選擇性催化還原過濾器背壓驟增現象的研究

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0 前言

柴油發動機在燃油經濟性方面優于汽油發動機，但相關排放零部件的維修成本高。柴油顆粒過濾器(DPF)是這些高成本零部件中的其中之一，其在柴油車輛上作為排放控制裝置被廣泛使用。DPF的功能是捕捉發動機排出的顆粒并定期地通過燃燒再生，再生的觸發信號包括行駛里程、燃油消耗、發動機運行時間、碳煙仿真模型和壓力傳感器[2]等。

研究中發現，當使用基于壓力傳感器的方法預測DPF中碳煙質量，并將其作為再生觸發信號時，出現了DPF中碳煙質量和壓力傳感器讀取值不一致的情況。通過破壞性分析研究發現了碳煙坍塌現象，這造成了背壓驟增。這種失效模式會導致發動機故障燈點亮，可能造成高成本DPF的不必要更換。

Rui[3]等人曾仿真過一款商用發動機和DPF上的背壓驟增現象，通過準時/實時觀察和在線視頻/離線纖維內窺鏡圖像的可視化方法，成功再現了這一現象。其研究確認了碳煙層的坍塌堵塞了DPF通道從而引起了背壓驟增，碳煙坍塌現象出現在多個位置。

為了避免碳煙坍塌現象的發生，首先提出假設、對該物理現象開展研究顯得尤為重要。

如前期研究[1]中所述，碳煙結構的坍塌導致背壓驟增，這是眾多因素綜合所致。在長途高速行駛過程中，由于涂覆的DPF產生的實時原位NO2，碳煙被動再生時會在碳煙層和DPF通道壁上產生間隙。如果DPF上的碳載量非常高，接近于再生觸發點，同時車輛在高濕度環境下長時間浸置，碳煙可能由于吸附水而變為凹形。車輛浸置后再進行急加速行駛，碳煙會坍塌并引起DPF背壓驟增。壓力反饋到發動機控制器時，會被識別為過濾器上有非常高的碳載量的信號，以致于使發動機故障燈點亮。

因為選擇性催化還原過濾器(SCRF)技術是一種能夠有效減少氮氧化物(NOx)排放的技術路線，因此研究了該過濾器出現背壓驟增現象的可能性。基于前期研究，如果NO2來源于上游，而不是實時原位NO2，利用SCRF技術可以阻止原位NOx的生成，接下來被動再生也不會引起碳煙坍塌。其他條件如車輛浸置和急加速行駛模式保持一致，因為相對于產品的設計，這些是不可控的參數。

因此，就背壓驟增現象而言，既不需要鉑系金屬(PGM)[4-5]，實時原位NO2功能也能被抑制，這將是SCRF的優勢所在。

選擇性催化還原(SCR)是一種借助于催化器將NOx轉化為雙原子氮(N2)和H2O的技術。氣體還原器，通常是無水氨、氨水或尿素，被加入到煙道或排氣氣體中，并被吸附到催化器上。當尿素作為還原器時，碳氧化物CO2是其中一種反應產物[6-9]。

SCRF技術集兩種催化器于一體，同時提供NOx還原和顆粒物過濾，并有潛力減小催化器尺寸和降低成本。由于像鉑這樣的貴金屬可能氧化NH3，阻止了NH3和NOx發生反應，于是SCRF的涂層上沒有鉑系金屬。這排除了在SCRF上生成實時原位NO2的可能性。

1 設備和搭建

1.1 樣件狀態

本文使用碳化硅型式的不對稱單元結構的過濾器來研究SCRF上碳煙間隙的生成。過濾器的直徑是177.8 mm，長度是150.5 mm，涂層是銅沸石，見表1。SCRF系統布置在距離渦輪增壓器較近的位置(圖1)。

表1 SCRF樣件信息

1.2 發動機測功機試驗工況和掃描電子顯微鏡(SEM)分析的取樣點

SCRF布置在排氣管路中最遠的下游(圖2)，選擇碳煙生成速率高，且被動再生時溫度不利于NO2及O2發生反應的試驗工況下進行碳煙加載，如表2。

為了確認被動再生效應的后果，嘗試再現SCRF上背壓驟增的現象，催化器布置在離發動機比較近的位置，如圖2(b)所示。被動再生時確認SCRF入口氣體溫度和NOx濃度影響的發動機試驗工況見表3。

圖2 發動機和后處理系統布局

項目參數轉速/(r·min-1)3 000(3 089)3 000(3 064)扭矩/(N·m)50(49.6)50(48.6)SCRF的入口氣體溫度/℃210(210.0)210(209.7)入口氣體流量/(kg·h-1)200(200.0)200(202.9)SCRF上的碳煙質量/(g·L-1)8.610.0車用尿素(DEF)噴射/(g·s-1)無無

表3 被動再生的發動機試驗工況

使用發動機測功機研究了在不同的發動機試驗工況下SCRF是否也將出現背壓驟增現象(圖3)。如前文所提到的，涂覆DPF的背壓驟增現象出現在NO2增多的被動再生工況下。因此，試驗中發動機選擇在被動再生工況時運行，隨后進行24 h浸置。

為了研究浸置時濕度的影響，當催化器還在試驗箱內時，在SCRF入口處用噴槍噴入150 g H2O，過程如圖4所示。浸置完成后，將零部件重新裝回試驗臺架，同時發動機測功機在瞬態工況下運行以模擬急加速狀態。

