基于DOC氧化乙醇助燃再生DPF研究

焦宇飞，姚广涛，邓成林，张卫锋，资新运

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津300161)

基于DOC氧化乙醇助燃再生DPF研究

焦宇飞1，姚广涛2，邓成林2，张卫锋2，资新运2

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津300161)

针对传统的喷油助燃再生的柴油机颗粒捕集器(DPF)容易产生二次污染的缺点，提出借助柴油机氧化催化转换器(DOC)氧化乙醇产生热量进行DPF再生的方法。搭建系统硬件平台，在发动机台架上进行发动机排气温度和乙醇喷射量对DOC氧化乙醇效率特性研究，并根据氧化特性设定相关控制策略。将系统安装在堆高机上进行实车试验，试验表明，DOC氧化乙醇能够实现DPF再生。

乙醇助燃系统；柴油机颗粒捕集器(DPF)；柴油机氧化催化器(DOC)；氧化效率

柴油机具有良好的动力与经济性，被广泛用于大型道路与非道路移动机械上。但随着国Ⅴ排放标准的实施，颗粒物排放成为柴油机进一步推广应用的短板。柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filer，DPF)是降低颗粒物排放最直接、有效、实用的方法，再生技术是DPF的关键[1]。

对于DPF再生，目前使用较为广泛的是喷油助燃再生技术，该技术主要通过在柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)前喷射一定量的雾化柴油，通过DOC氧化柴油释放热量，提升DPF温度达到颗粒物着火点，实现DPF的再生，这种方法具有经济实用的优点[2-3]。但也存在一些不足，主要体现在：柴油密度与黏度较大，难以完全雾化，导致再生时难以完全氧化易产生CO、HC等造成二次污染[4-5]；柴油中的硫成分对于DOC寿命影响很大，很容易造成催化剂中毒；柴油的沸点与燃点较高，柴油机在低速与怠速状态温度较低，难以达到再生条件等。相对于柴油，乙醇密度和黏度都比较低，喷射过程更易被雾化；乙醇属于含氧燃料，且沸点较低、辛烷值高，再生过程更易被完全氧化产生更多热量，并减少二次污染的产生；乙醇中不含任何硫成分，不会产生影响DOC寿命的硫酸盐成分；乙醇属于可再生产品，清洁环保，非常经济适用。因此，采用DOC氧化乙醇的方法实现DPF再生，比传统喷油助燃系统有更大的优势。本文设计了一套利用DOC氧化乙醇的方法实现DPF再生的装置，并借助在线故障诊断(on-board diagnostics，OBD)技术实现数据的实时监控与故障报警。

1 基于乙醇助燃再生DPF系统构建

1.1 系统组成

基于乙醇助燃再生DPF再生系统构成如图1所示，再生系统包括排气管路、电控单元(electronic control unit，ECU)、温度传感器、背压传感器、氧传感器、乙醇喷射系统、DOC、DPF以及车载无线模块等。乙醇喷射系统由乙醇罐、储气罐、气泵、稳压阀和二位二通阀构成。系统控制气泵为乙醇提供喷射气压，在一定的喷射气压下空气罐气体流经稳压阀后分成两路，一路气体经过阻尼孔提供乙醇辅助喷射压力，另一路气体则提供乙醇的喷射压力，通过计量阀和二位二通阀调节乙醇喷射占空比实现乙醇喷射量的调节。

图1 乙醇助燃DPF再生系统

系统通过测定尾气的温度和背压，判断合适的再生时机，根据DOC氧化乙醇特性，选择合适的喷射时机和喷射量达到迅速提升DPF温度实现再生的目的。再生数据通过车载无线模块实时上传互联网，通过远程客户端实现对DPF再生过程的实时监控与诊断。

1.2 再生系统原理

再生时，喷射系统在尾气管上游喷射雾化乙醇，乙醇与尾气混合后流经DOC，在DOC催化剂的作用下，乙醇被氧气氧化，释放热量提升排气温度，使DPF升温达到再生目的。

2 乙醇氧化效率

为保证DPF再生成功，乙醇在DOC氧化过程中，温度必须达到颗粒物的着火点温度600°C，但又不能过高以避免损坏DPF。温度的控制受乙醇氧化效率与氧化时间的影响较大。因此需要研究乙醇在DOC中的氧化效率，来确定乙醇喷射的最佳时机与喷射量。

