柴油機排氣后處理DPF失效對發動機性能的影響

姚廣濤，伍 恒，劉宏威，張衛鋒

(軍事交通學院軍用車輛系，天津300161)

柴油機顆粒物(particulate matter，PM)排放直接威脅人們健康。歐美國家經過研究發現，吸附在碳粒表面的多種排放物具有誘變作用，在這些誘變物中有大于90%的部分可能導致癌變，還可能產生心血管疾病［1－2］。

減少柴油機顆粒物排放最有效的措施是在柴油機排氣系統上加裝顆粒物過濾器(diesel particulate filter，DPF)。但隨柴油機運行，過濾器內捕集的顆粒物不斷增加，如果不及時進行DPF的再生，勢必會增加柴油機的排氣阻力，從而影響柴油機的性能［3］。胡俊等［4］在發動機臺架開展了不同轉速與負荷下柴油機加裝DPF后排氣阻力變化規律以及對排氣性能影響試驗研究，結果表明:柴油機加裝DPF造成排氣阻力的增加，使排氣溫度提高，油耗上升，但未開展不同顆粒物負載量對發動機性能影響研究。

DPF顆粒物負載量過大不僅影響發動機性能，還可能引起DPF非可控再生，導致 DPF載體的燒損、裂解和催化劑的失效［5］。此外，在使用過程中的震動、沖擊也會造成DPF破損、斷裂，嚴重時造成DPF過濾效率下降，PM排放超標［6］。康寧公司［7］、密西根理工大學［8］、都靈理工大學［9］、吉林大學［10］等研究機構都進行過相關試驗研究，但未開展不同破損程度對PM過濾效率影響研究。

隨排放法規的日益嚴格，發動機排氣后處理系統在線故障診斷(on－board diagnostics，OBD)要求越來越高，在發動機運行過程中，有效確定后處理DPF裝置的失效狀態與程度，對DPF－OBD致關重要［11］，有必要針對DPF不同失效狀態與程度對發動機性能的影響開展研究。

1 DPF堵塞對發動機性能的影響

為了分析DPF顆粒物不同負載量對發動機動力性和經濟性評價指標——發動機轉矩與燃油消耗率的影響，在北汽福田BJ493ZLQ4增壓發動機(參數見表1)排氣系統上加裝DPF(SiC材料)，分別研究 1 800、2 200、2 600、3 200 r/min 等 4 種轉速條件下，負荷率分別是32%、70%和100%時，發動機轉矩變化率和油耗變化率隨PM負載量的變化關系，測試臺架采用奧地利AVL測試系統，具體組成與型號見表2。不同轉速下發動機轉矩變化率和油耗變化率隨PM負載量的變化關系如圖1—2所示。

由圖1可見，發動機轉矩的總體變化趨勢是隨著PM負載量的增加而不斷減小，而且由于PM負載量的增加引起動力性能的下降，在發動機中高速全負荷工況下下降幅度較小，2 200、2 600 r/min全負荷工況下甚至還會出現轉矩的增加。與此同時，在各個負荷率下，發動機轉矩下降的幅度在中高轉速下隨著發動機轉速的提高而逐漸減小。在1 800r/min不同負荷工況下，當PM負載量達到8 g/L時，轉矩減少量就已經達到5%左右，相比之下，在2 600 r/min不同負荷工況下，當PM負載量為12 g/L時，轉矩減少量才能達到5%左右;但發動機處于額定轉速3 200 r/min工況時，由于發動機排氣阻力與轉速平方成正比，隨顆粒物負載量的增加，負荷越高轉矩下降越快，當DPF顆粒物負載量超過8 g/L時，發動機動力性會迅速惡化。

表1 發動機參數

表2 臺架測試系統

PM負載量的增加將導致排氣阻力的增大，這不僅使發動機的泵氣損失增加，還增大了殘余廢氣系數，以上這些因素都會使發動機動力性能下降。與此同時，PM負載量的增加還會降低發動機進氣量，尤其是在大負荷工況下。但在發動機中高轉速下，混合氣適當變濃會在一定程度上增加發動機功率的輸出，但是在低速大負荷和高速工況下則會引起燃燒的惡化，因此，在低轉速大負荷和高轉速條件下，發動機動力性能的變化對PM負載量的增加更為敏感。

圖1 顆粒物負載量對發動機轉矩的影響

圖2 顆粒物負載量對發動機燃油消耗率的影響

由圖2可見，發動機的燃油消耗率的總體變化趨勢是隨著DPF顆粒物負載量的增加而不斷增加的，其中，發動機中高轉速下中等負荷增加較大，高速工況隨負荷增加油耗增加較大。在發動機中高速、中等負荷時，原機的廢氣再循環量較大，顆粒物負載量的增加導致排氣阻力的增大，進一步增加了發動機的廢氣再循環量，使燃燒惡化，燃油消耗率增加，動力性下降，從而導致中等負荷油耗增加較快。高速工況下排氣阻力大幅增加，使發動機進氣量明顯減少，造成混合氣過濃，性能下降，油耗增加。

綜合以上分析，針對柴油機后處理DPF從PM負載量對發動機性能影響考慮，再結合PM負載量對再生過程、再生效率和再生能耗等方面影響［12］，對于選用的SiC過濾體，采用熱再生合適的PM負載量為8 g/L。

