CDPF主動再生對SCR性能影響的試驗研究*

沈穎剛，施偉杰，肖歡容，楊銳敏，陳貴升，畢克剛

（1. 昆明理工大學，云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500；2. 昆明市節能監察支隊，昆明 650000）

前言

PM 和NO是柴油機排氣污染物的主要成分，其排放對大氣環境和人類身體健康均會造成嚴重危害。在世界諸多地區，都實施了極為嚴格的法律法規來限制柴油機PM 和NO排放。先進高效的后處理凈化技術可有效處理柴油機PM 與NO的排放，使其滿足嚴苛的排放要求。柴油機顆粒捕集器（DPF）和選擇性催化還原（SCR）作為柴油機處理PM、轉化NO的最佳后處理凈化技術，已然成為滿足我國道路柴油機國六排放法規的必備后處理裝置。為保證DPF 和發動機正常工作，需周期性進行DPF 再生。相比于被動再生，DPF 主動再生效率較高，但其再生溫度高，高溫環境極易使載體損壞，且會對下游SCR工作特性產生一定影響。

國內外研究者對DPF 主動再生及其對下游SCR后處理系統的影響等方面，做了大量研究。Tong、黃鐵雄等采用熱電偶，測試主動再生過程中DPF 內部的溫度場，發現再生期間載體內部溫度峰值和最大溫度梯度均會隨初始碳載量和進氣溫度的增加而增加；孟忠偉等對主動再生過程中載體出口的顆粒排放特性開展研究，發現升溫過程中，高碳載量時顆粒物排放總量受再生溫度影響較大；李青、陳鵬等進行了CDPF 降怠速再生試驗，發現在降怠速再生期間，容易出現溫度值“尖峰”現象，多次降怠速再生后會使CDPF 對PN 的捕集效率降低；Zhong等建立了CCDPF+SCR 系統模型，研究了CDPF 主動再生對SCR 性能的影響規律，發現CDPF 主動再生會降低SCR 性能，且隨著再生溫度、入口流量、初始碳載量的增加，SCR 系統NO轉化效率下降；Chandler 等發現將連續再生微粒捕集技術與SCR技術相結合，會產生如提升SCR 低溫轉化NO的性能等多種有益的協同作用；Schrade 等研究發現當進氣NO含量高于最優值時，DPF 再生有助于降低NO含量。

綜上所述，國內外針對DPF 主動再生及其對下游SCR 系統影響的研究中，對DPF 捕集效率及再生安全性方面研究較多，針對DPF 再生對SCR 工作特性的影響研究較少，且研究手段多為數值模擬。因此，本文在高原環境下基于小缸徑柴油機加載整機后處理測試臺架，進行CDPF 主動再生及降怠速再生（DTI）試驗。同時對CDPF 及SCR 進行實時監測，綜合對比分析CDPF 主動再生與降怠速再生對SCR系統NO轉化效率的影響，以期為后處理系統匹配及SCR選型提供參考。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗設備

以某高壓共軌國六柴油機為研究機型，搭建帶DOC+CDPF+SCR 的后處理系統試驗臺架，對CDPF和SCR 的性能開展研究。本試驗臺架示意圖如圖1所示。試驗所用柴油機的主要技術參數如表1 所示，試驗所用測試設備如表2 所示，后處理系統各組件參數如表3所示。

表2 試驗所用測試設備

表3 催化器載體主要參數

圖1 發動機加裝DOC+CDPF+SCR 試驗臺架

表1 柴油機主要參數

1.2 試驗方案

試驗環境為海拔1 912 m、大氣壓81 kPa，試驗所用高壓共軌柴油機為國六柴油機。

1.2.1 CDPF主動再生試驗

CDPF主動再生采用缸內后噴再生方式，試驗工況為2 400 r/min、200 N·m，CDPF 載體為碳化硅材料，其碳載量為8 g/L，對比當SCR 涂覆不同催化劑試驗時CDPF 的再生效率、再生安全性，及CDPF 進行主動再生時SCR 載體入口端面溫度分布特性和NO轉化效率。整個試驗過程中對各項參數進行實時記錄，數據采集系統每2 s 自動記錄一個瞬態數據。每5 min 記錄一次CDPF 載體壓降，當CDPF 壓降穩定不變時，說明再生完成，即可停機。

