DPF載體環裂故障分析

楊海龍，辛欣，鄭志強，楊永春，劉斌，劉陽，劉波

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

發動機排氣污染物是空氣污染的源頭之一，為減輕環境污染，國家對發動機排放標準要求日趨嚴格[1-4]。為滿足排放法規的要求，柴油機排氣后處理技術日漸增多，主要包括柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)、選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)等[5-10]。

DOC使柴油機尾氣中的HC、CO和可溶性有機物(soluble organic fraction，SOF)與O2在低溫條件下進行氧化反應，轉化為CO2和H2O，并將尾氣中的NO氧化為NO2[11-13]，可提高SCR的轉化效率，同時為DPF被動再生提供足夠的NO2，提高DPF的被動再生效率；DOC還可以氧化缸內后噴燃油，提高出口的排氣溫度，使DPF內部發生主動再生，清除DPF內的積碳[14-16]。

柴油機尾氣流經DPF時，尾氣中的顆粒物(particulate matter，PM)被捕集留在過濾體上，較清潔的尾氣排入SCR進一步凈化，DPF的捕集效率超過95%[17-18]。DPF捕集到一定數量的PM后，排氣背壓高，影響發動機的動力，因此需清除PM，保持排氣管的暢通。消除DPF內累積PM的過程稱為DPF再生，再生方式分主動再生和被動再生：主動再生是控制發動機后噴燃油，燃油在DOC的作用下氧化放熱，為DPF主動再生提供所需熱量，主動再生的溫度為560～650 ℃，高溫將DPF內的積碳氧化為CO2；被動再生是尾氣中的NO在DOC的作用下氧化為NO2，DPF將NO2作為氧化劑氧化PM生成CO2，NO2又被還原為NO[19-20]。

DPF再生過程中過高的再生溫度或熱疲勞均將導致DPF載體產生裂紋，使DPF的過濾性下降甚至失效。DPF載體裂紋是柴油機后處理技術面臨的一個較大問題，在實際配機使用過程中，出現過DPF載體環裂、面裂、燒熔等故障。本文通過臺架試驗研究DPF載體環裂現象，分析DPF載體環裂的影響因素，明確故障原因，提出解決方案，提高DPF使用的可靠性。

1 研究對象

1.1 試驗對象

采用某重型柴油機試驗臺架，因耐久試驗周期較長，采用A、B 2臺柴油機對DPF載體環裂現象進行試驗分析，2臺柴油機中均裝配DOC、DPF和SCR后處理系統，試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 DPF載體環裂試驗裝置示意圖

1.2 故障現象

對柴油機A的后處理系統進行再生耐久試驗。基于全球統一瞬態試驗循環(world harmonized transient cycle，WHTC)工況循環積碳至碳載量為4 g/L時進行穩態點再生，測得DPF內部溫度峰值為1140 ℃，對DPF進行透光檢查，發現透光，切割DPF后發現載體環裂。

對柴油機B進行DPF載體冷熱沖擊試驗。DPF運行160 h后進行穩態點再生和80次冷熱沖擊試驗，對DPF進行透光檢查，發現透光，切割DPF后發現載體環裂。柴油機A、B的DPF載體環裂故障現象如圖2所示。

a)柴油機A b)柴油機B

分析柴油機A、B的DPF載體環裂故障的原因，需復現圖2中的故障現象，制作帶熱電偶的DPF-1、DPF-2、DPF-3測量再生過程中DPF內部的溫度分布及溫度梯度，分析DPF載體環裂的原因。

2 試驗結果與分析

2.1 柴油機A的DPF載體環裂原因

2.1.1 WHTC工況下積碳再生試驗

DPF-1的熱電偶布置如圖3所示。由圖3可知：DPF-1內部共布置10個測點，編號為5～14，測點5、6、7、8、13均勻布置在載體中軸線上，測點5、13分別布置在前、后端面，測點6、8分別布置在離前、后端面10 cm處，測點7在中心位置，測點9、10、11、12和14布置在測點8的徑向位置。其中，測點8、9、10、11之間間距為1 cm，測點12、14間隔1 cm。

a)DPF-1前端 b)DPF-1剖視圖 c)DPF-1后端

柴油機A在WHTC工況進行積碳，當模型碳載量為3.5 g/L時，進行穩態點強制再生。再生過程中，DPF-1內部各熱電偶的溫度測試結果如圖4所示。由圖4可知：沿DPF-1中軸線從前端到后端各測點溫度依次升高，測點13溫度最高，為725 ℃；測點9～12、14溫度均較高，且外環溫度高于中心溫度，最高為750 ℃。在試驗過程中，監測到DOC后端面HC的體積分數為0.02%，低于設計要求(≤0.15%)，可知再生時HC泄漏量較少不會導致DPF內部產生高溫現象，高溫主要由積碳燃燒引起，且越靠近后端溫度越高。

