DPF机内再生的控制策略研究

段旭东,姬凯凯

(1.四川职业技术学院 汽车技术学院,四川 遂宁 629000;2.联合汽车电子有限公司 柳州分公司,广西 柳州 545000 )

相比于汽油机,柴油机拥有更优越的燃油经济性和动力性,但是由于使用时产生较多对人体有害的污染物,并且这些污染物比较难以控制,限制了其在汽车上更广泛地使用.柴油机尾气中的污染物主要包括氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)、碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO),其中颗粒物和氮氧化物为主要污染物.单靠柴油机技术的改进和各种优化策略的应用,使柴油机排放达到欧Ⅳ排放法规的要求已是极限[1-3].

微粒捕集器(DPF)是满足未来车用柴油机严格排放法规的重要技术之一,然而DPF的再生是制约其发展的关键因素.DPF再生技术分为主动再生和被动再生两大类.主动再生是利用外加能源提高排气温度或捕集器滤芯的温度达到微粒的起燃温度(500℃～600℃)进行再生;被动再生是利用催化作用降低微粒的起燃温度,使得微粒能在柴油机正常行驶条件下燃烧,实现再生.受柴油机排气低温特性限制,没有一种被动再生方法能使柴油机在所有运行工况内都实现可靠彻底的再生,因此必须按照一定的再生控制策略定期地进行DPF主动再生.机内在再生期间需要定期的后喷以保证有足够的排气温度,而后喷会产生额外的排放污染[4-6].

朱浩等[7]人研究了后喷定时(POI)和排放之间的关系,发现后喷定时对排放有较大影响;此外,王丹等[8]人研究了POI同时降低NOX和PM的可行性;M等[9]人在稀燃NOX捕集技术(LNT)再生期间提出平均有效压力(IMEP)作为POI定时的控制参数.

综上所述,POI定时对排放有决定性的影响,合理的POI控制策略,可以降低排放,优化控制成本.在本研究中,为了减少用于查表POI定时的校准工作,同时考虑后处理系统再生的废气排放特性的若干限制,提出一种基于缸压信息的燃烧分析方法.根据放热率HRR分析推导出放热率最大值位置之后燃烧质量分数为X%所对应的曲轴转角,以补偿由于发动机工况变化引起的燃烧相位的变化,从而更易分析出在各种发动机运行条件下根据POI定时变化的排放趋势.

1 试验系统

1.1 试验装置

试验系统包括试验发动机、测试设备、数据采集系统以及电控系统.发动机试验台架总体布置如图1所示.试验采用一台高压共轨柴油机,其主要技术参数如表1所示.试验中喷油量、喷油时刻、喷射压力等通过WITA 3发动机标定软件修改,转速和扭矩采用四川城邦测控ET2000系统测量,燃油消耗率采用同圆智能油耗仪测量,缸内压力通过Kistler5087b传感器测量,经Kistler5011B型电荷放大器和NI USB6353数据采集卡传至数据采集系统进行数据的处理、显示和存储,烟度排放采用AVL 415s测量仪测量,尾气中的常规排放物采用HORIBA MEXA-7100D测量.

图1 发动机试验台架

表1 试验机主要技术参数

1.2 试验方法

为了分析POI定时对排放和燃烧的影响,在各种POI条件下,在1300r/min和1600r/min的发动机速度下总共选择36个不同的测试条件.试验工况条件见表2.

表2 试验所选运行工况

将测试分为三组,总结在表2中:(1)在1600r/min保持恒定喷射压力,在不同的POI定时条件下, 改变POI的喷射量;(2)在1600r/min保持恒定POI量,在不同的POI定时条件下,改变共轨压力;(3)在不同的发动机转速和POI定时条件下,以6mg / s的POI量改变主喷(MI)量以研究燃烧相移.

在这些试验过程中,空气系统执行机构的位置保持不变,并且关闭废气再循环(EGR)系统以减少来自EGR供应而引起的任何干扰,预喷(PI)和MI的时间保持不变.

2 参数定义

各种参数定义如下:

(1)

式中,HRR为瞬时放热率,Vcy为缸内体积,Pcy为缸内压力,LHRRmax为最大放热率所对应的位置(°CA ATDC),HR为累计放热量,IMEP为平均指示压力.

(2)

(3)

式中,SLHRRmax是最大放热率后的燃烧速率;qMI为主喷油量;ωLHRRmax为主喷油量已燃烧的质量分数;Lc是当前曲轴转角;LXHRRmax为主喷油量燃烧X%质量分数时对应的曲轴转角.

3 试验结果及分析

为了理解POI定时对燃烧的影响并导出POI定时控制参数,研究了在不同的发动机运行条件下,根据POI定时变化的排放趋势和汽缸压力信息,例如表2中不同的POI数量、共轨压力、MI数量和发动机转速情况.