1.2.2 CDPF降怠速主動再生試驗

進行CDPF 降怠速主動再生試驗，碳載量為8 g/L，由于高溫時涂覆釩基催化劑的SCR 工作性能較差，NO轉化效率較低，因此選擇涂覆銅基分子篩催化劑的SCR進行試驗。降怠速主動再生的試驗方法為：將工況穩定至主動再生工況，監測CDPF 入口溫度，當溫度值達到較高溫時（試驗是在冬天進行，環境溫度較低，通過多次試驗及后處理系統保溫處理，主動再生時CDPF前溫度最高約為580 ℃），穩定30 s后將發動機工況突然降至怠速工況。同時記錄CDPF內部溫度值及SCR系統入口、出口氣體組分和SCR 入口端面溫度值，分別對比不同碳載量下CDPF降怠速主動再生時SCR的系統性能。試驗中后處理系統保溫處理如圖2 所示。CDPF 載體內部和SCR載體前端溫度通過多路溫度控制儀監測，其熱電偶布置示意圖如圖3所示。

圖2 后處理系統包裹保溫棉

圖3 熱電偶布置示意圖

2 試驗結果分析

2.1 CDPF主動再生試驗

2.1.1 各組件入口、出口溫度

圖4為CDPF 主動再生試驗時，DOC 入口、CDPF入口與出口和SCR 入口與出口溫度。如圖4 所示，SCR 分別涂覆釩基催化劑和銅基分子篩催化劑的兩次試驗中，CDPF 主動再生期間，DOC 前溫度均在400 ℃以上，HC 在DOC 中氧化升溫，致使CDPF 入口溫度值較高，雖然碳煙在CDPF 內部燃燒再生會放熱，但CDPF 載體向外傳熱，且CDPF 載體出口距離溫度傳感器有一定距離，因此CDPF 出口溫度較入口溫度低。對比涂覆兩種不同催化劑SCR 的CDPF主動再生過程，其中SCR 涂覆釩基催化劑時，CDPF出口平均溫度為570 ℃，SCR 入口、出口平均溫度分別為552 和548 ℃；SCR 涂覆銅基分子篩催化劑時，CDPF 出口平均溫度為565 ℃，SCR入口、出口平均溫度分別為548和544 ℃。涂覆兩種不同催化劑SCR入口與出口的溫差基本保持一致。因此，CDPF主動再生對SCR入口溫度影響主要取決于CDPF出口溫度狀態。

圖4 后處理系統各組件出、入口溫度

2.1.2 CDPF內部溫度分布及再生特性

圖5為主動再生時，CDPF 內部溫度分布。其中，圖例對應于圖3（a）中的熱電偶測點。CDPF 因其載體結構特殊性，大部分碳煙累積于載體尾端，主動再生時燃燒釋放大量熱，致使載體末端溫度較高。如圖5 所示，整個再生過程中，因為末段中心累積的碳煙量最多，CDPF 載體末段中心（測點7）的溫度最高。而整個載體外圈靠近壁面處基本沒有碳煙，并且氣流從入口到出口存在傳熱損失，因此CDPF 載體中段外圈（測點6）溫度最低。后段外圈（測點9）因處于后段碳載量大量燃燒放熱區，所以其再生過程中溫度稍比測點6 的溫度高。對比圖5（a）和圖5（b），SCR 分別涂覆釩基和銅基分子篩催化劑的主動再生時CDPF 載體內部溫度分布趨勢和溫度值基本一致，其載體內部最高溫度分別為679 和678 ℃，僅相差約1 ℃。

