柴油机EGR和微粒过滤器的试验研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要:采用废气再循环(EGR)技术与微粒过滤器(DPF)同时降低了柴油机NOx与PM的排放;基于宽范围氧(UEGO)传感器的闭环反馈控制EGR系统,在不同工况下,通过试验方法确定柴油机的空燃比及其它性能参数与EGR率的关系,寻找最佳EGR率,得出了最佳EGR率与空燃比的关系;对于微粒过滤器主要进行了再生的试验研究,通过对加热器的结构和辐射盘上流通孔分布的优化后,研究了再生所用的废气量对再生温度的影响。试验结果表明,闭环控制的EGR系统标定后,在对柴油机的动力性和经济性影响比较小的前提下,大幅度降低了发动机的NOx排放;微粒过滤器系统经过合理的再生优化,再生温度能控制在900℃左右,再生效率能达到80%以上。
关键词:柴油机;微粒过滤器;NOx;EGR
中图分类号:TK421. 5　　　文献标识码:A
引　言
NOx与微粒(PM)是柴油机主要的排气污染物,同时也是当今车用柴油机降低排气污染急需要解决的问题,目前国内外的许多学者都在致力于降低柴油机NOx与PM排放的研究。
废气再循环是降低柴油机NOx排放的主要措施,将柴油机燃烧后的废气引射回进气管中进行二次燃烧,增加进气工质的热容量,降低燃烧温度,从而降低NOx的排放。在降低NOx的同时将导致功率和油耗的降低,烟度的增加,所以要在发动机的各个工况确定最佳的EGR率并且进行精确控制。本文主要是采用基于宽范围氧(UEGO)传感器的闭环反馈控制EGR系统,在不同工况下,通过试验方法确定柴油机的空燃比及其它性能参数与EGR率的关系,寻找最佳EGR率,得出最佳EGR率与空燃比的关系。
柴油机微粒过滤器(DPF),是目前国际上公认的、最实用有效的微粒后处理技术[1], DPF系统一般由过滤装置、再生装置、控制装置三部分组成,其关键技术之一是过滤体再生。微粒的清除即为过滤体的再生。DPF工作时, PM被滤芯吸附过滤,随着工作时间的增长,过滤体内积聚的PM增多,排气背压上升,导致柴油机的动力性和经济性下降,因此必须对微粒进行适时清除。在实车应用时,DPF的再生是在柴油机实际运转工况下进行的,而不同工况的废气氧含量是不同的,对再生能否顺利进行以及再生的效率都产生影响,本文对此也作了试验研究。
1　EGR系统和DPF的试验装置和试验方法
图1为柴油机EGR系统与DPF的结构简图。试验所用的柴油机为4100Z型4冲程, 4缸直喷增压柴油机,其具体参数在表1中列出。
EGR的废气从涡前取气,经EGR冷却器和EGR阀后,与增压后的空气在文丘里管中混合,进入发动机燃烧室内燃烧。采用EGR冷却,一方面保证氧传感器的工作可靠性,另一方面降低由于进气引起的温升。在EGR率的控制方面,电控单元根据转速、油门位置来判断发动机工况,输出控制信号,由步进电机来控制EGR阀的位置,这时氧传感器将检测到的空燃比反馈给控制单元,控制单元根据目标空燃比与实际空燃比进行校正,获得EGR阀位置的精确闭环控制。对于PDF,过滤时,三通阀处于中间位置,废气同时从2个DPF中流过。若背压达到预先确定的值时,则开始再生。一个再生时,另一个处于过滤状态。再生过程分成2个阶段:加热阶段和燃烧阶段。2个阶段加热器始终处于加热状态。在加热阶段,三通阀关闭流经再生陶瓷的气流,便于快速升温。
当再生陶瓷的前端温度达到微粒的起燃温度600℃时,三通阀开始动作使一定量的废气流经再生陶瓷,前端迅速燃烧,燃烧火焰向后传播,很快将捕集在过滤器上的微粒全部烧掉,实现过滤器的再生。再生后三通阀又回到中间位置,整个再生过程中三通阀是由步进电机精确控制。