圖4 DPF-1再生過程中各測點溫度

2.1.2 降怠速(drop-to-idle，DTI)再生試驗

DPF-2的熱電偶布置如圖5所示。由圖5可知：DPF-2內部共布置13個測點，編號1～13，均布置在載體中軸線上，其中測點5、13分別布置在前、后端面，測點6、8分別布置在離前、后端面10 cm處，測點7在中心位置，測點1～4、9～12布置在測點7前、后，每間隔1 cm布置1個。

a)DPF-2前端 b)DPF-2剖視圖 c)DPF-2后端

柴油機A在WHTC工況下進行積碳，當模型碳載量為4.5 g/L時，進行DTI再生試驗，得到DPF-2各測點溫度如圖6所示。由圖6可知：DTI過程中，DPF-2上游溫度、測點5溫度緩慢下降，DPF-2內部溫度快速升高，測點段6～7(DPF前半段)達到的最高溫度基本一致，測點段8～13(DPF后半段)溫度依次升高，測點13的最高溫度為850 ℃。

圖6 DTI試驗中DPF-2內部各測點溫度 圖7 DTI試驗中DPF-2內部溫度梯度

DTI試驗中DPF-2內部溫度梯度如圖7所示。由圖7可知最大溫度梯度為76.6 ℃/cm。

表1 不同積碳循環下DPF內部最高溫度

柴油機A在不同的積碳循環下進行積碳，當碳載量為3.5 g/L時進行穩態工況下的再生試驗，DPF內部最高溫度如表1所示。由表1可知：不同積碳循環下達到同樣的碳載量，再生時DPF內部最高溫度不同，說明不同積碳循環下，DPF的碳載量分布不同。

對柴油機A進行同碳載量，不同再生設定溫度的再生試驗，結果如表2所示。由表2可知：同碳載量下，不同的再生設定溫度導致DPF再生最高溫度不同，再生設定溫度為560 ℃時，DPF可再生成功，再生最高溫度較低。

表2 不同再生設定溫度下DPF內部再生最高溫度

對柴油機A進行碳載量為3.3 g/L，DOC溫升速度分別為3、5 ℃/s的再生試驗，發現DPF再生最高溫度分別為750、721 ℃，可知DOC的溫升速度對DPF再生過程的溫度影響不大。

2.1.3 原因分析

通過分析柴油機A的試驗可知：1)DPF內部產生高溫的主要原因是碳載量分布不均勻和再生設定溫度較高；2)DPF內部溫度梯度產生的原因是DPF再生起燃過程和再生結束后斷油產生溫度梯度。

通過對柴油機A的再生試驗，再生設定溫度為600 ℃，碳載量控制在3.5 g/L以內，在有階梯再生的情況下，最高溫度和溫度梯度均正常；再生溫度設定為560 ℃時也可再生成功，且再生最高溫度較低，風險較小。

2.2 柴油機B的DPF載體環裂原因分析

2.2.1 熱沖擊試驗

對柴油機B的DPF進行80次冷熱沖擊試驗，試驗前、后PM的循環質量和顆粒物數量(particel number，PN)均滿足法規要求，剖開后無裂紋產生。

2.2.2 WHTC工況下無積碳再生試驗

DPF-3的熱電偶布置與圖3相同。對柴油機B進行WHTC無積碳再生試驗。再生過程中，DPF-3各測點溫度如圖8所示，DPF-3中軸上各測點溫度基本一致，最高溫度為675 ℃，滿足設計要求。DPF-3無積碳再生徑向溫度梯度如圖9所示，DPF-3徑向溫度梯度變化較小，滿足設計要求。

圖8 DPF-3無積碳再生過程中各測點溫度 圖9 DPF-3無積碳再生徑向溫度梯度

2.2.3 原因分析

通過分析柴油機B的試驗可知DPF內部溫度梯度形成的原因為：1)DPF再生過程中溫度升高；2)DPF再生過程中出現最高溫度，形成溫度梯度；3)再生結束后斷油，形成溫度梯度；4)行車再生過程中的后噴燃油突斷導致溫度突降，形成溫度梯度。

設定柴油機B的再生溫度為600 ℃，碳載量控制在4.5 g/L以內，在有階梯再生的情況下，最高溫度和梯度均正常，風險較小。

3 結語

基于臺架試驗分析柴油機DPF載體環裂現象及產生原因，采用帶熱電偶的DPF測試其再生過程中內部溫度的變化，探究DPF載體環裂的原因。柴油機A的DPF出現載體環裂的主要原因是再生過程中出現高溫，溫度梯度較大，導致DPF載體環裂；基于排除法，推測柴油機B的DPF出現載體環裂現象的原因為熱疲勞。

可通過以下方法降低DPF載體環裂故障率：1)DPF再生起燃過程中控制起燃速度，減小溫度梯度；2)再生結束后階梯斷油，減小溫度梯度；3)再生溫度由600 ℃降至560 ℃。