3.1 不同POI定时和油量对排放的影响

图2是不同后喷定时下的排放趋势.为了弄清楚POI定时与排放趋势的相关性,POI数量4 mg / str(4mg每循环)增加到8 mg / str(8mg每循环),增加步长为2mg/str(2mg每循环).POI定时从20°CA ATDC延迟到50 °CA ATDC,延迟步长为10°CA.随着POI定时推迟,排气过量空气系数λ稍微变浓,随后变稀薄.因此发动机扭矩先有一个小的增幅,随后减小,这意味着随着POI定时的延迟,燃烧效率降低.NOX平稳地减少,由于燃烧变差导致THC和CO浓度增加.POI油量增加,过量空气系数变浓,扭矩增加,对排放影响较小.综上所述,不同近后喷油量的排放和燃烧趋势较为接近,而近后喷的定时是对排放和燃烧造成较大的影响,所以POI定时是再生环节需要控制的主要参数.

a对λ的影响

3.2 不同转速以及喷射压力对排放的影响

由于轨压和转速可能会影响燃烧相位,所以需要验证不同轨压和转速下的POI定时.如图3所示,在相同的喷射压力下,在1300r/min下,λ随着后喷定时的延迟,呈现出先增加后趋于平衡,IMEP先较快降低再趋于平缓.在1600r/min下,λ随着后喷定时的推迟,开始有一个小的下降然后逐渐上升,IMEP先增加后降低.轨压为100MPa时,λ较浓,且扭矩较50MPa的高.原因与3.1相似,因为后喷定时的推迟,缸内温度下降,后喷燃烧变差,导致了λ逐渐变浓,扭矩逐渐下降,而轨压越高时燃油雾化越好,燃烧较50MPa时的好.

a对λ的影响

对于排放结果而言,在各种转速和喷射压力下,表现出大致相同的趋势.对于THC和CO而言,随着后喷定时的推迟,在30°ATDC后,排放恶化明显.这是由于此时气缸温度降低,导致燃烧不完全,从而产生大量THC和CO.对于FSN和NOX而言,均呈现出降低的趋势.这是由于在上止点之后开始放热,第一峰值较低,使得NOX生成较低,中期扩散燃烧加速,使燃烧过程提前结束,从而不仅降低了NOX排放,而且也降低FSN排放[10].

在1300r/min下,将共轨压力从100MPa降低到50MPa,以探究共轨压力对燃烧和排放的影响,并且在POI定时从20到50 °CA,ATDC以10°CA步长延迟,如图3所示. 随着共轨压力降低,排气λ缓慢增加,导致来自POI的喷射燃料较少地汽化和混合,也导致了IMEP略有下降.从以上测试结果可以看出,同样的工况条件下,喷射压力越高,平均指示压力越大;对于THC和CO而言,较高的喷射压力表现出较好的排放特性.这是由于喷射压力越高,燃油扩散越分散,与空气混合更均匀,从而燃烧越完全;对于FSN而言,喷射压力高,FSN排放低.这是由于提高喷油压力,改善燃油雾化,能够促进油气混合的均匀性,从而减少碳烟的生成.对于NOX而言,喷射压力高,NOX排放高.这是由于燃烧更充分,也使得最高燃烧温度相应增加,因此NOX排放量增加[11-13].

3.3 POI定时控制参数

如图4可知,可以随着POI定时的推迟,缸压只出现很小的差异,但是瞬时放热率的第二个波峰有很明显的区别,所以HRR的第二个波峰可以作为一个POI的控制参数,但是对于这个参数有较大的周期性变化,不能作为POI的控制参数;对于累积放热率HR也未呈现较大的差异.所以常规燃烧分析不能找到一个对POI精确控制的参数.

a 4mg/str

燃烧始点(SOC)恒定,PI和MI的定时不变;在PI和MI数量不变的情况下,MI的燃烧持续期一定[14-15].

3.4 LXHRRmax下的排放对比分析

为了证实这种分析方法,将POI定时转化为LXHRRmax.如图5所示,排放和扭矩的趋势可以很明了地看出,并且与主喷油量无关.可以看到当LXHRRmax超过1个值时,CO和THC排放突然增加,由于此时主喷油量已经燃烧较多,缸内温度降低导致后喷燃烧恶化.烟度呈现出U型的趋势,可以找到最低烟度排放位置,且不受主喷油量和转速影响[16-17].

a对烟度的影响

考虑到上述发现,分析汽缸压力信息以得出可用于POI定时控制的代表性参数.

图5是LXHRRmax控制下后喷油量为4mg/str时的排放特性曲线.所以,由图可知,LXHRRmax可以补偿由于发动机工况改变而引起的燃烧相位偏移,并且可以找到再生过程中较好的POI控制参数保持低NOX和soot的排放和足够的还原剂以保证在DOC中氧化放热.

4 结论

在这项研究中,我们提出了一种新的燃烧分析方法,以补偿在POI期间的燃烧相移,并分析POI定时对各种后处理系统再生的燃烧和排放的影响.所提出的LXHRRmax是从气缸压力信息中导出的,并通过使用LHRRmax和MI数量信息来计算.主要研究结果总结如下:

(1)通过应用建议的LXHRRmax,无论MI数量和发动机转速情况如何,后喷期间由于燃烧相移而分离的排放趋势均可得到补偿.因此,在不同的发动机转速和MI量条件下,POI的排放和转矩趋势可以在推定的LXHRRmax域上与曲轴转角域上的分析结果进行比较.

(2)根据所提出的方法,可以在所提出的LXHRRmax域上建立不同后处理系统再生的最有效的POI定时范围.验证了基于LXHRRmax域的反馈控制策略可以实现较低排放的同时减少校准工作.