基于排气热管理的DPF主动再生升温控制策略研究

颗粒捕集器DPF(Diesel Particulate Filter)能有效降低柴油机颗粒物排放,然而DPF长期使用会造成大量的颗粒物积聚,排气背压增大,发动机性能恶化,需对DPF进行定期再生,DPF再生温度的控制关系到DPF的安全有效再生,是研究的重点问题之一。本文以轻型车用4D25型柴油机为研究对象,采用理论研究、模拟分析与试验相结合的方式,研究了以进气节流、喷油策略、次后喷耦合DOC为主的排气热管理措施对柴油机排气热状态以及其他性能的影响规律,给出了样机全工况区域内的DPF主动再生排气热管理升温控制策略并进行了台架稳态试验验证。主要研究内容和结论为:基于仿真软件GT-Power搭建了研究样机的一维模型并利用搭建的试验台架验证了模型的准确性,选取排温较低的中小负荷典型工况研究不同进气节流和喷油策略下的柴油机排气热状态、经济性以及排放性能的变化规律。进气节流结果表明:减小进气节流阀开度,能有效提升原始排温,但过大的进气节流会造成柴油机的经济性、NOx以及碳烟排放恶化,因此应根据不同工况的升温需求及其他性能恶化程度合理选择进气节流控制策略。喷油策略结果表明:推迟主喷能在一定程度上提升原始排温,但过迟的主喷会造成经济性以及碳烟排放的恶化;合理的匹配近后喷油量和主-近后喷间隔角之间的参数能有效提升排温,但经济性和碳烟排放恶化,NOx排放有所改善;降低轨压能略微提升原始排温,但会造成经济性和排放性能恶化,因此不适合作为提升排温的措施。采用试验的方式研究了次后喷油量耦合DOC对DOC内部升温特性以及柴油机的其他性能的影响规律。试验结果表明:增大次后喷油量对DOC入口温度影响不大,但能显著提高DOC内部升温速率且次后喷油量越大其内部升温速率越快,升温效果越明显。次后喷油量增大也会使得柴油机有效燃油消耗率增加,机油稀释程度加剧,DOC对未燃HC、CO的转化效率逐渐升高,但HC逃逸量增大。根据样机全工况区域内的排温分布得出DPF主动再生排气热管理升温控制策略:小负荷低温区进气节流阀开度为30°~40°,推迟主喷,采用较大的近后喷油量同时适当推迟近后喷时刻然后配以较大的次后喷油量;中等负荷区域仍然采用小负荷下的策略但减小近后喷和次后喷油量,进气节流阀开度为40°~60°;大负荷高温区进气节流阀开度为60°~80°,采用较小的次后喷油量,并且在靠近外特性曲线工况的过程中,逐渐减少次后喷油量以及进气节流直至为0。台架试验稳态结果表明:采用排气热管理温升控制策略后,大部分工况下的DPF入口温度均提升至450℃~650℃,尤其在中小负荷温升极为明显,能满足样机全工况区域的80%的温升要求,达到项目预期目标。