國六重型柴油車DPF再生排放特性研究

高忠明，許丹丹，楊誠瀟，王 飛

國六重型柴油車DPF再生排放特性研究

高忠明1，許丹丹1，楊誠瀟2，王 飛2

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.中國重型汽車集團有限公司汽車研究總院，山東 濟南 250101）

基于大量國六重型柴油車實際道路排放測試數據，文章選取了四輛測試過程中DPF（柴油機顆粒捕集器）主動再生的樣車。樣車DPF主動再生完畢后，進行正常狀態下的實際道路排放測試。對比樣車DPF主動再生與正常狀態下的排放測試數據，結果表明，相比于正常狀態，樣車DPF主動再生時，NOX和PN均不滿足國六排放法規要求，NOX升高了5.8～29.4倍；PN升高了14.0～7 148.9倍；CO沒有一致的變化趨勢；CO2升高了6.3%～24.2%；油耗升高了16.2%～32.8%；動力性不變。

DPF主動再生；CO；NOX；PN；油耗；動力性

前言

柴油機具備動力性強、經濟性較高、良好可靠性的優點，因而備受青睞[1]，但重型柴油車是機動車大氣污染排放的主要貢獻者，柴油機顆粒物（Particu- late matter, PM）排放是相同排量汽油機的30～80倍[2-3]。柴油車NOX排放接近汽車排放總量的80%，PM排放更是超過90%[4]，隨著排放法規的日益加嚴，顆粒物數量納入監管范圍，在GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）[5]中，重型柴油車顆粒物數量比排放限值為1.2E+ 12#/kWh。

目前壁流式柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter, DPF）能夠有效降低柴油機的顆粒物排放，也是目前唯一能使柴油機顆粒物排放滿足未來排放法規的技術手段[6]。DPF的結構一般為壁流式，交叉堵孔結構，通過過濾的方式來降低排氣中的顆粒物。DPF中積碳的增加有助于提高DPF的過濾效率，但隨著顆粒物的持續累積，發動機排氣背壓增大，排氣不暢，進氣量減少，缸內殘余廢氣量增加，燃燒速率降低，發動機動力性、經濟性和排放性能惡化[7]，因此DPF積碳達到一定量時，需要進行DPF再生。目前DPF再生的方法主要分為被動再生和主動再生。DPF被動再生主要依靠排氣中的NO2對DPF中被捕集的顆粒物進行連續的氧化再生，再生效率較低。DPF主動再生通常采用缸內后噴或排氣管噴油的方式來著增加排氣中未燃HC的含量，利用排氣溫度和氧化性催化轉化器DOC的氧化功能，使未燃HC發生氧化放熱反應，提高排氣溫度，氧化沉積在DPF表面上的碳顆粒，使其完全氧化燃燒，從而完成再生，再生過程中溫度和含氧量是影響DPF再生效率的主要因素[8]。

DPF技術的日益成熟使得重型柴油車PN滿足國六排放法規的相關要求，但相關DPF主動再生時的PN排放研究卻相對較少，DPF主動再生時的PN、NOX、燃油經濟性、動力性聯合研究更是罕有涉及。本文基于四組DPF主動再生與正常狀態的車載排放測試數據，研究車輛在實際道路行駛時DPF主動再生的排放、燃油經濟性及動力性情況。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

測試儀器使用HORIBA公司生產的OBS-ONE車載排放測試設備。該儀器主要由主控單元、氣體分析單元、PN計數單元、流量測量單元、GPS及溫濕度傳感器等部件構成。CO2與CO采用（非分散紅外法）NDIR的分析原理，NOx采用（化學發光法）CLD的分析原理，PN采用CPC（凝聚顆粒計數法）的計數原理。該儀器可實時測量排氣中CO2、CO、NOx、H2O和PN的濃度，并根據排氣流量、排氣壓力、排氣溫度、對應gas系數自動計算排氣中各氣體污染物的質量流量以及顆粒物的數量流量，如公式（1）和（2）。

