape手动调控，DOC前后温度、DPF前后温度、压差等参数通过CANape实时监测并记录。试验中的排放测点均位于DPF出口处。

2 结果与分析

2.1 不同入口温度时的DOC温升及排放特性

2.1.1DOC温升特性

试验保持喷油脉宽不变(44 ms)，柴油机转速不变(1 500 r/min)，通过改变柴油机扭矩获得不同的来流温度。由图2可见，尾气管喷油后，后处理器中(除DOC前)的温度会迅速升高，DPF前温度都可以在100 s内达到温度峰值。

图2 不同来流温度下的后处理器温升特性

在来流温度260 ℃，360 ℃，460 ℃下，DPF前温度升高至稳定所需的时间分别为92 s，71 s，51 s。这表示随着来流温度的升高，温升速度也会加快。另一方面，DPF后温度的变化曲线相比DPF前的温度变化曲线在时间上有大约100 s的滞后，这是由于尾气在流经DPF时，部分热量会被DPF载体(堇青石)吸收。

图3示出柴油喷射前后，DOC前后温度的变化情况。由图3a可见，在来流温度为260 ℃，360 ℃，460 ℃时，DOC前温度分别升高了1 ℃，9 ℃和12 ℃，即柴油喷射会导致DOC前温度略微升高，且温升会随来流温度的升高而逐渐增大。这是由于柴油氧化放出的部分热量会逆流传递，且来流温度升高会加剧柴油在DOC前端的氧化反应。

由图3b可见，喷油后，DOC后温度急剧升高，但当来流温度升高时，温升幅度反而会有所降低。原因是试验时柴油机的转速保持不变，理论上其排气质量流量也会保持恒定，但排气温度的升高会导致排气体积流量增大，此时空速会变大，即THC在DOC催化剂上的停留时间会缩短，氧化反应的时间与低空速时相比就会减少。

图3 喷油前后DOC温度变化

2.1.2排放特性

图4示出不同来流温度下的排放特性。由图4a可见，在尾管喷射柴油前，由于DOC和CDPF都可以有效降低THC排放，因此此时柴油机的THC排放很低。喷油刚开始时，THC浓度会迅速升高并达到峰值，且随着来流温度的升高，THC排放峰值逐渐降低，达到排放峰值的时间也会相应缩短。当喷油持续一段时间后，THC浓度逐渐降低并趋于稳定。这是由于喷油初期未燃碳氢增加，THC浓度迅速上升，THC在DOC内迅速氧化使温度升高，DOC温度升高又加速了THC的氧化，因此随着柴油的继续喷射，THC浓度逐渐降低。但总的来看，喷油后的THC排放仍较喷油前的THC排放高。对于这一现象，可通过控制来流温度来缓解尾管喷射对THC排放的恶化情况。

由图4b可见，尾管喷油对NOx排放影响不大，在喷油时仅略有波动，NOx排放随排温的升高而升高。由图4c可见，在未喷油时，柴油机的NO2排放在来流温度为360 ℃时达到最大，这是由于360 ℃接近NO2的最佳生成温度。当喷射柴油后，由于NO2的氧化性大于氧气，其在THC的氧化反应中占据主导地位，因此这时NO2排放会急剧下降。随着THC浓度的降低，NO2排放又会有一定程度的升高，之后稳定在较低值，在喷射结束后又逐渐恢复至喷射前的浓度。

图4 不同来流温度下的排放特性

2.2 不同空速时的DOC温升及排放特性

空速(Space Velocity)是指单位时间内进入DOC的排气体积与DOC载体体积的比，是反映DOC性能的一个重要参数。试验中DOC载体体积不变，排气温度恒定时排气体积流量与柴油机转速呈正相关，因此可用DOC性能随柴油机转速的变化规律反映DOC性能在不同空速时的变化规律。

试验时保持脉宽为44 ms不变，调节柴油机扭矩保持DOC入口温度基本不变(低温为260 ℃，高温为460 ℃)，对高排气温度和低排气温度下的DOC性能随空速的变化进行分析。

2.2.1DOC温升特性

图5示出低入口温度时，在4种不同转速下，尾管喷油时的DOC前、DPF前和DPF后温度随时间的变化。

图5 低入口温度、不同转速下的后处理器温升性能

喷油前DOC前温度在260 ℃附近，在转速1 100 r/min，1 300 r/min，1 500 r/min，1 700 r/min下，DOC升温至稳定所需时间分别为121 s，96 s，83 s，86 s。转速越高，经过DOC后所能达到的峰值温度越低，其升温所需的时间也越短。究其原因，转速越高，表示空速越大，即THC在DOC催化剂上停留时间减小，氧化放热量降低，因而转速越高温升幅度越小。

图6示出低入口温度下，柴油喷射对DOC前后温度变化的影响。由图6a可见，不同转速下，柴油喷射前后，DOC前的温度变化不大。由图6b可见，在柴油喷射后，DOC后温度显著升高，且随转速的升高，DOC的温升幅度逐渐降低。实际DOC后温度与目标温度的差值则随转速的增大而增大，当转速从1 100 r/min增大至1 700 r/min时，DOC后温度减小了46.33%，原因是排气流量的增大加剧了热量的散失。

图6 低入口温度、不同转速下的DOC温度变化

图7示出高入口温度时，在4种不同转速下，尾管喷油时的DOC前、DPF前和DPF后温度随时间的变化。

喷油前DOC前温度在460 ℃附近，在转速1 100 r/min，1 300 r/min，1 500 r/min，1 700 r/min下，DOC升温至稳定所需时间分别为95 s，111 s，100 s，91 s，4种转速的温升速率存在一定波动，但差异不大。与低入口温度时类似，此时经过DOC后所能达到的峰值温度也和转速呈负相关关系。