圖5 CDPF內部溫度

圖6為主動再生時CDPF 壓降圖。圖7 為CDPF主動再生前后碳煙量。壓降數據截取至再生結束時刻，如圖6所示，碳載量8 g/L，主動再生開始前CDPF壓降約為14 kPa，當CDPF 壓降穩定在約4.4 kPa 時再生結束。SCR 分別涂覆釩基和銅基分子篩催化劑時的兩次CDPF 主動再生試驗中，CDPF 載體壓降變化趨勢及值基本一致。如圖7 所示，試驗中碳煙加載稱重是由人工控制，較難達到精確控制，碳載量8 g/L 時，SCR 涂覆不同催化劑的兩次CDPF 主動再生試驗的碳煙量分別加載至29.2和28.4 g，其CDPF的再生效率分別為95.55%和95.77%。綜上所述，CDPF主動再生較穩定，針對對比分析不同SCR催化劑對NO轉化效率的影響具有可靠性保證。

圖6 CDPF載體壓降

圖7 CDPF主動再生前后碳煙量

2.1.3 SCR載體前端溫度分布

CDPF主動再生會產生高溫廢氣，若再生過程中碳煙分布不均勻，會使CDPF 出口溫度分布不均勻，進而影響SCR 系統溫度分布，因此對SCR 入口端面進行溫度監測，其熱電偶布置示意圖如3（b）所示。圖8 為CDPF 主動再生過程中SCR 入口端面的溫度分布。對比圖5，雖然CDPF 出口端（測點7、8、9）溫度分布并不均勻，但如圖8 所示，SCR 載體入口端溫度分布較均勻，SCR入口中心處（測點1）的溫度僅比其他4 個測點位置的溫度稍高一點，最大溫差也只在20℃范圍內，大部分溫差僅在10 ℃之內。這是由于CDPF 載體出口與SCR 載體入口之間有氣體管道連接，并且氣體管道之間有混合器，致使CDPF 流出的廢氣進行混合，以使SCR 入口面的溫度分布較均勻。主動再生穩定期間，兩次試驗的SCR 載體前端面溫度均平均約為580 ℃，由此看來，SCR 系統中混合器結構也較好。

圖8 SCR載體前端溫度

2.1.4 NO轉化效率對比分析

圖9為NO轉化效率隨溫度變化。CDPF主動再生過程中，SCR 入口溫度升高，會影響NO的轉化效率。如圖9 所示，SCR 涂覆不同催化劑，NO轉化效率總體趨勢均呈現初始隨著溫度升高逐漸升高又降低趨勢，當溫度穩定于較高溫時，轉化效率最低，隨著再生結束后溫度降低，轉化效率又呈現升高趨勢。圖中所標示的溫度值為主動再生穩定期間SCR入口平均溫度，取500-3 300 s 期間的平均入口溫度值，即釩基和銅基分子篩催化劑SCR入口平均溫度分別582和578 ℃。如圖9（a）所示，當SCR 涂覆釩基催化劑，溫度為380-400 ℃時期，出現最高NO轉化效率，約為88%。過了轉化效率最高點后，隨著主動再生的進行，SCR 入口前溫度逐漸上升，轉化效率逐漸下降，當主動再生穩定后NO轉化效率也趨于穩定，其值約為32%。當再生結束，隨著SCR 入口前溫度逐漸降低，NO轉化效率隨之升高，約為400 ℃時，NO轉化效率達到較高值。如圖9（b）所示，當SCR 涂覆銅基分子篩催化劑，其NO轉化效率隨SCR 入口前溫度的變化呈現與釩基SCR 一致的趨勢。SCR 入口溫度上升過程中，在430-450 ℃期間出現最高NO轉化效率，約為99%，過了轉化效率最高點之后，隨著主動再生的進行，SCR 入口溫度逐漸升高，NO轉化效率隨之下降。主動再生穩定期間，SCR 入口前溫度趨于穩定，其NO轉化效率也趨于穩定，約為80.3%。再生結束后，隨SCR 入口前溫度的降低，NO轉化效率呈現升高的趨勢，溫度下降至約405 ℃時，轉化效率達到較高值，約為99.3%。

