大型柴油機(jī)DPF被動(dòng)再生特性的試驗(yàn)研究

班智博 張 揚(yáng) 黃豪中 莊繼暉 陶澤民 林鐵堅(jiān)

(1. 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537005；2. 廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；3. 海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 海口 570228)

原創(chuàng)

大型柴油機(jī)DPF被動(dòng)再生特性的試驗(yàn)研究

班智博1張 揚(yáng)1黃豪中2莊繼暉3陶澤民1林鐵堅(jiān)1

(1. 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537005；2. 廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；3. 海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 海口 570228)

通過臺(tái)架試驗(yàn)研究了不同廢氣再循環(huán)(EGR)率及不同排氣節(jié)流閥開度對柴油機(jī)顆粒過濾器(DPF)被動(dòng)再生的影響規(guī)律，對比了在世界協(xié)作瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)工況前900s瞬態(tài)工況下開關(guān)EGR閥對DPF耐久特性的影響，并研究了駐車再生的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，EGR率及排氣節(jié)流閥開度通過影響排氣溫度及排氣NO2濃度影響DPF被動(dòng)再生速度；正常WHTC工況前900s耐久循環(huán)下DPF碳載量不斷增大，關(guān)閉EGR閥后進(jìn)行WHTC工況前900s耐久循環(huán)后，DPF碳載量不斷減少；駐車再生能夠有效降低DPF碳載量。

大型柴油機(jī) 排放 DPF 被動(dòng)再生 EGR 排氣節(jié)流閥

0 概述

顆粒物(PM)是柴油機(jī)的主要有害排放物之一[1-5]，也是國內(nèi)機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)嚴(yán)格控制的有害排放物。隨著排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)，尤其是到了國5及更高的法規(guī)階段，壁流式柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)將逐漸成為柴油機(jī)后處理裝置中不可或缺的部分[6-7]。

DPF通過捕集柴油機(jī)尾氣中的PM來凈化尾氣。隨著捕集的進(jìn)行，DPF中堆積的PM越來越多，將導(dǎo)致柴油機(jī)排氣背壓升高，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化，因此加裝DPF之后需定期清除DPF中的碳粒，稱之為再生[8-9]。

DPF再生分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生2種方式。主動(dòng)再生是通過向柴油機(jī)尾氣中注入額外能量，提升DPF入口排氣溫度(一般大于550℃)，使DPF中捕集的顆粒物與尾氣中的O2發(fā)生快速氧化反應(yīng)，從而減少PM；被動(dòng)再生指DPF中捕集的PM與尾氣中的NO2在較低溫度下(500℃以下)發(fā)生氧化反應(yīng)，而減少PM的過程。

和主動(dòng)再生相比，被動(dòng)再生具有以下優(yōu)勢[10]: (1) 系統(tǒng)復(fù)雜性更低，開發(fā)較容易；(2) 燃油經(jīng)濟(jì)性較好；(3) 熱應(yīng)力較小；(4) 對于選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)布置在DPF后的歐6機(jī)型來說，由于SCR入口溫度低，避免SCR因高溫而出現(xiàn)效率下降。

然而，被動(dòng)再生再生速度慢、效率低，并且存在一定的堵塞風(fēng)險(xiǎn)，因此在大型柴油車應(yīng)用中一般不采用純被動(dòng)再生的技術(shù)路線，而是選擇以被動(dòng)再生為主，主動(dòng)再生為輔的路線。

本文通過臺(tái)架試驗(yàn)方法，研究柴油機(jī)被動(dòng)再生特性，包括DPF平衡點(diǎn)特性、不同排氣溫度管理手段對被動(dòng)再生的影響、被動(dòng)再生的耐久性等。

1 研究裝置與設(shè)備

臺(tái)架試驗(yàn)采用滿足歐6排放標(biāo)準(zhǔn)的玉柴6L-60發(fā)動(dòng)機(jī)，其參數(shù)如表1所示，主要設(shè)備如表2所示。

表1 玉柴6L-60發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)列表

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備列表

2 EGR及排氣節(jié)流閥對DPF被動(dòng)再生的影響

2.1 被動(dòng)再生原理

DPF被動(dòng)再生的化學(xué)反應(yīng)式如下：

(1)

(2)

化學(xué)反應(yīng)速度是衡量DPF被動(dòng)再生能力的重要指標(biāo)，當(dāng)DPF中積碳再生速率(g/h)大于發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒的生成速率時(shí)，DPF中的碳載量就會(huì)下降；當(dāng)兩者相等時(shí)，DPF中的碳載量保持不變；當(dāng)前者小于后者時(shí)，碳載量增加。