2　EGR试验结果
试验选择的柴油机转速为1 600 r/min,负荷为该转速下最大负荷(240N·m)的10% , 25% ,50% , 75% , 100%。在试验中,测功器设定在定转速/定油门模式,通过调节EGR阀的开度来测试EGR率和发动机的其他主要参数。图2~7是碳烟、扭矩、油耗率以及NOx,CO,HC的质量分数随EGR阀和负荷的变化情况。从图中可以看出,加大EGR率能降低NOx的排放,在大负荷下表现的最为明显,但是会引起烟度的增加,在大负荷区域还会引起扭矩的降低。在各个负荷下,油耗变化并不十分明显,在小负荷下随着EGR率的增加,油耗率基本不发生变化,在中高负荷油耗略有增加的趋势。随着EGR率的增加CO大幅增加,这是由于废气的增加,使得进入进气管中的空气量减少,空燃比急剧下降,导致燃烧不能完全进行所造成的。随着负荷和EGR率的增加,HC的浓度开始增加的,这是由于随着EGR率的增多,空燃比下降,燃烧始点向后推迟,着火延迟期变长,最终导致一部分HC没有来得及燃烧就随废气一起排出气缸。为了研究EGR系统的氧传感器闭环控制,图8中建立了不同工况下EGR率与空燃比的关系。考虑各种因素与折中关系后,以EGR降低NOx的同时,碳烟、油耗率的增加和扭矩的降低最小为原则,得到了图9的最佳脉谱图,根据图8中负荷-EGR率-空燃比的关系得到最佳EGR率所对应的空燃比,从而能实现基于氧传感器的EGR闭环反馈控制。
3　DPF的废气再生
在DPF的再生过程中,研究人员通过调整加热器流通孔的流通面积和加热丝在辐射盘上的分布密度,使再生期间过滤器内的最高温度与温度梯度都得到了合理的控制[2]。
考虑到在实际应用时,DPF的再生是在柴油机实际运转工况下进行的,不同工况的废气氧含量不同,一般来说,柴油机的氧含量变化范围为8%~17%,所以应选择调节阀的开度,保证再生顺利进行,以及较高的再生效率。当负荷增加时,用于再生的废气氧含量下降,要保证过滤器再生所需要的氧含量,就必须加大调节阀的开度来维持正常的燃烧,当调节阀的开度过大时,流经再生陶瓷的废气流量会很大,将会带走大量的热量,使再生温度急剧下降,导致再生效率降低。所以选择合适的调节阀开度非常重要。在试验中,选择额定转速的70%转速(2 240 r/min), 75%负荷的工况挂烟,没有使用废气再循环,然后在此工况下再生,调节阀的开度分别为2°, 4°, 6°。图10~12分别是再生过程中不同调节阀开度的陶瓷内部各点的温度变化曲线,图13是陶瓷体内热电偶的位置示意图,其上的1,2,3点对应于图10~12上的1,2,3点。


从图中可以看出,当调节阀的开度较小时,提供再生所需要的氧气量不足,燃烧峰值温度和平均温度降低,再生效率在60%左右;当调节阀开度增大到4°时,这时氧气量比较充足,燃烧温度较高,而且废气带走的热量也不是很多,再生效率能达到80%;当调节阀的开度增大到6°时,废气带走的热量较多,再生温度急剧下降,再生效率较低,只能达到50%左右。从调节阀的开度为2°,4°, 6°的比较还可以看出,随着调节阀开度的增加,再生的时间略微缩短。

4　DPF的压缩空气量再生
发动机在实际工作时主要是利用废气进行DPF的再生,但是基于试验台架的研究,本文也进行了利用压缩空气再生的试验研究。压缩空气中的氧含量高于废气中的氧含量,从而有两方面的优势,一方面氧气充分,燃烧温度较高,能充分燃烧;另一方面,由于压缩空气中的氧含量较高,再生所需要的气体量要少于用废气再生所需要的气体量。从图14~16中可以看出,1.0m³/h的压缩空气再生温度不高,微粒燃烧所需要的气量不足,燃烧不充分;随着气量的加大, 2. 5m³/h的压缩空气能使再生较充分的进行,而且气体带走的热量也不多,燃烧温度比较高;气量进一步加大到4·0m³/h时,前端的温度迅速升高,接近1 100℃,但随时间的增加迅速地降低,而且降低的速率较快,过滤器中端温度升高的不是很多,只达到了800℃,大量的热量通过陶瓷的前端与中端带走,导致后端的温度较低,甚至不能再生。气量过大、过小都会使再生效率降低。但是随着气量的加大,再生所需时间缩短,主要是由于气体流速加快,使燃烧速率加快。

以上是在没有废气再循环的情况下进行的再生试验,在使用废气再循环时,微粒的排放是增加的,导致排气压力增加的速度加快,再生周期缩短;另外应该加大再生控制阀的开度,因为废气再循环使废气中的氧含量降低。通过合理优化图1中的三通阀的调节开度,DPF同样能达到无废气再循环时的再生效率。

5　结束语
a.采用EGR技术和DPF能同时降低柴油机NOx与PM的排放。
b.基于UFGO传感器的新型EGR系统能比较精确的控制EGR率的大小。
c. DPF再生用的废气量或压缩空气量从两方面影响再生,一是氧浓度,二是气体带走的热量。再生用的废气量和压缩空气量必须保证微粒再生有充足的氧含量,否则再生不完全;同时废气和压缩空气将带走再生时产生的热量,使再生最高温度降低。

上海联兵环保科技有限公司
地址：上海市松江区工业区茸北分区茸阳路69号
总机：021-51691929
传真：021-57784244
免费电话：400-600-5030
技术支持：13641659499
E-mail：zhanglianbing@126.com
http://www.shlbhb.com