基于热管理的柴油机微粒及NO_x排放控制技术研究

柴油机由于具有良好的动力性、经济性和可靠性等优点在商用车领域得到了广泛的应用,但柴油机NOx和PM排放污染问题也随商用车保有量的不断增加日益严重,重型柴油机的排放问题尤为显著。为了降低NOx和PM排放,我国已经全面执行国四排放法规,北京等地区计划率先执行京六(欧六)排放法规,我国重型柴油机第六阶段排放法规也在制定中。欧洲在2014年已执行欧六排放法规,满足欧六排放法规的主流后处理技术为DPF耦合SCR技术。我国对DPF和SCR技术开展了一定的研究工作,为我国第六阶段排放法规的执行打下了坚实的基础,但针对欧六柴油机的DPF和SCR核心技术还缺乏系统相关性研究,与国外相比存在较大差距。在DPF耦合SCR技术实现欧六柴油机排放的应用过程中,面临的主要问题是如何提高低负荷工况下SCR转化效率和实现DPF安全再生。导致SCR转化效率低的主要原因是欧六法规规定的测试循环下排气温度较低,催化剂性能无法充分发挥,而导致DPF不能成功再生或再生时载体烧裂、烧熔的主要原因是再生时温度得不到合理控制。由此可见,后处理系统热理管理及控制是DPF耦合SCR实现柴油机欧六排放的关键问题。本文主要围绕欧六柴油机后处理系统热理管理及控制策略开展研究。首先,针对SCR和DPF对温度的需求,通过试验研究了进气节流阀、喷油提前角、喷射压力和后喷等排气温度管理主动控制措施对排气温度和燃油消耗的影响,以排气温度提升效果和燃油消耗增加情况作为评价标准,提出了进气节流阀和后喷相结合的排气温度提升方案,并通过WHTC瞬态工况测试循环进行了试验验证,该方案在燃油消耗增加不明显的情况下,可以有效提高排气温度,为SCR低负荷应用和DPF再生提供必要的温度条件。为了充分利用排气热能将喷射的尿素溶液完全蒸发释放出NH3,提出了一种逆流式结构的尿素混合解决方案,该方案能够促使尿素与排气充分地混合、破碎、热解和水解,生成的NH3均匀地分布在催化剂的前端面,提高转化效率并降低尿素结晶风险。发动机台架试验结果表明,与紧耦型结构相比,逆流式结构在WHSC和WHTC测试循环下的NOx转化效率分别提高了约60.3%和69.4%,且有效避免了尿素结晶等沉积物的形成。其次,通过对催化剂化学反应机理的研究,建立了SCR动力学模型,基于此逆流式结构的尿素混合方案,用SCR动力学模型计算分析了WHTC瞬态测试循环下排气温度对NOx排放的影响,提出了温度改善方案,以满足SCR转化效率对温度的要求,同时为基于氨储值闭环的尿素喷射控制策略提供了模型。实现DPF安全再生的关键是温度的控制,但前提条件是准确判断DPF内的碳载量,针对该问题,建立了DPF碳载量理论计算模型,并进行了试验验证。试验结果表明,WHTC测试循环下DPF碳烟累积过程中,DPF碳载量计算结果与测量结果间的偏差均值在3.4%左右,可以实现DPF主动再生触发时刻判断的准确性。并基于此模型研究了排气温度对DPF被动再生的影响,为实现纯被动再生对排气温度的需求提供了依据。在DPF主动再生过程中,柴油机运行工况突然降至怠速状态,会使DPF内部温度峰值和温度梯度迅速升高,易导致DPF出现烧熔现象,针对该问题,分别进行了基于怠速提升和阶梯再生的DPF再生温度控制方法的试验研究。试验结果表明,采用这两种方法均可以有效避免载体因温度和温度梯度迅速升高而发生烧裂的风险。最后,为了确保排气后处理系统在整车运行时能够正常工作,以满足法规要求,对后处理系统的热量管理及控制策略在整车上的应用效果进行了试验研究。基于欧六排放法规中的PEMS道路试验要求,首先试验研究了整车运行环境下,进气节流阀与后喷相结合的发动机排气温度管理措施、逆流式催化转化器、基于氨储值闭环的尿素喷射控制策略等方案对NOx减排的实际应用效果。试验结果表明,测试循环下的NOx有效窗口排放平均值为0.45g/kWh,且各有效窗口排放值均小于限值0.6g/kWh,满足欧六排放法规的要求。其次试验研究了整车运行环境下,DPF碳载量模型和主动再生温度控制方法对DPF安全再生的实际应用效果。试验结果表明,整个运行过程中碳载量的计算结果和测量结果吻合较好,两者间的平均偏差约为4.0g,DPF碳载量模型可以准确判断整车运行过程中累积的碳载量；DPF主动再生时,通过进气节流阀和后喷相结合的排气温度控制措施,DOC前的平均排气温度可提高到320℃左右,实现了DPF连续快速地再生,同时发生DTI时,发动机怠速转速可稳定在1100r/min,达到DPF安全再生的目的。