從式(1)和式(2)得知，影響被動(dòng)再生反應(yīng)速度的因素包括排氣氮氧化物(NOx)濃度、碳載量、排氣溫度等。由于EGR會(huì)影響NOx排放和排氣溫度，而排氣節(jié)流閥也會(huì)影響到NOx濃度和排氣溫度等，因此有必要研究EGR及排氣節(jié)流閥對DPF被動(dòng)再生反應(yīng)特性的影響。

2.2 測試工況

發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性及世界協(xié)同瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)工況點(diǎn)如圖1所示。排氣節(jié)流閥通過提高排溫，從而提高DOC轉(zhuǎn)化NO的效率，以實(shí)現(xiàn)輔助DPF再生。它的主要作用區(qū)域?yàn)橹小⒌拓?fù)荷工況。本文選取WHTC較典型的4個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)研究： 工況1，轉(zhuǎn)速47%，扭矩17.78%；工況2，轉(zhuǎn)速53.95%，扭矩49.63%；工況3，轉(zhuǎn)速67.91%，扭矩24.81%；工況4，轉(zhuǎn)速67.91%，扭矩49.63%。

圖1 排氣背壓閥及EGR開度優(yōu)化試驗(yàn)工況點(diǎn)

2.3 結(jié)果分析

不同的EGR閥開度、排氣背壓閥開度會(huì)影響DPF入口溫度、DPF入口NO2濃度、DPF內(nèi)PM成分及分布等,本文主要分析對DPF入口溫度和DPF入口NO2濃度的影響。4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律接近，因篇幅所限，下文中僅分析工況2。

試驗(yàn)中在不同的EGR閥開度下，逐步關(guān)小排氣節(jié)流閥開度，研究EGR率及排氣節(jié)流閥對DOC入口溫度、DOC入口的NOx濃度、比油耗的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 不同EGR率下排氣節(jié)流閥開度對DOC入口溫度的影響

圖3 不同EGR率下排氣節(jié)流閥開度對DOC入口NOx排放濃度的影響

圖4 不同EGR率下排氣節(jié)流閥開度對DOC入口NO2排放濃度的影響

如圖2所示，隨EGR率增加，DOC入口溫度呈單調(diào)增加的趨勢，主要是由于隨EGR率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比降低，燃燒惡化，燃燒持續(xù)期延長，排氣門開啟時(shí)刻缸內(nèi)溫度升高，從而導(dǎo)致DOC入口溫度增加。另外，從圖2還可以看出，隨排氣節(jié)流閥開度減小，DOC入口溫度同樣呈單調(diào)增加的趨勢，主要原因是隨著排氣節(jié)流閥開度減小，缸內(nèi)殘余廢氣量增加，燃燒惡化，燃燒持續(xù)期延長，排氣門開啟時(shí)刻缸內(nèi)溫度升高，從而導(dǎo)致DOC入口溫度增加。

EGR率及排氣節(jié)流閥開度對DOC入口NOx排放濃度的影響如圖3所示。隨EGR率的增加及排氣節(jié)流閥開度的減小，DOC入口NOx排放濃度均下降，這是因?yàn)閮烧呔鶗?huì)引起缸內(nèi)空燃比的下降及燃燒溫度的降低，而NOx的生成需要高溫富氧的環(huán)境，因此DOC入口NOx排放濃度隨EGR率增加及排氣節(jié)流閥開度的減小而降低。

EGR率及排氣節(jié)流閥開度對DOC入口NO2排放濃度的影響如圖4所示。隨EGR率的增加及排氣節(jié)流閥開度的減小，DOC入口NO2排放濃度均下降，這是因?yàn)镹O2在NOx中所占比例基本不變，因此NO2與圖3所示的NOx的變化規(guī)律類似。

3 WHTC前900s的DPF被動(dòng)再生耐久試驗(yàn)研究

WHTC是瞬態(tài)的排放認(rèn)證循環(huán)，其測試循環(huán)的平均排溫比ETC更低，尤其是其前900s的排溫更低，如圖5所示。

圖5 WHTC前900s的排溫分布

從圖5可以看出: 完整WHTC循環(huán)的排氣溫度較高，大于250℃的比例為78%；WHTC循環(huán)前900s的溫度較低，大于250℃的比例為59%。因此，采用WHTC循環(huán)前900s進(jìn)行DPF被動(dòng)再生考核更為苛刻。

在進(jìn)行耐久試驗(yàn)過程中，為了獲得較為準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，完成WHTC循環(huán)前900s試驗(yàn)循環(huán)后，將發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速2200r/min、扭矩240N·m穩(wěn)定300s，以此來獲得穩(wěn)態(tài)工況下的DPF壓差及DPF出口溫度。首先帶EGR進(jìn)行了22h的耐久測試，分別選取了5h、15h、20h、22h的試驗(yàn)數(shù)據(jù)片段，分別繪制DPF壓差及DPF出口溫度曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 帶EGR的WHTC前900s耐久考核試驗(yàn)

