柴油机DPF主动再生温度场不均匀性试验与燃烧器优化方向
摘要：随着柴油发电机组排放法规的持续加严，壁流式柴油颗粒捕集器（DPF）已成为满足国三及以上排放标准的核心后处理装置。DPF通过蜂窝陶瓷壁面过滤的方式，可捕集排气中90%以上的颗粒物（PM）。然而，捕集的碳烟会在载体内部持续累积，导致排气背压不断升高，影响发动机的动力性与经济性。因此，当碳载量达到一定阈值后，必须通过氧化再生将累积的碳烟转化为CO₂排出，恢复DPF的过滤性能。DPF再生分为被动再生（依靠NO₂在较低温度下连续氧化碳烟）和主动再生（通过外部加热或后喷燃油氧化提高排气温度至碳烟燃点以上）。由于被动再生受排气温度限制往往不够充分，主动再生成为工程应用中的主要手段。而在主动再生过程中，DPF内部的温度场分布直接决定了碳烟的氧化效率以及载体的热安全性——温度过低则再生不充分，温度过高或分布不均则可能导致载体热应力开裂甚至烧融。本文采用“燃烧器+DOC+DPF”的技术路线，通过台架试验测试不同碳载量下的主动再生性能，并结合CFD仿真分析燃烧器关键参数（补气量、喷油量、喷油锥角、喷油压力）对温度场的影响，旨在为燃烧器优化设计与再生策略标定提供数据支撑。
一、试验装置与方案设计
1. 试验系统构成
（1）发动机与后处理系统
试验用发动机为一台直列4缸、高压共轨柴油机，配备完整的燃烧器+DOC+DPF后处理系统。DPF载体采用碳化硅（SiC）材料，具有较高的热容量和抗热震性能。DOC（柴油氧化催化器）置于燃烧器与DPF之间，其作用是将燃烧器未完全燃烧的HC和CO进一步氧化，同时将部分NO氧化为NO₂，辅助降低碳烟氧化活化能。
（2）旋流式燃烧器结构
图1为试验用旋流式燃烧器结构示意，主要包括燃烧器本体、点火棒、喷油嘴和控制器。燃烧器采用旋流进气方式，通过高速旋转气流实现燃油与空气的快速混合与稳定着火。控制器可实时读取温度、压力采集模块中的数据，精确控制点火棒的点火与关闭时序以及油泵、气泵的启停。喷油前10秒点火棒即开始预热，工作期间点火棒持续通电保持打开状态，以保证稳定的着火条件。
图1 旋流式燃烧器结构示意图
（3）温度场测量方案
为实时监控DOC氧化HC及DPF再生时载体内部的温度场分布，试验在DPF内部不同径向位置（中心1/2R处、7/8R处）和轴向位置（前段、中段、后段）布置了多支K型热电偶，如图2、图3所示。该布置方案可捕获载体内部的三维温度梯度，为评价再生均匀性提供量化依据。
图2 DOC内部热电偶布置
图3 DPF内部热电偶布置
2. 试验工况与再生参数
（1）燃烧器主动再生试验
发动机稳定在转速1400r/min、转矩0N·m（空载）工况下，分别在碳载量为4g/L和6g/L时进行主动再生试验。再生过程中将DPF前温度控制为620℃，再生持续时间为900秒。再生前、后分别对DPF进行称重，计算再生效率。
（2）喷油助燃氧化再生试验
为对比不同再生方式的效果，另设置喷油助燃氧化再生工况：发动机调节至转速2000r/min、转矩180N·m，此时DPF前温度约为280℃。保温300秒后通过喷油器喷油，喷孔直径1.0mm、喷油频率10Hz、开度60%，将DPF前温度提升至约600℃，碳载量设定为6g/L，再生时间1200秒。
二、试验结果分析与讨论
1. 再生效率与DPF压降特性
（1）两种碳载量下的再生效率对比
图4为再生前、后碳载量及再生效率的对比结果。碳载量为4g/L时，再生效率为72.4%；碳载量为6g/L时，再生效率为65.8%。两种初始碳载量条件下的再生效率均处于较低水平，尤其是6g/L工况下超过三分之一的碳烟未能被氧化去除。这表明在当前燃烧器配置与再生策略下，主动再生的氧化能力尚有较大提升空间。
