基于气流引导的碳化硅CDPF主动再生温度特性

柴油机颗粒捕集器(DPF)是降低颗粒物排放最有效的后处理装置之一，其关键技术是DPF 再生。后处理结构的设计直接影响发动机废气流动的均匀性，从而影响DPF 再生温度的均匀性。目前，在后处理系统封装结构对DPF 再生温度特性方面的研究较少，基于此，笔者首先对原机新型国Ⅵ碳化硅催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)喷油点火主动再生进行了试验，然后针对原机试验中再生峰值温度和峰值温度梯度较高问题，提出了导流装置的两种优化方案，并进行了原机方案、优化方案的流动特性分析；基于较优方案，选用新型国Ⅵ碳化硅CDPF 分别进行喷油点火主动再生和喷油助燃主动再生试验，对再生时的温度、温度升高速率和温度梯度进行研究，以期为实现CDPF安全再生提供参考。

试验基于D30TCI 高压共轨电控增压、直列4 缸柴油机开展，发动机排量为2.98 L，最大转矩为400 N·m(1 600～2 600 r/min)，在发动机排气管后端加装后处理系统进行再生试验，图1 为再生试验装置布置。具体的实验方法见参考文献[1]。

图1 再生试验台架示意

图2 为DOC+CDPF 流场模型构建。图3 为DOC、CDPF 压降和温度的模拟值与试验值对比。在捕集工况下，通过在DOC、CDPF 前、后端安装的压力传感器和温度传感器，得到排气流过DOC、CDPF 后的压降和温度。在相同条件下，流场模型中DOC、CDPF 前、后端的压降、温度与试验值相比，误差较小，可用于仿真计算。

图2 DOC＋CDPF流场模型构建

图3 DOC、CDPF压降、温度的模拟值与试验值对比

由图4、图5 可知，方案1 和方案2 的导流板前端断面下端均有速度较高的扇形区域，且方案1 的流速大于方案2，这是因为方案1 的导流板小孔直径减小，流速增大。原机方案中气流流经DOC 进口端时，进口端断面下端的气流速度明显大于上端。方案2 的DOC 进口端断面的速度均匀性优于方案1，在DOC 轴向中心区域的效果更加明显。随加装导流装置的开孔率增大，DOC 进口端断面的速度均匀性系数由0.816增大至0.967。其相应的压力分布和温度分布见参考文献[1]。

图4 导流板前端和DOC进口端气流速度

图5 不同方案下的速度均匀性系数

4.1 CDPF喷油点火主动再生温度特性

图6 示出碳载量为6 g/L 时方案2 下DOC 和CDPF喷油点火主动再生过程内部温度变化。从DOC 的温度分布可知，DOC 内部温度呈中心温度高、四周温度低的趋势，最高温度出现在载体中心测点a 处(780 ℃)，但DOC 内部径向上各点的温度相差较小，保证了CDPF 进口端温度场分布较均匀。DOC 内部温度出现多个峰值是因为燃烧器采用脉冲式不断喷射HC，当HC 积累量大于氧化量时，导致温度下降。当氧化继续进行，氧化量高于积累量且氧化速率一定时，载体内部温度保持稳定。在900 s 以后结束喷射HC，仅有载体内部的碳烟燃烧，温度较稳定。

图6 DOC和CDPF喷油点火主动再生时内部温度场

4.2 CDPF喷油助燃再生温度特性

图7a 中，DOC 进口温度达到280 ℃后，保温5 min，通过燃烧器喷油，DOC 氧化HC 放热，将CDPF 进口温度提升至500 ℃后，保温30 min，进行再生。CDPF 后端温度高于前端，一方面，载体内碳烟氧化再生，释放大量热量，提高了温度；另一方面，CDPF 涂覆催化剂对HC 也具有氧化的作用，DOC 中未被氧化完的HC 继续在CDPF 载体内氧化升温，同时，载体散热速度小于排放物氧化放热提升温度的速度。图7b 中，CDPF 载体内部轴向方向上前段、中段、后段峰值温度依次升高，径向方向上整体呈越靠近外缘处温度越低的规律；其中再生时的峰值温度出现在载体后段，为597.8 ℃。

图7 DOC和CDPF喷油助燃主动再生时内部温度

图8a 中，主动再生时载体测点1′、4′和7′的最大温度升高速率分别为8.1、8.7 和5.6 ℃/s，较喷油点火主动再生时的温度升高速率分别降低45.64%、15.94%和39.13%。这主要是因为采用喷油助燃主动再生方式时，燃烧器喷射HC 后，在DOC内部进行氧化升温，温度较低，故CDPF 内的再生速率也较低。图8b 中，载体在进行主动再生时轴向和径向方向上的温度梯度变化幅度较小，轴向上峰值温度梯度为3.41 ℃/cm ，径向上峰值温度梯度为4.37 ℃/cm，使载体在主动再生时所受的热冲击和热应力较小。

图8 CDPF喷油助燃主动再生时温度升高速率和温度梯

(1) 采用喷油点火主动再生方式时，无导流装置的原机方案CDPF 再生峰值温度、最大温度升高速率和最大温度梯度分别为1 239 ℃、73.9 ℃/s 和124.9 ℃/cm，使载体出现热熔失效和热应力失效。

(2) 无导流装置时，后处理系统内部的速度均匀性较差，温度场分布不均匀；加装导流装置后，随导流装置的开孔率增大，速度均匀性系数增大至0.967，其温度分布更加均匀。

(3) 采用高开孔率方案(方案2)时，不同再生方式下的CDPF 载体内部的峰值再生温度均出现在载体后段位置，且中心温度高于外缘温度。

(4) 采用喷油点火和喷油助燃两种主动再生方式时，高开孔率方案的再生峰值温度为845.5 ℃和597.8℃，温度升高速率为 14.9℃/s 和 8.7℃/s，最大温度梯度为31.78℃/cm 和4.37 ℃/cm，较原机方案均大幅降低，载体所受的热冲击和热应力较小，能够保证载体在主动再生过程中安全可靠。

1]陈贵升,李冰,李靓雪,彭益源,马龙杰,张韦.基于气流引导的碳化硅CDPF主动再生温度特性[J].内燃机学报, 2022,40(02):135-143.

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