DPF不同累炭方式對(duì)比研究

于津濤，邢博，高鑫磊

(1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

隨著我國重型柴油車用發(fā)動(dòng)機(jī)第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)成為車用柴油機(jī)的主流技術(shù)方案，DPF對(duì)PM(細(xì)顆粒物質(zhì)量)的過濾效率可達(dá)95%，對(duì)PN(細(xì)顆粒物數(shù)量)的過濾效率可達(dá)99%，滿足國六法規(guī)對(duì)柴油機(jī)廢氣中顆粒物的限值要求[1-2]。在認(rèn)證及研發(fā)試驗(yàn)中均需要用到不同加載比例的DPF以進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)顆粒物加載方式無論是溫度還是工況均沒有統(tǒng)一規(guī)定[3-5]，DPF中炭煙沉積過程受炭煙顆粒物粒徑、排氣流場和載體孔隙分布等因素影響，積炭分布不同會(huì)使DPF表現(xiàn)出不同的壓差特性以及PN差異。不同累炭方式不但對(duì)累炭速率有影響，而且在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于DPF壓差傳感器在低排氣流量時(shí)偏差過大[6]，會(huì)導(dǎo)致炭載量理論計(jì)算模型出現(xiàn)偏差，需要通過合理的控制策略消除柴油機(jī)長時(shí)間運(yùn)行后模型計(jì)算偏差的累積，提高DPF主動(dòng)再生觸發(fā)時(shí)刻判斷的準(zhǔn)確性。為了更好地控制DPF運(yùn)行狀態(tài)以及滿足法規(guī)排放要求，需要對(duì)不同累炭方式進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便于企業(yè)根據(jù)需求進(jìn)行工況的選擇。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇一臺(tái)國六主流技術(shù)路線的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)采用電控高壓共軌+增壓中冷+DOC+DPF技術(shù)。試驗(yàn)使用同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，若干套同一型號(hào)的DPF，從累炭速率、積炭分布及累炭后的顆粒物排放三個(gè)角度來對(duì)比累炭方式的影響。試驗(yàn)裝備包括AVL 220 kW/525 N·m電力測功機(jī)、AVL 483炭煙分析儀、Sartorius MCE-F天平、山東華威馬弗爐等。發(fā)動(dòng)機(jī)及DPF參數(shù)見表1與表2。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 DPF參數(shù)

1.1 不同工況累炭速率對(duì)比試驗(yàn)

通過AVL483炭煙濃度測試儀測試發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況點(diǎn)的原排炭煙質(zhì)量濃度(見圖1)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)煙度萬有曲線

根據(jù)炭煙濃度的MAP分布，選擇兩個(gè)不同穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)代表低炭煙濃度工況和高炭煙濃度工況，分別記為工況1和工況2，通過調(diào)整后處理距離，保證DPF入口溫度在(250±5)℃。對(duì)兩個(gè)相同的DPF進(jìn)行高溫初始化，并通過穩(wěn)態(tài)工況逐步加載至該DPF標(biāo)定允許最大炭載量(20±1)g。將WHTC前600 s低負(fù)荷工況作為瞬態(tài)工況，記為工況3。分別將3套DPF從初始狀態(tài)加載到最大炭載量，觀察累炭速率變化規(guī)律以及累炭總量和時(shí)間的關(guān)系。3種不同積炭加載工況見表3。

表3 3種不同積炭加載工況

1.2 不同工況積炭分布對(duì)比試驗(yàn)

為了研究DPF內(nèi)部積炭的分布，可以采用專用設(shè)備觀察孔道內(nèi)的積炭分布。密歇根理工大學(xué)Ryan Foley等[7]通過采用太赫茲技術(shù)的AdvantestTAS7000設(shè)備掃描DPF載體，獲取炭煙加載過程、被動(dòng)再生過程和主動(dòng)再生過程的載體內(nèi)整體炭煙3D分布，并用于DPF相關(guān)控制模型數(shù)據(jù)標(biāo)定，該方法不需要對(duì)DPF載體進(jìn)行切割破壞，便于實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用。國外還有采用中子斷層掃描技術(shù)[8]、光學(xué)顯微鏡[9]觀測、將載體開視窗[10]后觀測，以及向載體通道通入示蹤氣體[11]，通過分析氣體濃度差異計(jì)算積炭分布等多種方式。

