CDPF再生性能的試驗研究

李路， 孟忠偉， 陳超， 張川， 閆妍， 柏威廉

(1. 西華大學汽車與交通學院汽車測控與安全四川省重點實驗室， 四川 成都 610039；2. 浙江通源材料有限公司， 浙江 溫嶺 317500)

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CDPF再生性能的試驗研究

李路1， 孟忠偉1， 陳超1， 張川1， 閆妍1， 柏威廉2

(1. 西華大學汽車與交通學院汽車測控與安全四川省重點實驗室， 四川 成都 610039；2. 浙江通源材料有限公司， 浙江 溫嶺 317500)

基于外加熱源再生性能測試臺架，研究了來流參數和灰沉積對催化型柴油機顆粒捕集器(CDPF)再生性能的影響規律，并比較了DPF和CDPF在再生性能上的差異。結果表明：隨著來流溫度的增加，載體的最高溫度和最大溫度梯度先保持不變，后迅速增大，再生效率和效能比也逐漸增大；隨著來流溫度脈沖持續時間的增長，載體的最高溫度基本保持不變，最大溫度梯度略有增大，再生效率逐漸增大，但效能比卻逐漸降低；隨著灰沉積量的逐漸增大，載體的最高溫度和最大溫度梯度基本保持不變，再生效率和效能比卻逐漸降低；在來流溫度為475 ℃時，相較于DPF內碳黑基本不發生反應，CDPF內碳黑發生劇烈氧化，最高溫度和最大溫度梯度升高，再生效率和效能比也隨之升高。

來流參數； 灰沉積； 催化型柴油機顆粒捕集器； 再生

柴油機以燃油經濟性好、CO2排放低和性能可靠備受關注，但其PM排放是同排量汽油機的30～80倍[1-2]，嚴重制約其應用。目前，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[3]，其捕集效率可達95%以上[4-5]。但隨PM在捕集器內部的沉積，DPF兩端壓降會逐漸升高，影響發動機性能，因此需要對沉積的顆粒物進行清除[6-8]。當前，催化型柴油機顆粒捕集器(CDPF)由于催化劑作用而使炭煙具有較低的起燃溫度，因而備受各主機廠青睞，諸多學者也對CDPF進行了相關研究。樓狄明等[9-10]研究了CDPF對柴油機顆粒物數量濃度的影響和CDPF在公交車實際道路上的顆粒物數量、質量排放，但以上研究均未涉及CDPF內部再生性能；Kiyoshi Yamazaki 等[11]研究了兩種灰沉積對催化劑催化效果的影響，結果表明，隨著灰顆粒層厚度的逐漸增大，活化能逐漸增大，但該結果是基于單通道試驗，與整個CDPF沉積時相差較大，有必要開展整個載體的再生情況。本研究利用外加熱源再生性能測試臺架，研究了來流參數及灰沉積對CDPF再生性能的影響規律，并比較了DPF和CDPF在再生性能上的差異，為CDPF的再生優化和控制策略制訂提供試驗基礎。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 試驗臺架

借鑒并改進文獻[12]中的加載方法，搭建了顆粒/灰加載裝置(見圖1)。裝置包括三部分：顆粒發生段、加載主體段和抽吸段。空氣壓縮機提供高壓干燥空氣，在流量調節閥的調節下，空氣進入顆粒發生器，將碳黑揚起，形成氣溶膠；在工業吸塵器的抽吸下，氣溶膠進入加載主體段，使得顆粒在DPF內沉積，實現顆粒的加載。采用該加載方式，顆粒的沉積與DPF實際使用確實存在差異，但本研究僅針對CDPF內部再生性能，暫不考慮加載方式的影響。因此利用本加載方法，既能實現快速便捷的顆粒加載，又能保證試驗的重復性。

試驗搭建的外加熱源再生臺架見圖2。主要包括流量控制系統、加熱系統、再生主體段、數據采集系統四部分。空氣壓縮機提供的壓縮干燥空氣，在質量流量計精確控制下，經加熱器加熱后，進入DPF再生主體段加熱載體，后排入大氣。載體內部溫度場變化由溫度傳感器測量，通過數據采集卡和LabView軟件采集，能在線顯示和存儲數據。再生試驗中，對加熱器及再生主體段進行了保溫，以減少熱量損失，降低測量誤差。

1.2 試驗材料

本試驗采用被廣泛用以模擬柴油機顆粒的商用碳黑Printex-U[13]，其主要參數見表1。同時，由于灰是由長時間循環再生時顆粒中無法燃燒的部分累積而來，擔載真實灰則需要大量的工作，因此選用直徑與真實灰相近的飛灰來模擬真實灰，其主要參數見表2。

