基于熱管理的柴油機微粒及NOx排放控制技術(shù)研究.pdf

1、柴油機由于具有良好的動力性、經(jīng)濟性和可靠性等優(yōu)點在商用車領(lǐng)域得到了廣泛的應用，但柴油機NOx和PM排放污染問題也隨商用車保有量的不斷增加日益嚴重，重型柴油機的排放問題尤為顯著。為了降低NOx和PM排放，我國已經(jīng)全面執(zhí)行國四排放法規(guī)，北京等地區(qū)計劃率先執(zhí)行京六（歐六）排放法規(guī)，我國重型柴油機第六階段排放法規(guī)也在制定中。歐洲在2014年已執(zhí)行歐六排放法規(guī)，滿足歐六排放法規(guī)的主流后處理技術(shù)為DPF耦合SCR技術(shù)。我國對DPF和SCR技術(shù)開展了

2、一定的研究工作，為我國第六階段排放法規(guī)的執(zhí)行打下了堅實的基礎(chǔ)，但針對歐六柴油機的DPF和SCR核心技術(shù)還缺乏系統(tǒng)相關(guān)性研究，與國外相比存在較大差距。在DPF耦合SCR技術(shù)實現(xiàn)歐六柴油機排放的應用過程中，面臨的主要問題是如何提高低負荷工況下SCR轉(zhuǎn)化效率和實現(xiàn)DPF安全再生。導致SCR轉(zhuǎn)化效率低的主要原因是歐六法規(guī)規(guī)定的測試循環(huán)下排氣溫度較低，催化劑性能無法充分發(fā)揮，而導致DPF不能成功再生或再生時載體燒裂、燒熔的主要原因是再生時溫度得不

3、到合理控制。由此可見，后處理系統(tǒng)熱理管理及控制是DPF耦合SCR實現(xiàn)柴油機歐六排放的關(guān)鍵問題。本文主要圍繞歐六柴油機后處理系統(tǒng)熱理管理及控制策略開展研究。
　　首先，針對SCR和DPF對溫度的需求，通過試驗研究了進氣節(jié)流閥、噴油提前角、噴射壓力和后噴等排氣溫度管理主動控制措施對排氣溫度和燃油消耗的影響，以排氣溫度提升效果和燃油消耗增加情況作為評價標準，提出了進氣節(jié)流閥和后噴相結(jié)合的排氣溫度提升方案，并通過WHTC瞬態(tài)工況測試循環(huán)進

4、行了試驗驗證，該方案在燃油消耗增加不明顯的情況下，可以有效提高排氣溫度，為SCR低負荷應用和DPF再生提供必要的溫度條件。
　　為了充分利用排氣熱能將噴射的尿素溶液完全蒸發(fā)釋放出NH3，提出了一種逆流式結(jié)構(gòu)的尿素混合解決方案，該方案能夠促使尿素與排氣充分地混合、破碎、熱解和水解，生成的NH3均勻地分布在催化劑的前端面，提高轉(zhuǎn)化效率并降低尿素結(jié)晶風險。發(fā)動機臺架試驗結(jié)果表明，與緊耦型結(jié)構(gòu)相比，逆流式結(jié)構(gòu)在WHSC和WHTC測試循環(huán)下

5、的NOx轉(zhuǎn)化效率分別提高了約60.3％和69.4％，且有效避免了尿素結(jié)晶等沉積物的形成。其次，通過對催化劑化學反應機理的研究，建立了SCR動力學模型，基于此逆流式結(jié)構(gòu)的尿素混合方案，用SCR動力學模型計算分析了WHTC瞬態(tài)測試循環(huán)下排氣溫度對NOx排放的影響，提出了溫度改善方案，以滿足SCR轉(zhuǎn)化效率對溫度的要求，同時為基于氨儲值閉環(huán)的尿素噴射控制策略提供了模型。
　　實現(xiàn)DPF安全再生的關(guān)鍵是溫度的控制，但前提條件是準確判斷DPF

6、內(nèi)的碳載量，針對該問題，建立了DPF碳載量理論計算模型，并進行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明，WHTC測試循環(huán)下DPF碳煙累積過程中，DPF碳載量計算結(jié)果與測量結(jié)果間的偏差均值在3.4％左右，可以實現(xiàn)DPF主動再生觸發(fā)時刻判斷的準確性。并基于此模型研究了排氣溫度對DPF被動再生的影響，為實現(xiàn)純被動再生對排氣溫度的需求提供了依據(jù)。在DPF主動再生過程中，柴油機運行工況突然降至怠速狀態(tài)，會使DPF內(nèi)部溫度峰值和溫度梯度迅速升高，易導致DPF出現(xiàn)燒

7、熔現(xiàn)象，針對該問題，分別進行了基于怠速提升和階梯再生的DPF再生溫度控制方法的試驗研究。試驗結(jié)果表明，采用這兩種方法均可以有效避免載體因溫度和溫度梯度迅速升高而發(fā)生燒裂的風險。
　　最后，為了確保排氣后處理系統(tǒng)在整車運行時能夠正常工作，以滿足法規(guī)要求，對后處理系統(tǒng)的熱量管理及控制策略在整車上的應用效果進行了試驗研究?；跉W六排放法規(guī)中的PEMS道路試驗要求，首先試驗研究了整車運行環(huán)境下，進氣節(jié)流閥與后噴相結(jié)合的發(fā)動機排氣溫度管理措

8、施、逆流式催化轉(zhuǎn)化器、基于氨儲值閉環(huán)的尿素噴射控制策略等方案對NOx減排的實際應用效果。試驗結(jié)果表明，測試循環(huán)下的NOx有效窗口排放平均值為0.45g/kWh，且各有效窗口排放值均小于限值0.6g/kWh，滿足歐六排放法規(guī)的要求。其次試驗研究了整車運行環(huán)境下，DPF碳載量模型和主動再生溫度控制方法對DPF安全再生的實際應用效果。試驗結(jié)果表明，整個運行過程中碳載量的計算結(jié)果和測量結(jié)果吻合較好，兩者間的平均偏差約為4.0g，DPF碳載量模型