柴油機DPF系統可靠性試驗研究

摘 要：DPF后處理系統已廣泛應用，DPF開裂導致整車PM超標，堵塞會導致經濟性惡化，動力性不足。文章通過合理設計臺架可靠性試驗循環和過程分析，有效驗證DPF系統可靠性。

關鍵詞：DPF；柴油機；臺架試驗；可靠性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.005

0 引言

柴油機有著動力性好，又十分經濟的優點，目前被大量大小型交通工具采用。而柴油機排氣的有害成分主要有CO、HC、NOx、硫化物以及顆粒物、臭味氣體等，由于柴油機使用的混合氣平均空燃比比理論空燃比大，故其CO及HC排放明顯低于汽油機，但NOx、顆粒物及臭味氣體卻較高[1]。

柴油機的尾氣處理目前有兩個控制方向：一方面改善發動機機內凈化技術如廢氣再循環和控制燃燒等技術；另一個方面改善機外凈化技術如提高尾氣處理器的處理效果。尾氣處理技術常用技術有選擇性催化還原（SCR），氧化催化（DOC），顆粒捕捉器（DPF）等技術[2]。其中，壁流式顆粒捕集器是公認的降低PM排放最有效的裝置之一，其捕集效率可達95%以上[3]。隨排放升級部分地區也強制要求使用DPF來控制PN的排放水平，而對于裝在輕型柴油車上的顆粒捕集器，需要進行200個加載再生耐久試驗循環[4]，如何進行DPF可靠性試驗尤為重要。

1 試驗設備及試驗方案

1.1 試驗臺架

表1為試驗使用的測試用設備型號，表2為測試用發動機及后處理參數。發動機采用江淮自產某款國五發動機。

1.2 試驗方案

a）常規加載再生工況。常規加載再生工況，一個循環105min，其中90min進行累碳再生（視發動機累碳時間而定），15min進行全速全負荷工況，確保每次再生完全。加載工況點選擇原則：1985rpm@85Nm時，排溫為345℃左右，保證DOC后處理中SOF均能正常燃燒，從而不影響DPF中碳煙加載；該工況煙度基本大于2.0，有利于碳煙的快速加載，節省試驗時間，同時此區域為整車常用工況點；該工況點CO值為443ppm，CO排放值在中等偏大區域，更充分考核DOC；加載時間約為70min，累碳質量約為20g，與標定時一致；按輕型柴油車要求進行200次循環；此工況為工況1。

b） 加嚴工況——DTI工況。DTI工況，一個循環為105min，加載時間約70min（視實際加載速度而定），進入再生后，DPF內部開始燃燒后立即進入怠速，內部溫度會持續升高，怠速運行150s后DPF內部溫度將持續降低，若繼續怠速，ECU判斷溫度過低而停止再生，為保證剩余碳煙完全燃燒，再回到1980rpm@85Nm工況下，繼續進行再生，直到碳煙燃燒完全。15min進行全速全負荷工況，確保每次再生完全，此工況為工況2。

c）工況1連續運行11次，為確保進入工況2前DPF內部碳煙燒完，第11次再生完成后全速全負荷工況運行40min，再進入工況2，工況1：工況2=11：1。取整后可靠性共運行220次加載再生循環累計385h。

1.3 傳感器布置

在DPF前后以及DPF載體內部布置溫度傳感器，監控再生過程中溫度變化情況，如表3和圖3所示。

2 加載再生可靠性試驗

按照上述工況進行可靠性試驗和后處理評價。如表4所示，試驗后各穩態工況點THC轉化效率均在80%以上，DOC氧化性能再指標范圍內。DOC+DPF后端測得的FSN值均小于0.01，且排氣尾管無任何黑煙，后處理過濾效果良好，如圖4所示。

如圖5所示，DPF累碳量試驗過程中均在6.5±0.5g/L范圍內，與標定值基本一致，隨可靠性試驗進行，累碳能力稍微下降，220次循環后累碳量在18.9g， 這是因為部分機油參與燃燒，DPF內部累積灰分，導致碳的加載量減少。

常規再生循環共運行200次，如圖6其中8個循環所示， 可靠性過程中T_DPF_BED溫度在700～860℃內，自動循環中碳載量不同最高溫度有所不同，但均在900℃范圍內，安全域度較大。DTI工況共運行20次，DTI工況中，T_DPF_BED迅速上升，36s后達到最高溫度955℃，如圖7某個循環所示， DTI循環過程中T_DPF_BED最高溫度均在860～960℃范圍內，未超過1000℃。

3 結論

（1）耐久性試驗中，DOC、DPF內部溫度未超過900℃，同時DTI工況下DPF內部溫度最高值在1000℃以內，在載體安全溫度范圍內；（2）耐久性試驗后，DOC、DPF外部無開裂、載體無裂紋；（3）DOC的CO、HC轉化效率未出現惡化現象，PM捕集效率未出現惡化現象；（4）DPF累碳能力無惡化，DOC對THC氧化能力在80%以上，通過考核。通過此工況有效考核了DPF，保證了產品質量。

參考文獻：

[1]李興虎.汽車環境污染與控制[M].北京：國防工業出版社，2011（04）：223-225.

[2]梁曦.DOC與DPF結合在柴油機后處理上的應用研究[J].科技創新與應用，2013（11）.

[3]李路.CDPF再生性能的試驗研究[J].車用發動機，第6期（總第221期）2015年12月.

[4]HJ451-2008環境保護產品技術要求.柴油機排氣后處理裝置[S].

作者簡介：孫澤（1984-），碩士學位，工程師，主要從事發動機及后處理試驗開發工作。endprint