圖4 在高濕度試驗箱內進行水暴露和24 h浸置[1]

圖5 SEM分析的取樣點

使用有損探傷法和掃描SEM對試驗后的SCRF進行分析以確認碳煙積累型式。在23個取樣點中，第一輪試驗中①、②和③點、第二輪試驗中①、②、③、④和⑤點被取出用于SEM分析。如圖5所示，相對于SCRF入口面，測量點分別位于15 mm、75 mm和135 mm。

2 結果和討論

2.1 SCRF被動再生的第一輪試驗

第一步為了確認發動機測功機在試驗工況下是否正常工作，進行第一輪試驗以確認碳煙積累以及碳煙被動再生的特性。被動再生時的發動機試驗工況、發動機出口NOx濃度和排氣溫度如圖6所示，并在表3中進行了總結。

圖6 第一輪試驗的發動機試驗工況和SCRF被動再生的出現

試驗結果表明發動機大約運行30 min，背壓從7.4 kPa降低到5.9 kPa(-20%)，基于過濾器質量的被動再生效率約為11.3%。

SEM分析圖片見圖7。結果表明碳煙層厚度在排氣流方向上遞增。距離入口側15 mm的測量點碳煙層厚度為30～50 μm，距離入口側135 mm的測量點碳煙層最厚，約為170～225 μm，如圖8所示。這種碳煙層厚度的梯度現象可能是由于碳煙加載時的沉積物生產和NO2帶來的碳煙被動氧化共同造成的。

圖7 第一輪試驗被動再生后SCRF的SEM分析結果

圖8 第一輪試驗SCRF每個位置(A、B、C)的碳煙層厚度

研究中碳煙層和SCRF通道壁上沒有觀察到間隙或分離，可能是由于SCRF上沒有生成實時原位NO2。這與前期研究中未經涂覆處理的DPF所觀察的現象類似。由于沒有在高濕度環境下浸置，通道內的碳煙層保持吸管狀，沒有出現凹形。涂覆鉑/鈀催化劑的DPF和SCRF的基于NO2被動碳煙氧化的對比如圖9所示。可以看出SCRF的氧化水平遠遠低于涂覆的DPF。在第一輪試驗中，確認了被動再生效果，在第二輪試驗中以仿真手段模擬背壓驟增。

圖9 SCRF和涂覆Pt/Pd催化劑的DPF的間隙生成情況[1]

2.2 SCRF背壓驟增仿真的第二輪試驗

為了研究背壓驟增現象，按照圖3所示進行第二輪試驗。被動再生時的發動機出口NOx濃度和排氣溫度如圖10所示，并在表3中進行總結。噴水后進行浸置，最后進行急加速試驗。

圖10 第二輪試驗的發動機試驗工況和SCRF被動再生的出現

為了研究SCRF通道壁上碳煙坍塌，對多個測量截面上眾多取樣點進行SEM分析，如圖11所示。有損探傷結果顯示出碳煙層厚度在排氣流方向上越來越厚，這與第一輪試驗的結果相同，同時在SCRF通道壁上沒有出現碳煙層分離，在通道內也沒有凹形碳煙生成。另外急加速不能造成過濾器通道內的碳煙坍塌。

圖11 第二輪試驗急加速后SCRF的SEM分析結果

3 結語

通過前期研究[1]，認為使用PGM涂層技術的DPF背壓驟增是由以下3個步驟綜合引起的(圖12)：

圖12 涂覆Pt/Pd催化劑的DPF背壓驟增假設的描述

(1)碳煙的被動再生(與NO2反應)通常發生在高速行駛時。在涂覆的DPF上，由于實時原位NO2的存在，使這種被動再生引起碳煙局部燃燒，在碳煙層和DPF壁之間產生間隙。

(2)具有較高碳載量的車輛浸置12 h后，碳煙吸附H2O生成凹形碳煙。除了存在的間隙導致DPF通道壁不能支撐碳煙層之外，H2O的吸附也導致碳煙層質量增加。

(3)帶有急加速的冷起動容易引起碳煙層坍塌，這會引起DPF通道的氣體流動限制，從而造成傳感器讀取的涂覆DPF背壓增大。

通過試驗確認了，如果上述條件中的任何一條無法滿足，就可以防止碳煙坍塌現象的出現。研究的焦點是SCRF技術，以及該技術是否會出現背壓增大現象。試驗確認了被動再生期間未生成間隙以及急加速時無碳煙坍塌現象的發生。可能是因為缺少充足的實時原位NO2，這是產生背壓驟增現象的必要條件。

對于汽車制造廠商而言，設計階段唯一有效的控制因素是盡量減少或者消除碳煙層和DPF通道壁之間的間隙。高速行駛、高濕度環境下浸置，以及急加速行駛屬于用戶行為，制造商無法控制。因此為了解決背壓驟增現象，SCRF成為了一種潛在措施。對于涂覆鉑系金屬的DPF而言，另外一種潛在措施是不對其進行涂覆處理以避免不必要的DPF售后更換，但是這會帶來其他不理想的性能問題。因為SCRF沒有表現出背壓驟增問題，對于這種技術無需采用特殊的標定策

略。從硬件的角度考慮，研究認為使用不涂覆或只涂覆鈀或者基礎金屬的DPF可能是減少或者避免背壓驟增，從而導致DPF不必要的售后更換問題的最理想解決方案。