圖9 主動再生時NOx轉化效率

綜上所述，CDPF 主動再生產生高溫尾氣，對SCR 系統NO轉化效率有較大的影響。在主動再生穩定期間，SCR 涂覆不同催化劑時的NO轉化效率均較低，其中，再生穩定期間（500-3 300 s期間）SCR涂覆銅基分子篩催化劑時NO轉化效率相比于涂覆釩基催化劑時高約48%，銅基分子篩催化劑具有較優的催化性能。

2.2 CDPF降怠速主動再生

2.2.1 降怠速主動再生時系統壓降變化

CDPF降怠速主動再生與正常主動再生相比，其再生期間工況一致，區別僅在于試驗操作方式。探究正常主動再生對SCR 工作特性的影響時，監測CDPF 內部壓降，當壓降趨于穩定，主動再生結束后再降至怠速工況停機，而CDPF 降怠速主動再生是在CDPF 主動再生穩定、且CDPF 入口溫度達到較高值時直接降至怠速工況。圖10 為降怠速主動再生時CDPF及SCR壓降情況。

如圖10 所示，主動再生開始（工況調至2 400 r/min、200 N·m）時，CDPF 壓降最大值為13.7 kPa，隨著碳煙被燃燒再生，其壓降逐漸降低，當降至怠速工況時，CDPF壓降迅速降低后保持不變。從主動再生開始到降怠速之前，SCR壓降呈現與CDPF壓降相反的趨勢。這是由于CDPF內部碳煙量減少，流入SCR的氣流速度加快，致使SCR 壓降在此期間呈現上升趨勢，但因SCR的壁流式結構特性，其值上升幅度不大，工況降至怠速后，其壓降迅速降低后保持穩定。

圖10 降怠速再生時CDPF、SCR載體壓降

2.2.2 降怠速主動再生時各組件溫度變化

圖11為降怠速再生時各組件入口、出口溫度。試驗中，因環境因素影響，碳載量8 g/L 降怠速再生時CDPF 入口溫度最高為576 ℃，CDPF 出口最高溫度值為563 ℃。SCR入口前溫度最高為549 ℃。

圖11 降怠速再生時各組件入口、出口溫度

圖12為降怠速主動再生時CDPF 內部溫度分布。如圖12 所示，降怠速主動再生時，CDPF 內部溫度分布在200 s前后溫度出現拐點，是由于工況從1 800 r/min、150 N·m 調至2 400 r/min、200 N·m 時，進氣流量和氧濃度變化，引起這一期間溫度的波動。當工況由2 400 r/min、200 N·m 突然降至怠速工況，這一期間氧含量突升，碳煙被迅速氧化燃燒釋放大量熱量，CDPF 內部溫度出現峰值，其溫度峰值最高為697.8 ℃。測點7 的溫升速率最高達1.1 ℃/s，較高的溫升速率會增大載體損壞的風險。

圖12 降怠速再生時CDPF內部溫度

SCR 混合器結構不變，通過在SCR 入口面布置熱電偶，對SCR 入口處1/10（距離里入口約10 mm）處溫度進行監測。圖13 為碳載量8 g/L 降怠速主動再生時的SCR 入口處溫度分布。對比圖12和圖13，SCR 入口處溫度值變化與CDPF 內部溫度變化趨勢基本一致，載體中心處溫度最高，越接近壁面處溫度越低。載體中心處溫度高是由于排氣流經過CDPF之后流通方向是徑直的，再流經混合器所在的細管，達到載體入口面，使得入口面中心對應于細管的位置溫度值較高。SCR 入口端面最高溫度值為587 ℃，5個測點最高溫度平均值約為582 ℃。

