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燃烧器喷雾参数对DPF主动再生的影响

2021-12-28 20:36:15·  来源：内燃机学报  
　
柴油颗粒捕集器（DPF, diesel particulate filter）在颗粒物（PM）堆积到一定程度时需要进行氧化再生，包括被动再生和主动再生。通常被动再生不太充分，需要采取
柴油颗粒捕集器（DPF, diesel particulate filter）在颗粒物（PM）堆积到一定程度时需要进行氧化再生，包括被动再生和主动再生。通常被动再生不太充分，需要采取主动再生措施，而主动再生中DPF温度分布是影响其催化氧化性能的重要因素。本期推文笔者采用燃烧器＋DOC＋DPF 的模式，进行不同碳载量下的主动再生试验，并且通过CFD 仿真，分析补气量、喷油量、喷油锥角和喷油压力对燃烧器内温度场的影响，以期优化燃烧器参数。
1、试验装置
试验采用旋流式燃烧器，DPF采用碳化硅(SiC)载体。试验用发动机为某直列4 缸、高压共轨柴油机，表1为发动机主要技术参数，表2为后处理装置相关参数。
表1 发动机主要技术参数
表2后处理装置相关参数

图1为试验用旋流式燃烧器结构，主要包括燃烧器本体、点火棒、喷油嘴和控制器。控制器可实时读取温度、压力采集模块中的数据，控制点火棒的点火、关闭及油泵、气泵的启停。喷油前10 s 打开点火棒预热，工作期间点火棒均处于打开状态，以保证稳定的着火。


图1 燃烧器结构示意
再生时DPF 内部温度场的均匀性将影响PM 的氧化效率以及再生的完全性，再生的不均匀性可能导致DPF内较高的温度梯度，造成热冲击与载体的热应力损坏。笔者通过布置热电偶，对DOC氧化HC及DPF再生时载体内部温度场进行实时监控。


图2热电偶布置示意

2、结果分析
采用燃烧器＋DOC＋DPF模式，为了测试燃烧器对DPF再生性能的影响，将发动机稳定在转速为1 400 r/min、转矩为0 N·m 工况下，在碳载量为4 g/L和6 g/L时进行主动再生试验。将DPF前温度控制为620℃，再生时间为900 s，取下DPF称重。
图3为再生前、后碳载量和再生效率对比，碳载量为4 g/L、6 g/L时的再生效率分别为72.4% 、65.8% ，两种初始碳载量条件下的再生效率均较低。图4为燃烧器再生时的DPF压降。再生开始时压降分别为0.5 kPa、3.1 kPa。随着再生的进行，两种碳载量条件下的DPF压降均快速升高，再生300 后，压降逐渐降低。因排气质量流量较小，再生前、后压降差异不大。


图3 主动再生前、后碳载量


图4 不同碳载量下燃烧器再生的DPF压降
图5为燃烧器再生时DPF内部温度场对比。碳载量为4 g/L 时DPF内的最大温差高达373.4℃，6 g/L时的最大温差高达534.1℃，稳定后温差分别为124.9 ℃、139.1℃。两种碳载量下前、后段温度相近，中段温度最低。其温度分布不均匀是载体中碳烟分布不均匀所致，碳烟在7/8R处的分布明显少于中心和1/2R处，且因孔道中碳烟分布呈两头多、中间少的形式，使中段的7/8R处温度过低。




图5 DPF内温度场及DPF内径向温度梯度
碳载量为6 g/L条件下DPF再生时温度曲线存在一个明显的波峰，测点4、7、8 为温度最高的3 个测点，温度分别为905.9、1 020.4 和987.9℃，后段温度远高于中段与前段，测点4与测点7最大温差为114.5℃。碳载量为6 g/L时，再生释放热量较大，温度曲线中出现较高波峰，对比图5c 可知，达到温度峰值时的DPF径向温度梯度同时达到最大，其1/2R处与7/8R处之间的温度梯度较大，前、中、后段1/2R处与7/8R处之间的温度梯度分别为45.5、106.5 和127.8℃/cm。温度急剧升高与长时间高温，会对载体产生较大的热冲击，严重时导致载体烧融，同时也会降低催化剂性能。燃烧器再生时应将DPF 碳载量控制在合理范围，以避免载体内部温度过高，温度升高过快，同时需要优化喷油策略以实现对再生温度的精确控制，确保高效的再生。
喷油助燃氧化再生采用尾管喷油，由DOC氧化HC，以提高排气温度，其结构为燃烧器＋DOC1＋DOC2＋DPF，将发动机调节到转速为2 000 r/min、转矩为180 N·m(此时DPF前温度约为280℃)，保温300 s后通过喷油器喷油，喷孔直径为1.0 mm、喷油频率为10 Hz、开度为60%、DPF前温度约为600℃、碳载量为6 g/L 且再生时间为1 200 s。图6为喷油助燃氧化再生时DOC1 后、DOC2后、DPF后温度。排气流经DOC1与DOC2，温度分别提升了206℃、77℃。DOC1 在入口温度更低的条件下升温能力更强，一方面，在DOC1处有较为充足的HC 与O2参与催化氧化反应；另一方面，由于DOC2处更高的温度，使得其与外界换热能力增强，相同热量下对气流的升温没有DOC1显著。DPF 通过再生时碳烟氧化释放热量，使气流温度上升。


图6 DOC1后、DOC2后、DPF后温度
图7为喷油助燃再生时DPF内的压降变化。随着柴油的喷入，气流温度升高，体积流量增加，DPF压降升高。压降随着再生的进行逐渐降低，再生结束时压降比开始时低2.3 kPa。再生结束后剩余碳载量为2.53 g/L，再生效率为57.8%，低于燃烧器的再生效率，这是由于再生温度不高且时间较短。图8 为DOC2及DPF内部温度场对比。随着柴油的喷入，DOC2的温度开始升高，约在83 s 时出现一个波峰，峰值为424.3℃，随后温度快速升高，在230 s时开始稳定，整个温度场较为均匀。波峰的出现是因为来自DOC1的高温排气对DOC2进行加热，使温度快速升高，但是DOC1中未完全蒸发的柴油到达DOC2后蒸发、吸热，使其产生小幅度降温。DPF中心温度在温度稳定之前出现一个波峰，前段与中段中心温度在波峰后明显下降，其受DOC2的影响，温度明显低于其他位置，但在再生阶段，后段温度几乎没有降低，最大值为648.8℃，高于稳定温度，这是由于载体中、后段颗粒物分布不均匀且沉积较多，再生时放热较多。


图7 喷油助燃氧化再生的DPF压降


图8 DOC2及DPF内部温度场
DPF三维CFD 仿真分析见原文[1]。

文献来源
[1]陈贵升,杨锐敏,蒋文涛,等.燃烧器喷雾参数对DPF主动再生的影响[J].内燃机学报,2021,(06):506-514.
学报简介
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目”能源与动力工程类前列。《内燃机学报》主要刊载内燃机方面有较高学术价值和应用价值的学术性论文，在海内外有广大的读者群，是内燃机工作者的良师益友，欢迎登录《内燃机学报》官方网站（www.transcsice.org.cn）投稿。
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