乙醇氧化效率在理论上通过下式得到[6]：

(1)

喷射质量可以通过称取乙醇喷射完毕实际减少质量获取，乙醇氧化质量则要通过燃烧释放的能量来计算。根据能量守恒定律，将排气加热到DPF再生温度需要吸收的功率：

QΔt=VExh·ρ·CExh·ΔT+ΔQ

式中：VExh为发动机排气流量，m3/h；GFuel为燃油质量流量，kg/h；n为发动机转速，r/min；l为发动机排量，L；k为涡轮增压器增压比；ρ为排气密度，kg/m3；CExh为排气比热容，J/kg·K；ΔT为排气升温，K；ΔQ为DOC散失热量，J/h。

在较短时间内，DOC散失热量较少可忽略，排气的比热容和密度用空气的比热容和密度近似替代[7]。由于乙醇氧化放热的热功率近似等于排气升温所需的功率，即

QΔt=QEth

(2)

式中QEth为DOC氧化乙醇释放的热功率，QEth=Q·qEth·ΔT乙醇氧化温度。其中：Q为计量阀喷射速率，kg/h；qEth为乙醇燃烧热，J/kg。

通过式(1)、式(2)可以得出乙醇氧化质量：

(3)

因此通过测定DOC后温度、DOC前温度、喷射时间就可以计算出乙醇氧化质量。

为了研究乙醇的氧化效率受排气温度与喷射量的影响，搭建发动机试验台架。试验中采用康明斯6BT5.9型号发动机，发动机具体参数见表1，DOC与DPF相关参数见表2。

表1 发动机参数

表2 DOC和DPF参数

台架主要由发动机、测功机、控制台、后处理装置、数据采集系统、尾气分析仪以及相应的传感器等组成。根据发动机台架管道布置，将DOC+DPF后处理装置安装在排气管道直管处，尾气分析仪两个取气口分别设置在DOC入口前25 cm处和DOC与DPF之间耦合间隙处。

在一定的喷射量与喷射时间条件下，通过调节发动机转速与负荷，测得发动机不同排温下的乙醇氧化效率随DOC入口温度变化(如图2所示)。由图可知DOC在低于220°C温度时，乙醇氧化效率较低，高于220°C以后，随着DOC温度的逐步提升，乙醇氧化效率迅速提升，并在270°C时达到接近90%的氧化效率，随着DOC温度的进一步提升，乙醇氧化效率提升速率变缓。

为研究乙醇氧化效率与乙醇喷射量的关系，在台架试验中测得乙醇喷射系统在辅助压力为400 kPa时，发动机转速分别在1 000、1 400、1 800 r/min时，不同转矩和占空比的乙醇氧化效率(如图3—5所示)。

图2 乙醇氧化效率随DOC入口温度的变化曲线

图3 1 000 r/min时乙醇氧化效率曲线

图4 1 400 r/min时乙醇氧化效率曲线

图5 1 800 r/min时乙醇氧化效率曲线

由图可知：在同一转速下，乙醇氧化效率随转矩的增加而增加；在相同的转速与转矩下，乙醇氧化效率随占空比的增加而逐步增加。占空比在30%以前，乙醇氧化效率较低，随着占空比的增加乙醇氧化效率迅速提升，达到60%以后上升趋势逐渐减缓。

根据乙醇氧化特性和应用过程中的经济实用性，在乙醇喷射再生系统中，选取270°C作为实现再生时DOC进气温度。再生过程中，乙醇以60%占空比进行喷射。系统工作时，利用背压传感器、温度传感器等对相关参数进行记录，同时计时器对ECU上电时间进行计时。当背压超过限值，或者ECU工作时间超过设定限值，且DOC入口温度到达270°C以上并能够持续40 s，说明具备再生条件，DCU控制乙醇喷射系统，以60%的占空比向尾气中喷射雾化乙醇，乙醇在DOC中迅速氧化使得DOC、DPF温度迅速提升。当DOC后排气温度即DPF前排温达到600°C时，达到PM颗粒着火点，开始进行再生[8]。为了避免温度一直上升损坏DPF，当DOC后排温达到700°C时，DCU控制乙醇喷射系统改变占空比，以30%的占空比进行喷射，降低乙醇氧化温度。当温度降到600°C以下时，重新改变占空比，从而控制再生时温度在合理区间，直到再生完成为止。OBD系统对再生过程进行监测实时上传数据并进行诊断，如果出现问题，则发出报警，点亮故障报警指示灯。