图7 高入口温度、不同转速下的后处理器温升性能

图8示出高入口温度下，柴油喷射对DOC前后温度变化的影响。由图8a可见，在不同转速下，虽然喷油对DOC前温度的影响仍然较小，但相比低入口温度时的影响则更为显著。由图8b可见，在喷射柴油后，随着转速的增大，DOC的温度升高量仍逐渐降低，且与低温时相比，各转速下的温升幅度都有所减小。这是由于排气温度升高导致排气体积流量变大，此时空速会变大，THC在DOC催化剂上停留的时间就会减小，氧化放热量降低，因而高入口温度时的温升幅度较小。

图8 高入口温度、不同转速下的DOC温度变化

2.2.2排放特性

图9示出在不同入口温度和不同转速下，后处理装置后的THC排放特性。从图9a可知，低入口温度时，得益于DOC对THC的减排能力，在柴油喷射前，后处理装置后的THC排放接近于0。当尾管喷油后，THC排放急剧升高，并在20 s内迅速达到其排放峰值。且随着转速的增大，THC的排放峰值也会逐渐增大，达到排放峰值的时间则会有所延长。可见，高转速会加剧THC泄漏，过大的空速不能让THC充分反应。待达到排放峰值后，继续喷射柴油会导致THC排放降低。由图9b可知，高入口温度时，虽然在尾管喷射初期也会导致THC排放有所升高，但是其排放峰值比低入口温度时小得多。另一方面，空速对THC排放峰值的影响也会比低入口温度时显著下降。综上所述，高温和低空速均有利于控制THC泄漏。

图9 不同入口温度、不同转速下的THC排放特性

图10示出在不同入口温度和不同转速下，后处理装置后的NOx排放特性。从图10a可知，低入口温度时，在尾管刚开始喷油时，NOx排放会明显下降，但随着柴油的继续喷射，NOx排放又会开始升高并逐渐趋于平稳。从图10b可知，高温时尾管喷油对NOx的排放影响不大，NOx排放曲线几乎没有波动。

图10 不同入口温度、不同转速下的NOx排放特性

图11示出在不同入口温度和不同转速下，后处理装置后的NO2排放特性。由图11a可见，低入口温度下，在尾管还未喷油时，NO2浓度会随转速的升高而逐渐降低。这是由于废气刚从柴油机内排出时NO2的占比很少，而在后处理装置后测得的大部分NO2是在DOC内氧化生成的，柴油机转速越高则空速越高，而空速高时DOC内的氧化反应时间会变短，因此，NO2排放也会相应减少。在尾管开始喷油后，THC浓度会突然升高，由于NO2会和THC发生反应，所以此时NO2浓度会有所降低。由图11b可见，高温下的NO2浓度比低温下的NO2浓度更高，可见高温相比低温更有利于NO2的生成。另一方面，在柴油喷射时NO2浓度相对更高，对下游SCR的影响更小。

图11 不同入口温度、不同转速下的NO2排放特性

2.3 不同喷油脉宽时的DOC温升及排放特性

2.3.1DOC温升特性

图12示出在4种不同喷油脉宽(48 ms，24 ms，16 ms，8ms)下，尾管喷油时DOC前、DPF前和DPF后温度随时间的变化。从图中可以看出，喷油前DOC前温度在400 ℃附近，在喷油脉宽为48 ms，24 ms和16 ms时，DOC均有一定温升，升温至稳定所需时间分别为99 s，46 s，63 s。在喷油脉宽为8 ms时，DOC后温度几乎没有发生变化。随着喷油脉宽的增加，DOC后的温度峰值逐渐增大，这是由于喷油量增多加剧了DOC中的氧化反应。

图12 不同喷油脉宽下的后处理器温升特性

由图13可见，在喷油后，DOC前后温度均有不同程度的提升。但随着喷油脉宽的降低，DOC后温度升幅也会有所降低。当脉宽为48 ms时，DOC后温度达到了550 ℃，此时的温度可以使含碳颗粒物主动燃烧。但在喷油脉宽为16 ms和8 ms时，喷油后的DOC后温度仅升高了26 ℃和7 ℃。温升为7 ℃时，DOC后温度仅有439 ℃，达不到含碳颗粒物主动燃烧的温度。可见，为了保证DOC后有足够高的温度以满足含碳颗粒物的主动再生条件，需对喷油脉宽进行合理控制。

2.3.2排放特性

图14示出在不同喷油脉宽下，后处理装置后的排放特性。由图14a可见，在喷油脉宽为48 ms，24 ms，16 ms，8 ms时，THC排放峰值分别为21.17×10-6，9.53×10-6，7.32×10-6，5.07×10-6。喷油脉宽为48 ms时THC峰值最高，THC峰值与脉宽呈正相关。由图14b可见，在喷油脉宽为48 ms，24 ms，16 ms，8 ms时，NOx平均排放分别为898.59×10-6，918.04×10-6，903.87×10-6，909.32×10-6。可见喷油脉宽对NOx排放的影响不大。由图14c可见，在未喷柴油时，各脉宽下的NO2排放几乎相同；在喷射柴油后，由于NO2会参加到THC的催化反应中，脉宽变大会导致THC排放增大，因此随着喷油脉宽的增大，NO2浓度则会降低。