柴油机DPF再生热管理策略的试验研究

为使柴油机达到国V及更高排放水平,传统的机内净化技术已经很难满足要求,必须与尾气后处理技术相结合来降低污染物排放量。温度是影响DOC转化效率和DPF再生效率的重要影响因素。本课题在一台高压共轨柴油机上,开展排气热管理主动控制策略以及DOC+DPF系统特性的试验研究。(1)研究了不同的排气热管理措施对DOC入口温度和DPF入口温度的影响规律,结果表明:进气节流对于提升DOC入口温度效果显著,改变EGR阀开度、主喷定时延迟、降低喷射压力对于提升DOC入口温度效果不太明显。近后喷射不仅可提升DOC入口温度,还有助于Soot的氧化。远后喷射对于提升DPF入口温度的效果显著,短时间内排放较大,需要合理控制远后喷油量。(2)进行DOC+DPF的系统特性试验。首先测试了实际工况下DOC的转化效率,研究结果表明:空速与排气温度是DOC转化效率的主要影响因素。排气温度的增加,CO和THC的转化效率增大;空速增大,CO和THC的转化效率降低。温度对NO的转化效率影响较大,NO的转化效率随温度增长呈现出抛物线趋势,在350℃左右达到峰值。但排气中的CO、THC、NO组分不同,会相互影响各自的转化效率。然后进行DPF平衡点温度试验,研究结果表明:不同工况下Soot和NOx排放以及排气温度会导致同一DPF存在多个平衡点温度,且平衡点温度大部分集中在300-400℃区间。研究了排气背压对发动机燃烧及排放特性的影响,研究结果表明:随着DPF压降增大,排气背压增大,缸压逐渐降低,预喷射燃油的燃烧结束时刻有所推迟,放热率峰值有所下降;主喷燃油的放热率峰值略有增加,燃烧持续期延长;缸内平均温度逐渐上升。就排放而言,Soot显著增长,CO排放增大,但NOx降低。(3)研究了热管理策略对发动机燃烧及排放特性的影响。试验先进行了单次后喷策略试验,研究结果表明:随着近后喷定时的推迟,后期膨胀的缸内平均温度逐渐降低,滞燃期增加,Soot和NOx降低,但近后喷定时进一步推迟时,Soot增加,CO与THC排放恶化;然后进行了两次后喷策略试验,研究结果表明:随着后喷间隔的增加,气缸压力、温度、瞬时放热率和累计放热量变化趋势基本保持一致,远后喷的燃油几乎没有参与燃烧。与单次后喷相比,两次后喷策略既能够显著提升排温,又能够同时降低NOx和Soot排放;但CO和THC恶化严重。最后,进行了不同目标温度的主动再生试验,研究结果表明:与触发再生前相比,再生状态下的燃烧相位明显推迟,放热过程滞后;放热速率慢,放热率峰值低;缸压曲线从双峰变为单峰状态,峰值压力相对有所升高;缸内平均温度降低,累计放热量增加。再生目标温度越高,峰值压力越高,放热量越大,但缸内平均温度峰值随之降低。再生期间,短时间内,DOC入口处CO、THC的排放急剧增加,但DPF出口处CO、NOx的排放相对较高。造成二次污染的原因是:其一,未完全氧化的燃油混合气会直接随着尾气排到大气中;其二,DPF中颗粒物未彻底燃烧而生成CO。(4)进行DOC+DPF再生控制试验,并提出了排气热管理策略。研究结果表明:再生热管理模式下,DPF入口温度达到目标温度,DPF内部开始氧化颗粒物,降低了DPF中沉积的颗粒物;再生目标温度越高,再生速率越快,提出阶段式再生的热管理策略,即排气流量较高、碳载量较小时,采用较高的再生目标温度;排气流量较低、碳载量较大时,选择较低的再生目标温度。