3 试验验证

3.1 试验装置

为了验证乙醇系统的再生效果，将其安装在卡尔玛KWT751E型堆高机上进行实车试验。根据堆高机结构特点，将乙醇喷头装在排气管尾部距离DOC前端10 cm处。在DOC前、后分别布置温度和背压传感器。

3.2 试验过程

堆高机再生一次数据如图6所示。由数据可知，发动机启动初期排温度较低，在120°C左右；在运行至800 s左右时，开始进行再生，DOC温度迅速上升至600°C，并能够稳定在600～700°C，再生过程共计持续600 s。DPF相对DOC温度有相对延迟，经过加热，DPF温度能够达到600°C以上，能够满足再生条件，实现DPF的成功再生。

图6 再生数据监测

4 结 论

(1)本文设计的一套利用DOC氧化乙醇助燃

DPF系统，通过进行实车试验，证明该系统能够使DOC温度维持在600～700°C，帮助DPF实现再生；

(2)乙醇氧化效率受DOC氧化温度与喷射占空比影响较大，在270°C、占空比为60%时，能够达到较为理想的乙醇氧化效率。

[1] HARADA K, YAMADA H. Development of high performance catalyzed DPF with new soot particulate trap regeneration[J]. Catalysis Suverys from Asia, 2010(14):176-184.

[2] 张德满,李舜酩,李凯,等.DOC辅助DPF再生方法研究[J].机械工程学报,2010,46(24):108-117.

[3] GAO W Z, FENG L M. FEM analysis on acoustic performance of wall flow diesel particulate filters[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2011,24(4): 701-706.

[4] ZHAO H, GE Y S, ZHANG T Z. Unregulated emissions from diesel engine with particulate filter using Fe-based fuel borne catalyst[J]. Journal of Environ menal Sciences, 2014,26:2027-2033.

[5] 资新运,杜小东,张卫锋,等.柴油机DPF系统OBD功能模块结构设计[J].内燃机,2012,46(6):28-30.

[6] 王丹,刘仲长,王忠恕,等.柴油机微粒捕集器缸内次后喷主动再生方法[J].吉林大学学报(工学版),2012,35(4):551-556.

[7] 冯谦,楼狄明,计维斌,等.DOC/DOC+CDPF对重型柴油机气态物排放特性的影响研究[J].内燃机工程,2014,32(3):1-6.

[8] Andrew P E York，Mehrdad Ahmadinejad. Modeling of the Catalyzed Continuously Regenerating Diesel Particulate Filter (CCR-DPF) System: Model Development and Passive Regeneration Studies[C]. SAE Paper 2007-01-0043.

(编辑：张峰)

Oxidizing Ethanol with DOC to Assist DPF Regeneration

JIAO Yufei1, YAO Guangtao2, DENG Chenglin2, ZHANG Weifeng2, ZI Xinyun2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Since traditional regeneration diesel particulate filer (DPF) easily produces secondary pollution, the paper firstly puts forward the method of oxidizing ethanol with diesel oxidation catalyst (DOC) to assist DPF regeneration. Then, it establishes hardware platform of the system and studies the influence of engine exhaust temperature and ethanol injection quantity on oxidation efficiency on engine test bed, and sets up related control strategy according to the oxidation property. Finally, it tests the system on forklift, and the result shows that oxidizing ethanol with DOC can realize DPF regeneration.

ethanol combustion-supporting system; diesel particulate filer (DPF); diesel oxidation catalyst (DOC); oxidation efficiency

2017-02-27；

2017-03-16. 作者简介： 焦宇飞(1991—)，男，博士研究生.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.009

TK421

A

1674-2192(2017)08- 0037- 04

● 车辆工程 Vehicle Engineering