表1 碳黑主要參數

表2 灰主要參數

試驗選用的DPF載體為國產堇青石壁流式非催化型載體(直徑144 mm，長度152 mm，孔目數15.5 孔/cm2)，催化劑采用高比表面積(150 m2/g)TM型Al2O3，貴金屬Pt負載量為0.177 g/dm3。

1.3 試驗方法

本研究利用加載臺架進行碳黑加載，并利用外加熱源再生性能測試臺架開展再生試驗。根據來流參數對DPF再生性能影響的試驗結果選擇如下的試驗條件：碳黑擔載量5 g/L，來流流量16.8 g/s，來流氧體積分數21%，來流溫度脈沖持續時間500 s，1 000 s，2 000 s，來流溫度范圍425～475 ℃[14]；根據文獻[11]及灰沉積對壓降的影響綜合考慮，灰擔載量選擇為1 g/L和5 g/L。

載體內的溫度測點分布見圖3，總共布置14個測點，分別在CDPF軸心布置5個測點，外圈徑向入口、中部及出口位置均布置3個測點。其中，為了評價再生性能而定義了如下參數：1)Tmax，載體內部達到的最高溫度；2)溫度梯度(dT/dx)，以軸向相鄰測點中后點溫度減去前點溫度，并除以兩測點間距，溫度梯度最大值為(dT/dx)max；3)再生效率η，利用稱重法得到再生前后的質量差，即可得到整個再生過程的再生效率η；4)效能比ε，利用該參數可以評價能量利用率，其計算公式為

式中：cp為定壓比熱容；qm為來流質量流量；T1為DPF入口溫度；T0為來流初始溫度；t為加熱器加熱時間。

2 試驗結果與分析

2.1 來流溫度對CDPF再生性能的影響

來流溫度對CDPF再生性能的影響規律見圖4和圖5，試驗條件為碳擔載量5 g/L，來流流量16.8 g/s，來流氧體積分數21%，來流溫度脈沖持續時間1 000 s。由圖4可知：隨著來流溫度的增加，再生最高溫度和最大溫度梯度先基本保持不變，后迅速增大，存在來流溫度敏感區域(來流溫度大于450 ℃)。分析其原因：來流溫度較低時，CDPF內碳黑在催化劑的作用下發生緩慢氧化反應，反應速率低；隨著來流溫度的升高，碳黑在催化劑的作用下發生劇烈的氧化反應，反應速率迅速增大，載體的最高溫度和最大溫度梯度迅速上升。由圖5可知：隨著來流溫度的增加，CDPF的再生效率和效能比逐漸增加，且在來流溫度為425 ℃時已具有13%的再生效率。其原因是在催化條件下，來流溫度的升高有利于碳黑氧化反應的進行。

2.2 來流溫度脈沖持續時間對CDPF再生性能的影響

來流溫度脈沖持續時間對CDPF再生性能的影響規律見圖6和圖7，試驗條件為碳擔載量5 g/L，來流流量16.8 g/s，來流溫度450 ℃，來流氧體積分數21%。由圖6可知：隨著來流溫度脈沖持續時間的增長，最高溫度基本保持不變，最大溫度梯度略有增大。分析其原因：溫度脈沖持續時間的增

長對碳黑反應速率影響不大，但會使整個反應過程中載體吸收的熱量增加。由圖7可知：隨著來流溫度脈沖持續時間的增長，再生效率逐漸增大，但效能比逐漸降低。分析其原因：隨著來流溫度脈沖時間的增長，碳黑的反應時間增長，其再生總量增加，而溫度脈沖持續時間的增長造成了較大的能耗增加，其能量利用率下降。通過增長來流溫度脈沖持續時間來提高再生效率是一種不經濟的方式。

2.3 灰沉積對CDPF再生性能的影響

灰沉積對CDPF再生性能的影響規律見圖8和圖9，試驗條件為碳擔載量5 g/L，來流流量16.8 g/s，來流溫度450 ℃，來流氧體積分數21%，來流溫度脈沖持續時間1 000 s。由圖8可知：隨著灰沉積量的逐漸增大，最高溫度和最大溫度梯度保持不變。分析其原因：碳黑在CDPF內緩慢氧化，氧化釋放的熱量被來流迅速帶走，最高溫度和溫度梯度主要受來流溫度的影響。由圖9可知：隨著灰沉積量的逐漸增大，再生效率和效能比均逐漸降低；再生效率最大降幅為14%，根據再生效率擬合公式計算得，當灰擔載量13 g/L時，再生效率為0。分