國內(nèi)目前多采用切塊法和熱電偶法。切塊法是分別將DPF按軸向和徑向切分成若干小塊，并分別測量徑向和軸向小塊的單位質(zhì)量變化量，由此來分析積炭分布。本次試驗(yàn)將3種工況滿載炭載量的3個(gè)DPF首先按照軸向切分為前、中、后3個(gè)等高圓柱體，每個(gè)圓柱等分為4個(gè)扇形，然后如圖2再沿徑向?qū)⒁粋€(gè)扇形塊從正(L1-1-1)、中(L1-1-2)、邊(L1-1-3)切分出3個(gè)截面為1 cm×1 cm的長方體，分別測量每個(gè)長方體載炭質(zhì)量(m1)后通過馬弗爐高溫除炭，再次測量空載體質(zhì)量(m2)，二者差值除以空載體質(zhì)量即可得到一個(gè)無量綱的參數(shù)Mcu(Mass of Carbon Per Unit Volume)，以此來比較不同部位的單位載體炭載量，即

圖2 DPF載體切塊示意

Mcu=(m1-m2)/m2。

1.3 不同工況排放對(duì)比試驗(yàn)

在臺(tái)架A上利用累炭發(fā)動(dòng)機(jī)通過不同載碳工況將DPF從初始空載分別加載至不同炭載量，隨后將不同比例炭載量的DPF裝至臺(tái)架B，使用同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行排放試驗(yàn)，測試WHTC循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)冷熱態(tài)工況[12]下PN和PM隨累炭工況和炭載量的變化。每次測試完成后都須重新對(duì)DPF進(jìn)行高溫除炭初始化，然后繼續(xù)在累炭發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行下一比例炭載量加載，流程見圖3。

圖3 DPF炭載量加載及排放試驗(yàn)流程

2 結(jié)果分析

2.1 不同工況累炭速率對(duì)比分析

3個(gè)工況從初始空載加載至最大炭載量的炭載量變化和累炭速率見圖4。

圖4 不同工況累炭速率和累炭質(zhì)量

兩個(gè)穩(wěn)態(tài)工況中，由于工況2炭煙濃度高，因此，累滿DPF用時(shí)短于工況1，平均累炭速率高于工況1；瞬態(tài)工況3累炭速率最快。

本刊訊12月 18日 ，由陜西省委教育工委、省教育廳主辦，陜西藝術(shù)職業(yè)學(xué)院承辦的慶祝改革開放40周年——秦腔紅色經(jīng)典作品大型民族管弦樂演唱會(huì)在西安音樂學(xué)院音樂廳上演。陜西省委副書記賀榮出席活動(dòng)并在西安音樂學(xué)院調(diào)研。

低炭煙濃度工況的累炭速率明顯呈現(xiàn)兩頭高中間平的盆型曲線特點(diǎn)，原因可能在于初始時(shí)DPF吸附面積較大，可吸附顆粒物多，累炭速率快速增長，中期吸附與逃逸的顆粒物達(dá)到平衡，因此維持在一個(gè)穩(wěn)定速率，后期因?yàn)槲⒂^顆粒物的積累使孔隙率變小，可逃逸顆粒物比例減小造成累炭速率增加。

工況2與工況3均呈現(xiàn)較為平緩的累炭速率曲線，更適合通過控制時(shí)間來制備不同累炭比例的DPF，而工況1因?yàn)榇嬖谒俾释蛔儯谥苽漭^小和較大累炭比例的DPF時(shí)需增加測試數(shù)量保證結(jié)果。

2.2 不同工況累炭分布對(duì)比分析

將上節(jié)試驗(yàn)后得到的3個(gè)累滿炭的DPF按圖2所示首先分割為前、中、后3個(gè)圓柱體后，再從正中心向邊分別在中心、中間、邊緣3點(diǎn)切割長方體的取樣段。每個(gè)DPF采集9個(gè)取樣段，按1.2節(jié)所述測量得到不同累炭工況下DPF中不同部位的Mcu。

3種累炭工況下DPF各部位的Mcu分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。可以看出，WHTC前600 s累炭工況下得到的3號(hào)DPF不同部位25至75百分位的積炭分布更為集中；2 600 r/min，110 N·m工況下(2號(hào)DPF)積炭分布區(qū)域較廣，但偏離部分較少。

圖5 3種累炭工況DPF各部位Mcu

對(duì)每個(gè)DPF內(nèi)部不同部位的積炭分布進(jìn)行處理得到圖6a，Mcu值越大顏色越深。比對(duì)不同工況下DPF前、中、后三個(gè)切面的積炭分布，可以看出，DPF炭煙累積與切面位置相關(guān)，后段積累的炭煙最多，中段其次，前段最少。初步可以推斷，無論采用何種累炭工況，DPF積炭分布總是自前向后逐漸增多。對(duì)于同一截面，中心、中間、邊緣部位的積炭分布規(guī)律不明顯。