2 DPF破損對PM過濾效率的影響

DPF在使用過程中由于熱沖擊、機械沖擊等原因容易造成DPF出現泄漏故障，導致捕集功能下降或失效，從而使排放惡化。針對發動機原機，完好過濾體、破損率分別為 4.5%、9.1%、13.4%的過濾體，在不同工況下，通過不透光煙度計采集不同破損程度過濾體在不同工況下的PM排放值，計算出相應的過濾體對PM過濾效率。

圖3—5分別為過濾體完好、破損9.1%和破損13.4%時，不同工況下DPF對PM的過濾效率曲線。

圖3 完好DPF不同工況下的過濾效率

圖4 破損9.1%DPF不同工況下的過濾效率

可以看出，發動機不同的運行工況對DPF的過濾效率會產生一定的影響。同一種破損形式的過濾體，在同一轉速下，DPF的過濾效率會隨著發動機的負荷增大而有所下降。這是由于發動機負荷的增大使得排氣中PM的含量增加，同時排氣溫度有顯著提升，這就使得排氣通過DPF多孔介質時受熱不一樣，載體熱膨脹的微孔增大致使顆粒物通過速率有所增大，過濾體過濾效率有所降低。此外，同一種破損形式的過濾體，在相同負荷下，DPF的過濾效率會隨著轉速的增加明顯下降。這是由于轉速的增加使得排氣的流動速率加快，也就使得單位時間內流過DPF的PM量增加，從而使DPF的過濾效率有所下降。

圖5 破損13.4%DPF不同工況下的過濾效率

圖6為相同工況下，DPF的過濾效率隨DPF不同破損程度的變化關系。

圖6 相同工況下不同故障形式DPF的過濾效率

可以看出，DPF對PM的過濾效率與DPF的不同破損程度密切相關，DPF的破損程度越大，過濾效率越低。

通過DPF不同破損程度對柴油機PM排放過濾效率影響的研究，可以根據原機排放以及加裝DPF后目標排放，確定滿足排放法規要求的DPF破損率邊界，為柴油車后處理OBD－DPF故障診斷提供技術支持。

3 結論

(1)發動機轉矩隨著過濾體PM負載量的增加而不斷減小，在中高轉速全負荷工況下，下降幅度較小，甚至還會出現轉矩的增加;但在低轉速和高轉速時，PM負載量的增加更容易加劇動力性能的下降。

(2)發動機的燃油消耗率隨DPF顆粒物負載量的增加而不斷增加，中高轉速下中等負荷增加較大，高轉速下隨負荷增加油耗增加較快。

(3)柴油機后處理DPF從PM負載量對發動機性能影響考慮，再結合PM負載量對再生過程、再生效率和再生能耗等方面影響，對于選用的SiC過濾體，采用熱再生合適的PM負載量為8 g/L。

(4)同一種破損形式的過濾體，在同一轉速下，DPF的過濾效率會隨著發動機的負荷增大而有所下降;在相同負荷下，DPF的過濾效率會隨著轉速的增加明顯下降;DPF的破損程度越大，過濾效率越低。

［1］ Johnson TV.Diesel emission control technology－2003 in review［C］//SAE Paper.Detroit，MI，USA，2004-01-0074.

［2］ 朱春，張旭.車用柴油機排放細顆粒物和超細顆粒物特征與人體健康效應［J］.環境與健康雜志，2010，27(6):549-551.

［3］ Johnson T V.Review of diesel emissions and control［C］//SAE Paper.Detroit，MI，USA，2010-01-0301.

［4］ 胡俊，孫平，梅德清，等.顆粒捕集器捕集效率及對柴油機性能影響的研究［J］.機械設計與制造，2013(6):134-136.

［5］ Boger T，Rose D，Tilgner I C.Regeneration strategies for an enhanced thermal management of oxide diesel particulate filters［C］//SAE Paper.Detroit，MI，USA，2008-01-0328.

［6］ 伏軍，龔金科，袁文華，等.Pyrological characteristics of burner－type diesel particulate filter for regeneration［J］.農業工程學報，2012，28(20):58-66.

［7］ Mathur S，Johnson J H.John HJohnson.Experimental studies of an advanced ceramic diesel particulate filter［C］//SAE Paper.Detroit，MI，USA，2008-01-0622.

［8］ Federico Millo，Davide Vezza.Particle number and size distribution from a small displacement automotive diesel engine during DPF regeneration［C］//SAE Paper.Detroit，MI，USA，2010-01-1552.

［9］ Koltsakis G C，Haralampous O A.Control strategies for peak temperature limitation in DPF regeneration supported by validated modeling［C］//SAE Paper.Detroit，MI，USA，2007-01-1127.

［10］ Wang D.Experimental studies on pressure drop performance and regeneration safety of diesel particulate filter［C］//Electric Information and Control Engineering，2011 International Conference，2011.

［11］ Dabhoiwala R H，Johnson J H，Naber J D，et al.A methodology to estimate the mass of particulate matter retained in a catalyzed particulate filter as applied to active regeneration and on－board diagnostics to detect filter failures［C］//SAE Paper.Detroit，MI，USA，2008-01-0764.

［12］ 姜大海，寧智，姚廣濤，等.柴油機顆粒捕集器再生時機的研究［J］.汽車工程，2012(2):109-115.