析其原因：CDPF內碳黑的氧化是一個固(催化劑涂層)—氣(氧氣)—固(碳黑)反應，而灰沉積在CDPF催化劑涂層上，形成灰顆粒層，阻礙了催化劑涂層和碳黑的直接接觸，增大了活性氧原子的移動距離，反應速率下降，再生效率和效能比逐漸降低。灰沉積在一定程度上降低再生性能，有必要定期清灰。

2.4 DPF與CDPF再生性能差異比較

DPF與CDPF在起燃溫度上相差較大，其再生性能亦有較大差異。選擇CDPF主動再生溫度(475 ℃)比較了DPF與CDPF再生性能差異，結果見圖10和圖11，試驗條件為碳擔載量5 g/L，來流流量16.8 g/s，來流溫度450 ℃，來流氧體積分數21%，來流溫度脈沖持續時間1 000 s。由圖10可知：DPF再生最高溫度和溫度梯度均低于CDPF，且DPF的最高溫度基本等于來流溫度。分析其原因：DPF內的碳黑在475 ℃時基本不發生氧化反應；而CDPF由于具有催化劑的作用，使得碳黑在較低的來流溫度下就能發生反應，且475 ℃接近于CDPF主動再生的來流溫度，CDPF內的碳黑劇烈反應，最高溫度和最大溫度梯度迅速增大。由圖11可知：DPF內的碳黑再生效率低，效能比低；而CDPF內碳黑劇烈再生，再生效率激增至50%，效能比也隨之升高。其原因是CDPF在催化劑的作用下碳黑的起燃溫度低，再生過程容易發生。與DPF相比，CDPF具有較低的起燃溫度，亦能降低主動再生時的升溫壓力。

3 結論

a) 隨著來流溫度的增加，載體的最高溫度和最大溫度梯度先保持不變，后迅速增大，存在快速升高區域(來流溫度大于450 ℃)；再生效率逐漸增大，效能比也逐漸增加；

b) 隨著來流溫度脈沖持續時間的增長，載體的最高溫度基本保持不變，最大溫度梯度略有增大；再生效率逐漸增大，但效能比卻逐漸降低；通過增長來流溫度脈沖持續時間來提高再生效率是一種不經濟的方法；

c) 隨著灰沉積量的逐漸增大，最高溫度和最大溫度梯度保持不變，再生效率和效能比逐漸降低；灰沉積在一定程度上影響DPF再生性能，有必要定期對其進行清灰處理；

d) 在來流溫度接近CDPF主動再生溫度(475 ℃)下，DPF內碳黑基本不發生氧化反應，CDPF內碳黑發生劇烈氧化，最高溫度和最大溫度梯度升高，再生效率激增至50%，效能比亦升高；與DPF相比，CDPF具有較低的起燃溫度，亦能降低主動再生時的升溫壓力。

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[編輯： 袁曉燕]

Experimental Investigation on CDPF Regeneration Performance

LI Lu1, MENG Zhongwei2, CHEN Chao1, ZHANG Chuan1, YAN Yan1, BAI Weilian2

(1. Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province, School of Automobile and Transportation, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. Zhejiang Tong Yuan Material Tech., Ltd., Wenling 317500, China)

Based on the regeneration test bench with additional heater, the influences of incoming flow parameter and deposited ash on the regeneration performance of catalytic diesel particulate filter (CDPF) were investigated and the regeneration performance between DPF and CDPF was compared. The results showed that the maximum temperature and maximum temperature gradient of carrier kept constant firstly and then increased rapidly and the regeneration efficiency and the regeneration performance ratio increased with the increase of incoming flow temperature. With the duration of incoming flow temperature pulse, the maximum temperature kept constantly, the temperature gradient increased slightly, the regeneration efficiency increased, but the regeneration performance ratio decreased. With the increase of deposited ash, the maximum temperature and maximum temperature gradient of carrier kept constantly and the regeneration efficiency and regeneration performance ratio decreased. Compared with DPF, the carbon black of CDPF oxidized severely at 475 ℃, the maximum temperature and maximum temperature gradient of carrier increased, and the regeneration efficiency and the regeneration performance ratio increased.

incoming flow parameter; ash deposit; catalytic diesel particulate filter; regeneration

2015-07-10；

2015-09-15

教育部“春暉計劃”合作科研項目(Z2014058)；發動機燃料電控系統及尾氣后處理系統產業集群項目(成財教[2013]265)；四川省重點科技項目(2011JYZ014)；西華大學重點科研基金項目(Z1120319)；西華大學研究生創新基金(ycjj2015040)

李路(1991—)，男，碩士，主要從事柴油機顆粒捕集器再生方面的研究； liluxhu@foxmail.com。

孟忠偉(1980—)，男，教授，博士，主要從事柴油機顆粒物捕集器方面的研究；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.010

TK424.5

B

1001-2222(2015)05-0050-05