gas=gas×gas×mew（1）

式中：gas為污染物瞬時質量；gas為排氣組分密度和排氣密度比；gas為排氣組分濃度；mew為瞬時排氣質量流量。

=q×c（2）

式中：為顆粒物瞬時排放數量；q為排氣瞬時體積流量；c為顆粒物瞬時濃度。

通過OBD接口讀取車輛發動機的實時運行參數，根據實際扭矩百分比、摩擦扭矩百分比、參考扭矩、轉速計算發動機瞬時功率，如公式（3）。

=×ref×（act－fric）/9550 （3）

式中：為瞬時功率；發動機轉速；ref為發動機參考扭矩；act為發動機實際扭矩百分比；fric為發動機摩擦扭矩百分比。

測試設備布局見示意圖1。

1—排氣流量溫度壓力采集單元；2—氣體分析單元；3—顆粒物計數單元；4—設備主機；5—電源分配模塊；6—電源轉換器；7—溫濕度傳感器；8—GPS；9—控制電腦；10—OBD接口；11—流量計；12—氣體采樣管；13—PN采樣管；14—排氣流量溫度壓力采集連接管線；15—標定氣瓶；16—電源；17—測試載荷。

1.2 試驗車輛

試驗車輛為四臺重型載貨汽車，具體參數見表1。

表1 樣車參數

參數樣車一樣車二樣車三樣車四 滿載質量/kg6 5008 50018 00048 935 發動機排量/L3.03.764.5811.80 缸數4446 額定功率/kW95115162345 容積壓縮比17:117.2:118±0.5:118.4:1 后處理系統型式DOC+DPF+SCR+ASCDOC+DPF+SCR+ASCDOC+DPF+SCR+ASCDOC+DPF+SCR+ASC DPF主動再生方式缸內后噴缸內后噴缸內后噴缸內后噴 排放水平國Ⅵ國Ⅵ國Ⅵ國Ⅵ

1.3 試驗方案

基于大量國六重型車車載排放測試試驗，將試驗過程中發生DPF主動再生的樣車選取出來，樣車再生完畢后，保持相同的載荷百分比、相同的駕駛員、相同的道路，在相似的環境條件下對車輛進行正常狀態下的車載排放測試，對比車輛DPF主動再生與正常狀態下的各種污染物排放情況及車輛燃油經濟性、動力性的差異。

本次研究取用的數據為試驗過程中DPF主動再生時間段的試驗數據以及對應正常狀態下車輛的測試數據。一段時間內某種污染物累積排放質量（PN為累積總數量）與該時間段內發動機累積輸出功的比值為該污染物在這段時間的比排放，單位為mg/kWh或#/kWh，通過對比DPF主動再生與正常狀態下的NOx、PN、CO、CO2比排放結果來分析車輛DPF主動再生時的排放狀況，使用碳平衡的方法計算車輛燃油經濟性，對比樣車最高轉速、最大扭矩、最高車速、最大功率的方法進行動力性比較。

2 結果與分析

2.1 時間與排溫

本次研究排溫的測量是通過設備流量計上的排溫傳感器測量記錄，其位置距離樣車排氣出口約0.5 m，持續時間與排溫結果見表2。

表2 持續時間與排溫

參數樣車一樣車二樣車三樣車四 DPF主動再生正常DPF主動再生正常DPF主動再生正常DPF主動再生正常 持續時間/s5055003 8534 0881 864186626462636 平均排溫/℃420.0268.4364.1 203.3 462.9 248.0 406.7 244.9 最高排溫/℃497.0296.0484.1 230.1 599.0 272.4 487.9 289.8 累積功/kWh7.37.138.8 39.6 35.0 31.2 40.2 44.8

由表2可見，相比于正常狀態下，樣車DPF主動再生時，排溫呈上升的趨勢。四輛樣車DPF主動再生時，樣車的最高排溫高達484.1 ℃～599.0 ℃。相比于正常狀態，樣車一整個DPF主動再生過程平均排溫升高了151.6 ℃，樣車二升高了160.8 ℃，樣車三升高了214.9 ℃，樣車四升高了161.8 ℃。