為了進(jìn)一步對(duì)相同切面內(nèi)不同位置的積炭分布進(jìn)行研究，取不同DPF相同取樣段的炭載量進(jìn)行比對(duì)(見圖6b)。對(duì)于前段，WHTC前600 s工況下(3號(hào)DPF)中心的炭載量最高，而在兩種穩(wěn)態(tài)工況下均是邊緣積炭分布更多，中間和中心比較接近，均相對(duì)較少。對(duì)于中間段，兩種穩(wěn)態(tài)工況下依然是邊緣部位炭載量最多，而WHTC前600 s工況則是中心和中間部位炭載量較多，邊緣較少。對(duì)于后段，工況1中心和中間炭載量較多，工況2炭載量分布較為均勻，WHTC前600 s工況中心部位炭載量較多。

圖6 Mcu分布規(guī)律

2.3 與整車?yán)厶糠植急容^

將裝配與上述試驗(yàn)同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)及DPF組合的某款廂式貨車，按照標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行PEMS試驗(yàn)，加載比例為50%，市區(qū)、市郊、高速工況比例為45∶25∶30，重復(fù)多次試驗(yàn)直至車輛OBD系統(tǒng)識(shí)別到DPF達(dá)到最大炭載量，拆卸DPF對(duì)比總變化量后，按1.2節(jié)方法切割進(jìn)行分塊比較。

PEMS試驗(yàn)前后DPF質(zhì)量變化即炭載量只有15.6 g，相比20 g的最大加載質(zhì)量還有很大余量。這個(gè)余量的存在一方面是PEMS試驗(yàn)過程中，由DPF壓差傳感器測量值來計(jì)算炭載量在不同工況下有一定誤差，另一方面也是由于企業(yè)標(biāo)定人員為避免再生時(shí)溫度失控而采取的安全保護(hù)措施。

通過切塊法計(jì)算整車DPF積炭分布Mcu，并與臺(tái)架法3種工況下的DPF比較積炭分布的相關(guān)性。4組DPF的單位載體炭載量Mcu見表4。從與整車DPF的相關(guān)性系數(shù)可以看出，工況1和工況2兩個(gè)穩(wěn)態(tài)工況相關(guān)性好，且與整車相關(guān)性也較好，均大于0.8，且工況2更高，分析認(rèn)為這與試驗(yàn)貨車PEMS試驗(yàn)大多在中高負(fù)荷穩(wěn)速行駛有關(guān)，因此可以初步得出結(jié)論，積炭分布與發(fā)動(dòng)機(jī)行駛工況具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

表4 4組DPF各部位Mcu及相關(guān)性

2.4 不同工況顆粒物排放對(duì)比分析

按1.3節(jié)所述方法，采用工況2和工況3分別將同一DPF分別加載至不同炭載比例，然后在排放臺(tái)架上測試顆粒物數(shù)量和顆粒物質(zhì)量變化規(guī)律(見圖7)。

圖7 工況2和工況3不同累炭量下的顆粒物排放

從圖中可以看出，無論采用穩(wěn)態(tài)工況還是瞬態(tài)工況，顆粒物排放都是隨著炭載量的提高出現(xiàn)先高后低的變化規(guī)律，在初始DPF炭載量為空的時(shí)候，PM和PN都出現(xiàn)峰值，甚至顆粒物數(shù)量可能超過排放限值(6×1011個(gè)/(kW·h))。顆粒物在DPF內(nèi)的沉積過程按照壓降變化一般可將其分為三個(gè)階段，分別是深床過濾階段、過渡階段和表面過濾階段[13]。這與國外文獻(xiàn)中提到的剛剛再生過炭載量為空的DPF載體處于深床過濾階段，該階段顆粒的捕集效率較低的結(jié)論相同，主要原因在于在顆粒剛開始沉積時(shí)，這部分顆粒首先是進(jìn)入載體壁面內(nèi)部的微孔進(jìn)行沉積，后期隨著沉積過程的進(jìn)行微孔孔徑逐漸收縮，過濾效率會(huì)逐步提升至過渡階段。初始深床過濾階段效率較低，而在過渡階段以后過濾效率逐漸提高，最高可達(dá)98%以上[14]。

3 結(jié)論

a)高炭煙濃度工況和瞬態(tài)工況展現(xiàn)了較為平緩的累炭速率曲線，更適合通過控制時(shí)間長度來制備不同累炭比例的DPF；低炭煙濃度工況的累炭速率不是穩(wěn)定值，在制備低比例累炭量的DPF時(shí)不建議選擇此類工況；

b)DPF內(nèi)部炭載量的分布與工況呈現(xiàn)很強(qiáng)的相關(guān)性，相類似的穩(wěn)態(tài)工況下，無論是用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)還是整車試驗(yàn)，DPF內(nèi)部累炭分布規(guī)律相似；

c)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上使用不同的累炭工況，得出的顆粒物排放特性規(guī)律有相似性。