图4 再生前、后碳载量和再生效率对比
（2）再生过程中的DPF压降演变
图5为燃烧器再生过程中DPF压降的变化曲线。再生开始时，4g/L和6g/L碳载量对应的初始压降分别为0.5kPa和3.1kPa。随着再生的进行，两种碳载量条件下的DPF压降均呈现“先快速升高、后逐渐降低”的趋势——再生约300秒时压降达到峰值，之后缓慢下降。这一现象可解释为：再生初期，载体内部累积的碳烟被局部点燃，释放的热量使排气体积流量增大，同时部分碳烟颗粒在高温下发生膨胀或重新分布，导致流动阻力短期上升；随着碳烟被大量氧化移除，流道逐渐畅通，压降开始回落。由于试验工况下排气质量流量较小，再生前、后的整体压降差异并不显著。
图5 不同碳载量下燃烧器再生的DPF压降
2. DPF内部温度场均匀性评价
（1）4g/L碳载量下的温度分布
碳载量为4g/L时，DPF内部最大温差高达373.4℃，稳定后温差仍达到124.9℃。如图6所示，温度分布呈现明显的不均匀特征：前段和后段温度较高，中段温度最低；径向方向上，7/8R处的温度明显低于中心和1/2R处。
图6 4g/L主动再生时DPF内温度场
（2）6g/L碳载量下的温度分布与峰值风险
碳载量为6g/L时，温度不均匀性进一步加剧，最大温差高达534.1℃。如图7所示，再生过程中温度曲线存在一个显著的高温波峰，测点4（中段1/2R）、测点7（后段1/2R）和测点8（后段7/8R）为温度最高的三个测点，峰值分别达到905.9℃、1020.4℃和987.9℃。后段温度远高于中段与前段，测点4与测点7之间的温差达114.5℃。
图7 6g/L主动再生时DPF内温度场
更值得关注的是径向温度梯度：如图8所示，在温度峰值时刻，1/2R处与7/8R处之间的温度梯度分别达到前段45.5℃/cm、中段106.5℃/cm和后段127.8℃/cm。如此高的径向温度梯度将对碳化硅载体产生剧烈的热冲击，严重时可能导致载体开裂甚至局部烧融，同时高温也会加速催化剂中贵金属的烧结失活。
图8 6g/L主动再生时DPF径向温度梯度
（3）温度不均匀的根本原因
温度分布不均匀的直接原因是载体内部碳烟分布不均匀。试验后对DPF的切片分析表明，碳烟在7/8R处的分布量明显少于中心和1/2R处；同时沿轴向方向，碳烟呈现“两头多、中间少”的分布形态，这使得中段7/8R处的温度在再生过程中过低，而两端及中心区域因碳载量充足、放热量大而温度偏高。这种非均匀碳烟分布可能是由发动机各缸排气不均匀、DPF前端气流分布不均或载体本身孔隙率差异所致。
（4）工程警示
综合4g/L和6g/L两种工况的试验结果可以判断：燃烧器再生时应将DPF碳载量控制在合理范围内（建议不超过6g/L），以避免载体内部温度过高、温升速率过快。同时，必须优化喷油策略（包括喷油量、喷油频率与喷油正时）以实现对再生温度的精确闭环控制，在确保再生效率的同时保障载体的热安全。
3. 喷油助燃氧化再生的性能对比
（1）DOC温升贡献分析
图9为喷油助燃再生时DOC1后、DOC2后及DPF后的排气温度变化。排气流经DOC1后温度提升了约206℃，流经DOC2后再提升约77℃。DOC1在入口温度更低（约280℃）的条件下升温能力更强，原因在于DOC1处有较为充足的HC与O₂参与催化氧化反应，反应放热集中；而DOC2处因排气温度已较高，与外界换热能力增强，相同反应热量下对气流的显热提升幅度相对减小。DPF内部碳烟氧化释放的热量进一步使气流温度上升。
