程曉章， 魏 明， 吳衛(wèi)國， 周 平， 余 昳

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽艾可藍節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰荆不?池州 247100）

0 引 言

近些年來，城市環(huán)境污染問題越來越引起人們的重視，特別是霧霾天氣的頻繁出現，嚴重影響人們的身體健康，其中柴油機顆粒物排放的影響不可忽視。與汽油機相比，柴油機尾氣中顆粒物的排放量要高出30～60倍［1］，同時NOx的排放也高出很多［2］。目前解決柴油機尾氣中顆粒物排放的最有效方法是在排氣管后加裝微粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）裝置，但DPF一直受再生問題的困擾。

國外一些發(fā)達國家普遍采用含有貴金屬（Pt、Pa等）催化劑的DPF，稱之為連續(xù)再生式DPF，催化劑可以降低微粒燃燒的著火點，因此該裝置不需要其他助燃設備對其進行加熱處理，但受燃油中硫含量的影響巨大，一般要求含硫量低于0.005%［3－4］，硫含量過高直接會使催化劑中毒失效，而我國目前除了北京、上海等大城市外，其他城市油品硫含量都在0.035%以上。

本文設計了一套噴油助燃式強制再生微粒捕集器，該套設備的研發(fā)是基于我國目前絕大多數油品硫含量超標的現狀，通過噴油燃燒來提升排氣管中的溫度，從而達到微粒的著火點（850K）實現再生［5］。

1 噴油助燃再生系統(tǒng)

1.1 DPF捕集原理

本文研究的噴油助燃式DPF采用壁流式蜂窩陶瓷材料制成的過濾體，主要由熱脹系數低、造價低廉的堇青石制成，對微粒的捕集效率可達90%以上［6］，而且對排氣中的SOF（有機可溶成分）也有一定的捕集效果。堇青石過濾體的實體如圖1所示，過濾體捕集過程的示意圖［7］如圖2所示。過濾體兩端面上的小孔間隔堵死，排氣從過濾體的一端進入，而小孔的另一端已經被堵死，排氣必須從小孔壁面進入相鄰的小孔，相鄰的小孔在另一端是開口的，在此過程中，排氣中的顆粒物即被壁面過濾截留下來了。

圖1 堇青石過濾體

圖2 過濾體顆粒捕集過程示意圖

1.2 噴油助燃再生系統(tǒng)的結構和工作原理

根據國內公交車柴油機結構特點，綜合考慮燃油特性等諸多因素，設計了一套DPF系統(tǒng)，其總體構架和實物如圖3所示。該噴油助燃式微粒捕集器采用旁通式結構，整個系統(tǒng)用1個ECU控制，發(fā)動機在正常工作時，排氣經DPF通道過濾進入大氣，當壓差測量值達到設定的再生值時，ECU會控制液壓電機啟動，帶動尾氣旁通閥使尾氣從DPF通道轉向旁通通道，再從旁通通道直接排入大氣，然后ECU控制風機啟動，把前一次再生過程噴嘴遺留的積碳吹走，同時對燃燒室補充燃燒所需氧氣，此時通過低壓油泵向燃燒室里噴油，火花塞利用車載電源對其點火，借助風機的作用將火苗吹向DPF濾芯中，引燃濾芯中的積碳，從而起到可再生的目的。在整個再生過程中，用溫度傳感器1、2對燃燒室和濾芯前的排氣入口溫度進行監(jiān)測，溫度傳感器1是判斷點火是否成功的依據，溫度傳感器2是控制噴油量的依據。用壓差傳感器測量濾芯前后壓差變化，根據壓差變化控制再生始點。

2 DPF系統(tǒng)在公交車上的應用及分析

2.1 DPF控制碳煙排放效果檢測

在合肥白馬巴士集團公司所屬的4輛公交車上裝備了助燃式可再生DPF，通過合肥環(huán)新機動車排氣污染檢測有限公司對這幾輛公交車安裝DPF前、后的煙度值進行測量對比，得出的數據見表1所列。該檢測辦法是根據文獻［8］標準，采用不透光煙度法測量發(fā)動機的排放煙度值，測量數據是在發(fā)動機怠速轉速為600r／min下測得的，測量環(huán)境溫度為37.80℃，大氣壓力為98.00kPa，相對濕度 為81.40%，發(fā)動機均是自然吸氣式。

表1 DPF啟用前、后公交車排氣煙度值的對比 m－1

由表1可以看出，DPF設備對減少汽車尾氣中的顆粒物排放效果顯著，原來排放煙度值不能達到排放限值的發(fā)動機在啟用DPF設備以后性能大大改善，排放煙度值降低了95%以上。

2.2 公交車在城區(qū)道路上DPF再生特性分析

公交車一般都在城市道路上行駛，城市交通的特點是車速和負荷普遍較低，氣缸內稀薄混合區(qū)較大，從而造成很多以未燃油滴為主的微粒［9］；另一方面，城市中車流量大，使得公交車行駛時速度波動大，處于頻繁的停車、加速、減速等瞬態(tài)行駛工況，燃油汽化不迅速，氣缸內溫度升高緩慢，導致其滯燃期長。這些因素造成了柴油機在城市道路工況下微粒的排放整體水平較高。