2.2 NOX

圖2表示樣車DPF主動再生與非再生狀態下NOX比排放。從圖中可以看出樣車DPF再生時，NOX排放升高，樣車一DPF再生狀態下NOX平均比排放是非再生狀態下NOX平均比排放的11.8倍，國六排放標準限值的2.77倍；樣車二為30.4倍，國六排放標準限值的1.68倍；樣車三為11.4倍，國六排放標準限值的2.51倍；樣車四為6.8倍，國六排放標準限值的2.14倍；分析原因，樣車DPF主動再生采用缸內后噴配合DOC氧化的方式來提高排溫，燃燒積碳，而柴油機幾乎所有NOX都是在燃燒開始后20°（CA）內生成的[9]，缸內后噴時刻相對較晚，并且此時缸內已經不再是高溫富氧的環境，因此，排除發動機原排NOX升高的原因。其主要原因是DPF再生時，含有大量未燃HC的排氣在DOC的作用下升高溫度，高溫排氣超出了SCR系統的高效工作溫度范圍，導致其轉化效率降低，同時，排氣溫度的劇烈升高使得NH3對O2的選擇性升高，并且排氣中O2含量遠遠高于NOX含量，NH3和O2的接觸機會遠遠高于NOX，使得SCR轉化效率降低[10]，NH3與O2的反應會產生一定量的NO，進一步增加了NOX排放。

圖2 NOX排放

2.3 PN

圖3 PN排放

圖3表示樣車DPF主動再生與非再生狀態下PN比排放。從圖中可以看出樣車DPF再生時，PN比排放嚴重惡化，樣車一DPF主動再生狀態下PN比排放是非再生狀態PN比排放的15.0倍，國六排放標準限值的23.7倍；樣車二為162.9倍，國六排放標準限值的6.36倍；樣車三為7 149.9倍，國六排放標準限值的45倍；樣車四為31.2倍，國六排放標準限值的1.66倍；分析原因，樣車主動再生時，缸內后噴的燃油由于燃燒不充分，產生大量未燃顆粒物，導致發動機原排顆粒大量增加，在 DOC氧化升溫的作用下，DPF中的積碳氧化燃燒為粒徑較小的顆粒，逃離DPF增加了顆粒物排放，同時，積碳的氧化燃燒導致DPF碳載量的減少，導致了DPF過濾效率的降低，進而使得顆粒物排放增加。

2.4 CO

圖4表示樣車DPF主動再生與非再生狀態下CO比排放。從圖中可以看出樣車一與樣車四相比于非再生狀態下，DPF主動再生時CO比排放分別降低了76.5%和82.5%。樣車二在兩種狀態下CO比排放均較低，且差別不大。樣車三DPF主動再生狀態下CO比排放是非再生狀態下的2.2倍。從結果可以看出，相比于非再生狀態，樣車DPF主動再生時，CO比排放并沒有統一的變化趨勢。樣車DPF主動再生時，雖然缸內后噴和DPF積碳氧化會造成CO的升高，但排溫升高提高了DOC和ASC的氧化效率，因此相比于非再生狀態，DPF主動再生時CO并沒有統一的變化趨勢。

圖4 CO排放

2.5 CO2

圖5表示樣車DPF主動再生與非再生狀態下CO2比排放。從圖中可以看出樣車再生時，CO2的比排放升高。相比于非再生狀態，樣車一CO2比排放升高了14.8%，樣車二CO2比排放升高了22.1%，樣車三CO2比排放升高了6.3%，樣車四CO2比排放升高了24.2%。主要原因為樣車發生再生時，發動機在活塞的下行階段后噴燃油用以提高排氣中未燃碳氫的濃度，這部分燃油混合氣在缸內并未來得及燃燒推動活塞做功或只做了極少的功，就進入尾氣管中，在DOC的氧化作用下，提高排溫、生成CO2，進而增加了CO2的比排放，同時DPF中積碳氧化產生CO2也是CO2比排放升高的原因。