圖7 帶EGR的WHTC前900s耐久考核試驗(yàn)

從圖6可以看出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，DPF壓差呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢，主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒生成速度較快，DPF被動(dòng)再生速度較慢，DPF碳載量不斷堆積。

進(jìn)行完上述試驗(yàn)后，對DPF進(jìn)行稱重得到此時(shí)的碳載量為19.8g/L，隨后關(guān)掉EGR繼續(xù)進(jìn)行耐久測試，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 不帶EGR的WHTC循環(huán)前900s耐久考核試驗(yàn)

從圖8可以看出，隨著耐久試驗(yàn)的進(jìn)行，DPF的壓差逐漸降低，第3h、13h、23h時(shí)刻DPF稱重的結(jié)果分別為19.8g/L、11.2g/L、7.8g/L。這說明不帶EGR進(jìn)行試驗(yàn)過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)原排NOx的增加和碳煙的減少造成DPF被動(dòng)再生速度較快，其被動(dòng)再生的速度大于原排產(chǎn)生顆粒的速度，因此DPF碳載量逐漸降低。

圖9 不帶EGR的WHTC循環(huán)前900s耐久考核試驗(yàn)

從圖9可以看出，隨試驗(yàn)的進(jìn)行，DPF出口溫度逐漸降低。這說明隨著DPF被動(dòng)再生的進(jìn)行，碳載量不斷降低，DPF內(nèi)部升溫減弱，因此DPF出口溫度降低。

對比圖6～9的結(jié)果可知，6L-60發(fā)動(dòng)機(jī)帶EGR工作時(shí)DPF碳載量呈增加趨勢，不帶EGR工作時(shí)由于被動(dòng)再生加強(qiáng)使碳載量下降。

4 DPF被動(dòng)再生駐車下的試驗(yàn)驗(yàn)證

雖然在整車運(yùn)行時(shí)被動(dòng)再生經(jīng)濟(jì)性好且開發(fā)工作量小，但對于長期運(yùn)行在較低負(fù)荷下的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于排溫較低，被動(dòng)再生反應(yīng)緩慢，存在DPF堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

駐車再生是指在車速為零時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)置于高怠速狀態(tài)，以此提高排氣溫度，促進(jìn)被動(dòng)再生反應(yīng)的進(jìn)行。圖10展示了駐車再生時(shí)DPF壓差下降的過程。

圖10 駐車條件下的DPF被動(dòng)再生

在駐車再生剛開始時(shí)，DPF入口溫度大于出口溫度；隨著再生反應(yīng)的進(jìn)行，DPF內(nèi)部放熱速度加快，出口溫度大于入口溫度，與此同時(shí)由于碳載量的減少，DPF壓差降低。駐車再生前期DPF壓差下降較快，后期則下降緩慢，主要原因是駐車再生后期DPF內(nèi)部碳載量減少，反應(yīng)物的減少影響了被動(dòng)再生反應(yīng)的進(jìn)行。

為了驗(yàn)證駐車再生的效果，將DPF加載不同的碳載量水平，然后進(jìn)行駐車再生。在駐車再生前后對DPF稱重，計(jì)算再生的效率，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 駐車再生數(shù)據(jù)

如表3所示，在不同的初始DPF碳載量下，采用駐車的方式對DPF進(jìn)行再生均能有效降低DPF碳載量，再生效率隨著再生時(shí)間的增加而增大，更大的初始碳載量需要更長的駐車再生時(shí)間。

5 結(jié)論

(1) 隨著EGR率增大，DOC入口溫度升高，會(huì)使DPF被動(dòng)再生速度加快；隨著EGR率增大，DOC入口NOx濃度減小，DOC入口NO2濃度減小，會(huì)導(dǎo)致DPF被動(dòng)再生速度減慢。

(2) 隨著排氣節(jié)流閥開度減小，DOC入口溫度升高，會(huì)使DPF被動(dòng)再生速度加快；隨排氣節(jié)流閥開度減小，DOC入口NOx濃度減小，DOC入口NOx濃度減小，會(huì)導(dǎo)致DPF被動(dòng)再生速度減慢。

(3) EGR閥正常工作狀態(tài)下進(jìn)行WHTC前900s耐久測試，DPF碳載量呈現(xiàn)遞增的趨勢；關(guān)閉EGR閥后進(jìn)行WHTC前900s耐久測試，DPF碳載量呈現(xiàn)遞減的趨勢。這說明關(guān)閉EGR閥后DPF被動(dòng)再生速度有較大提升，DPF通過被動(dòng)再生消耗積碳的速度大于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生顆粒的速度。

(4) 采用駐車再生能夠有效降低DPF碳載量，在駐車再生初期DPF壓差下降較快，再生后期下降較慢，駐車再生的效率主要受再生時(shí)間的影響。

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