城市公交車對DPF設備的使用是一個考驗，公交車的微粒再生周期較短，因此必須提高再生的頻率。本次實驗選擇合肥市902路公交車，當壓差達到限值時，再生開始，再生過程大概持續(xù)600s。跟車測量了DPF在再生前、后各參數的變化，包括DPF入口溫度、燃燒室溫度、壓差變化等。

公交車在城市道路工況運行的過程中，走走停停，轉速不斷變化，同時負荷也在不停地變化，導致DPF工作時排氣入口前溫度波動明顯，如圖4所示，所以公交車實際運行過程中的復雜路況是設計DPF設備時必需考慮的關鍵因素。

在DPF噴油助燃再生過程中，對燃燒室溫度和DPF入口前溫度進行了測量對比，再生過程中溫度和噴油量曲線如圖5所示。

在柴油機燃油箱噴油之前，風機在ECU的控制下對燃燒室吹風，先開啟風機的目的是為了吹掉噴嘴上的積碳，同時向燃燒室填充燃燒需要的空氣。從圖5可以看出，在100s之前燃燒室和DPF入口前溫度有一個明顯的下降過程；100s后開始噴油燃燒，噴油量和溫度變化趨勢相同，火花塞點燃燃油后燃燒室溫度和DPF入口前溫度急劇上升，總體上燃燒室溫度要大于DPF入口前溫度，將載體入口溫度控制在750℃以下（如果超過750℃，載體有燒裂的危險）；圖5中300s左右時溫度有短暫時間超過了750℃，此時需要根據溫度傳感器2反饋的溫度來控制低壓油泵的噴油量，從而達到降低載體入口溫度的目的，從圖5噴油曲線上看，在300s左右時噴油量有個小幅度的下降過程，之后趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定在0.3g／s；當濾芯中碳煙顆粒物燃燒完之后，約在550s時停止噴油，燃燒室溫度和DPF入口前溫度迅速降低，完成再生過程。

圖4 公交車運行中轉速和DPF排氣入口前溫度變化

圖5 再生過程中溫度和噴油量曲線圖

衡量噴油助燃式微粒捕集器對捕集顆粒物效果的一個重要參數是再生前、后DPF前后壓差的變化。在濾芯前、后設置了壓差傳感器，測量再生前壓差和再生后壓差并進行對比，結果如圖6所示。由圖6可以看出，再生前DPF前后壓差明顯大于再生后的，且波動范圍很大，再生后壓差趨于穩(wěn)定，由此可以說明，在城市復雜道路工況中運行時，此噴油助燃式DFP仍對公交車排放的顆粒物有良好的捕集效果。

圖6 再生前、后DPF前后壓差對比

3 結 論

（1）公交車是城市汽車尾氣特別是顆粒物排放的主要“貢獻者”，本文針對城市道路工況以及我國油品的實際情況設計了一種旁通助燃式可再生微粒捕集器，對DPF裝置捕集顆粒物的原理以及該捕集系統(tǒng)的工作原理作了詳細的說明。

（2）權威檢測公司對安裝在公交車上的設備在怠速條件下進行了檢測，檢測結果表明，該套捕集器系統(tǒng)對顆粒物捕集具有明顯的效果。公交車在城市道路上行駛，發(fā)動機運轉數據表明道路工況非常復雜，分析該工況下DPF在再生過程中的溫度和噴油量變化，得出溫度和噴油量相似的變化規(guī)律。分析再生前、后DPF前后壓差的變化，得出該噴油助燃式顆粒捕集器具有良好的碳煙再生效果。

［1］ Heywood J B.Internal combustion engine fundamentals［M］.New York：McGraw－Hill，1988：15－17.

［2］ 錢葉劍，左承基，徐天玉，等.EGR率對ZS195柴油機性能和排放的影響［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2009，32（9）：1361－1364.

［3］ Khair M K.A review of diesel particulate filter technologies，SAE Technical Paper 2003－01－2303［R］.SAE，2003.doi：10.4271／2003－01－2303.

［4］ Park D S，Kim J U，Kim E S.A burner－type trap for particulate matter from a diesel engine［J］.Combustion and Flame，1998，114（3）：585－590.

［5］ 龔金科，吁 璇，伏 軍，等.柴油機噴油助燃再生系統(tǒng)微粒捕集器油氣匹配研究［J］.農業(yè)機械學報，2010，41（4）：1－5.

［6］ 李樹會.POC－輕型柴油車國Ⅲ／國Ⅳ后處理方案［J］.內燃機，2008，12（6）：40－42.

［7］ 張德滿.DOC輔助DPF再生方法研究［D］.南京：南京航空航天大學，2011.

［8］ GB 3847－2005，車用壓燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機汽車排氣煙度排放限值及測量辦法［S］.

［9］ 吁 璇.柴油機噴油助燃再生微粒捕集器的設計與數值研究［D］.長沙：湖南大學，2010.