圖5 CO2排放

2.6 燃油消耗量

圖6表示樣車DPF主動再生與非再生狀態下燃油消耗量。從圖中看出樣車發生DPF主動再生時，燃油消耗增加，相比于非再生狀態，樣車一油耗增加了16.5%，樣車二油耗增加了32.8%，樣車三增加了23.1%，樣車四增加了16.2%，主要原因為樣車發生再生時，需要額外的燃油用于提高排氣溫度，這部分燃油并未用于提供車輛動力，因此增加了燃油消耗量。

圖6 燃油消耗量

2.7 H2O

圖7表示樣車DPF主動再生與正常狀態下排氣中H2O濃度，從圖中可以看出，樣車發生DPF主動再生時，排氣中的H2O濃度增加，相比于正常狀態，樣車一H2O含量增加了31.6%，樣車二增加了30.8%，樣車三增加了39.1%，樣車四增加了50.3%。主要原因為樣車發生再生時，后噴的燃油氧化燃燒后產生了一定的H2O，同時，排氣溫度的升高加強了DOC、ASC的氧化作用，使得排氣中的碳氫化合物和未反應的NH3被氧化生成H2O，因此增加了H2O的排放量。

圖7 H2O含量

2.8 樣車動力性

圖8給出了樣車DPF主動再生與正常狀態下的最大轉速、最大扭矩、最高車速、最大輸出功率的對比情況。

由圖8可知，樣車在DPF主動再生過程中，其動力性并未受到限制，其最大轉速、最大扭矩、最高車速、最大輸出功率與樣車正常狀態下相差不大。

3 結論與建議

3.1 結論

相比于正常狀態，DPF主動再生時，排溫劇烈升高，NOX、PN、CO2、H2O排放均為升高的趨勢，其中PN排放劇烈升高，且主動再生階段NOX、PN比排放均高于國六排放法規，CO排放沒有明顯的變化趨勢。

相比于正常狀態，DPF主動再生時，車輛油耗略有升高。

DPF主動再生時，車輛動力性并未受到影響。

3.2 建議

國六重型柴油車DPF主動再生時，NOX、PN排放惡化，尤其是PN排放劇烈升高，在下一階段的重型車排放法規制定過程中應將DPF主動再生時的排放納入監管范圍。

開發新型DPF系統，增強DPF被動再生反應，減緩DPF積碳速率，增加DPF主動再生周期，降低DPF主動再生頻率。

開發新型SCR系統，拓寬其高效工作的溫度范圍，進而保證DPF主動再生時可有效的轉化NOX。

縮短發動機排氣出口至后處理系統入口的管道長度、加裝后處理系統保溫裝置，減少排氣的熱量損失，可適當地減少DPF主動再生時后噴的燃油量，達到節油并減少PN原始排放的目的。

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Research on DPF Regeneration Emission Characteristics of China Six-stage Heavy-duty Diesel Vehicle

GAO Zhongming1, XU Dandan1, YANG Chengxiao2, WANG Fei2

( 1.China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300;2.China National Heavy Duty Truck Group Co., Ltd., Automotive Research Institute, Shandong Jinan 250101 )

Based on the real driving emission test data of a lot of CHINA six-stage heavy-duty diesel vehicles, this paper selects four prototype vehicles that had undergone active DPF(diesel engine par- ticulate trap) regeneration during the test. After the DPF active regeneration of the prototype vehicles was completed, the real driving emission tests under normal condition were performed. Comparing the emission test data of the prototype DPF active regeneration with the normal state, the results showed that compared with the normal state, when the prototype DPF actively regenerated, the NOX and PN did not meet the requirement of the CHINA Six-stage emission regulation, and the NOX increased by 5.8-29.4 times; PN increased by 14.0-7148.9 times; CO did not have a consistent change trend; CO2increased by 6.3-24.2%; fuel consumption increased by 16.2-32.8%; dynamic performance remained unchanged.

DPF active regeneration; CO; NOx; PN; Fuel consumption; Power

U467

A

1671-7988(2022)02-96-06

U467

A

1671-7988(2022)02-96-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.022

高忠明，碩士，工程師，就職于中國汽車技術研究中心有限公司，研究方向：重型整車排放。