圖13 降怠速再生時SCR前端面溫度

2.2.3 降怠速主動再生時NO轉化效率

降怠速主動再生主要影響CDPF 內部溫度，以影響SCR 系統入口溫度值。圖14為CDPF 降怠速主動再生過程中氧濃度及進氣流量。

如圖14 所示，由主動再生工況突然降至怠速工況的過程中，進氣流量迅速降低后保持穩定，此過程中氧濃度迅速升高后保持穩定。

圖14 降怠速主動再生時氧濃度及進氣流量

圖15為不同碳載量CDPF 降怠速主動再生過程中SCR 前、后端NO值的變化。如圖15所示，SCR 前端NO值在工況調至主動再生工況時發生波動，突降至怠速工況時，由于進氣流量發生突變后保持穩定，致使SCR 前端NO值突然下降，又上升至約210×10后保持穩定。在200 s 附近因為工況的變化，氧濃度及進氣流量發生變化，致使SCR 后端的NO值發生較大幅度的變化，在工況突然將至怠速工況的過程中，其值隨之降低后保持不變。

圖15 降怠速主動再生時SCR前、后端NOx值

圖16為CDPF 降怠速主動再生過程中NO轉化效率隨SCR 入口溫度的變化。由圖可見，工況調至2 400 r/min、200 N·m之前，NO轉化效率隨溫度的升高逐漸升高。當SCR 入口溫度達到401 ℃時，轉化效率達到這一期間最高值，約為99.3%，這一時刻工況也達到了2 400 r/min、200 N·m，由于進氣流量和氧濃度的變化，致使轉化效率有下降趨勢；當主動再生穩定，即時間接近300 s、溫度約為537 ℃時，NO轉化效率約為91.8%時，隨主動再生的持續，SCR前溫度逐漸上升，轉化效率呈現下降趨勢。工況由主動再生工況突變為怠速工況這一過程中，SCR 入口溫度達到最高值，約為582 ℃，此時轉化效率約為82.2%；當工況降為怠速工況后，SCR 入口溫度呈現下降趨勢，氧濃度升高，NO轉化效率隨之升高至較高值后保持穩定，轉化效率穩定于99.5%；當SCR入口溫度降至約為220 ℃，NO轉化效率呈現下降趨勢。

圖16 降怠速主動再生時NOx轉化效率隨溫度的變化

3 結論

本文針對國六柴油機，加裝DOC+CDPF+SCR 的后處理試驗臺架，進行了CDPF 主動再生試驗，對分別涂覆釩基催化劑和銅基分子篩催化劑的SCR系統工作特性進行臺架試驗研究。此外，基于涂覆銅基分子篩催化劑的SCR 進行CDPF 降怠速主動再生試驗，探究CDPF 的再生安全性及SCR 的工作特性。試驗分析結果如下。

（1）CDPF 因其載體結構特殊性，大部分碳煙累積于載體末端，主動再生時燃燒釋放大量熱，致使載體末端溫度較高。由于混合器作用，SCR 入口溫度分布較均勻，其溫差較小，CDPF 主動再生時SCR 入口平均溫度約為580 ℃。

（2）主動再生穩定期間，SCR 兩種催化劑涂覆方案下，NO轉化效率都較低。試驗時間為500-3 500 s的穩定再生期間，銅基分子篩SCR 的NO轉化效率約為80.3%，釩基SCR的NO轉化效率約為32%。

（3）降怠速期間CDPF 內部溫度峰值最高為698 ℃，SCR 入口峰值最高為582 ℃。主動再生前，NO轉化效率隨溫度的升高逐漸升高，SCR入口溫度為401 ℃時，轉化效率達到這一期間最高值，約為99.3%；主動再生穩定后，轉化效率隨溫度升高而降低；當工況突變為怠速工況時，SCR 入口達到最高溫度，約為582 ℃，此時轉化效率為82.2%；當工況降為怠速工況后，氧濃度升高，NO轉化效率迅速升高至較高值后保持穩定，轉化效率穩定于99.5%，直至溫度較低時轉化效率下降。