图9 DOC1后、DOC2后、DPF后温度变化曲线
（2）压降变化与再生效率
图7为喷油助燃再生过程中DPF压降变化。随柴油喷入，排气温度升高、体积流量增加，DPF压降初始阶段升高。随着再生的持续进行，压降逐渐降低，再生结束时压降比开始时降低了2.3kPa。但最终剩余碳载量为2.53g/L，再生效率仅为57.8%，低于燃烧器再生的65.8%～72.4%。主要原因是喷油助燃方式下再生温度相对较低（DPF前约600℃），且再生时间1200秒仍不足以完全氧化累积碳烟。
图10 喷油助燃氧化再生的DPF压降
（3）温度场均匀性对比
图11为DOC2内部温度场分布。随着柴油喷入，DOC2温度在约83秒时出现第一个波峰（424.3℃），随后在230秒左右趋于稳定，整个DOC2温度场较为均匀。
图11 DOC2内部温度场分布
图12为DPF内部温度场分布。DPF中心温度在稳定前同样出现一个波峰，前段与中段中心温度在波峰后有所下降，明显低于载体其他位置；但后段温度几乎未降低，最大值达到648.8℃，高于最终稳定温度。这一差异进一步证实了碳烟在载体后段沉积较多，再生时放热更为集中。
图12 DPF内部温度场分布
三、CFD仿真优化方向
试验结果表明，燃烧器的喷油与进气参数对DPF内部温度场的均匀性具有决定性影响。为进一步提升再生性能，需借助CFD仿真对不同参数进行系统优化。
（1）补气量优化：补气量决定了燃烧器内部的过量空气系数和火焰温度。补气量过低会导致燃油燃烧不完全，大量HC进入DOC增加其负担；补气量过高则降低火焰温度，削弱加热效果。需在保证完全燃烧的前提下寻求最优空燃比。
（2）喷油量控制：喷油量直接影响再生温升速率和最终温度水平。在满足碳烟氧化温度需求的前提下，应尽量降低喷油量以减少燃油消耗和DOC热负荷，同时避免局部高温点的产生。
（3）喷油锥角调整：喷油锥角决定了燃油喷雾在燃烧室内的空间分布。锥角过小会导致燃油过于集中、局部富油；锥角过大则燃油可能撞击燃烧器壁面形成油膜。合适的锥角应使油雾与旋流空气实现最佳混合，保证火焰温度场在周向和径向上尽可能均匀。
（4）喷油压力优化：喷油压力影响燃油雾化粒度与贯穿距离。较高压力可获得更细的油雾颗粒，加速蒸发与混合，有助于缩短火焰长度、降低局部高温区。但过高的喷油压力会增加系统成本与功耗，需权衡选择。
通过上述多参数协同优化，预期可将DPF再生时的最大温差控制在150℃以内，径向温度梯度降低至50℃/cm以下，在保障载体安全的前提下将再生效率提升至85%以上。
结论
（1）采用“燃烧器+DOC+DPF”主动再生方案，碳载量为4g/L和6g/L时的再生效率分别为72.4%和65.8%，均偏低，表明当前燃烧器配置与再生策略有待优化。
（2）DPF内部温度分布严重不均匀是制约再生效率与热安全性的核心问题。6g/L碳载量下载体最大温差达534.1℃，后段径向温度梯度最高达127.8℃/cm，存在载体热损伤风险。
（3）碳烟在载体径向（中心多、边缘少）和轴向（两端多、中间少）的不均匀分布，是温度场不均匀的根本原因。
（4）喷油助燃氧化再生的再生效率（57.8%）低于燃烧器再生，但其温度场均匀性相对较好，适用于对温度控制精度要求较高的应用场景。
（5）后续需通过CFD仿真对燃烧器的补气量、喷油量、喷油锥角和喷油压力进行系统优化，以实现再生效率与载体热安全的统一。
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