DOC+CDPF連續再生性能的試驗研究

李鑒松，孟忠偉，羅林，吳泉成，晉兆祥，佘占蛟

(1.南充職業技術學院機電工程系，四川 南充 637131；2.西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039；3.康明斯(中國)投資有限公司，北京 100102)

此外，DOC+CDPF耦合系統能夠有效減少尾氣中CO和NOx的排放，文獻[12]基于一臺防爆柴油機研究發現，使用 DOC+CDPF 時，CO，NOx排放分別降低 97.1%，25.5%。文獻[13]通過對實車進行中國重型商用車瞬態循環(C-WTVC)，發現加裝DOC+CDPF后CO排放因子下降70.36%，THC排放因子下降72.73%，CO2排放因子下降17.00%，NOx排放因子下降7.76%。文獻[14]對國Ⅲ重型柴油貨車進行道路實測，得出從低速、中速到高速，CO和THC減排比例呈現上升趨勢，加裝DOC+CDPF會導致NO2在NOx中的占比升高，且從低速、中速到高速漲幅依次增大的結論。上述文獻基于發動機臺架和道路試驗分析了CO和NOx的排放規律，但針對單一變量對DOC+CDPF耦合系統排放影響的研究相對較少，且現有規律尚不明確，因此有必要對單一變量的影響進行詳細研究。

本研究采用控制單一變量的方式，重點分析來流溫度對再生速率、溫度場分布、CO、THC和NOx排放的影響規律，為后處理系統的開發提供支撐。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗采用一臺電控高壓共軌、增壓中冷直列4缸發動機和一臺WE32水渦流測功機。發動機參數如表1所示，試驗所用的DOC、CDPF裝置主要參數分別如表2和表3所示。

發動機臺架系統示意如圖1所示。通過K型熱電偶測試CDPF的入口、出口溫度，并實時監測CDPF內部的溫度分布，CDPF的壓降通過壓降傳感器測試。采用2臺相同的HORIBA MEXA-7100DEGR尾氣分析儀測試DOC前段、DOC后端和CDPF后端的CO、THC、NOx和NO2濃度。采用精度為0.1 g的電子天平稱量CDPF在熱態下的質量。

表1 柴油機主要參數

表2 DOC裝置主要參數

表3 CDPF裝置主要參數

圖1 試驗臺架示意

1.2 試驗方法

在該系統中，DOC的主要作用是將部分NO氧化為NO2，為CDPF的連續再生提供氧化劑，并將尾氣中的有毒氣體CO和THC氧化為CO2和H2O。CDPF連續再生反應涉及的主要化學反應如下[15]：

(1)

(2)

(3)

式中：α1和α2分別為O2、NO2與顆粒物的完全反應系數，取值范圍分別為0.55～0.9和1.2～1.8[16]。

顆粒物加載試驗中，打開發動機的EGR閥，增大發動機的煙度，提升顆粒物的加載速率。為了準確地達到目標加載量(6 g/L)，試驗中對CDPF載體進行了3次加載，每次加載均記錄加載時間、加載質量和壓降，并計算本次加載的壓降差值，最終加載量為5.96 g/L。

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連續再生試驗中，關閉發動機的EGR閥，降低發動機的煙度，減小來流尾氣中的顆粒物對試驗的影響。調整發動機工況，使排氣達到CDPF預設空速(3.34×104h-1)；而后通過調節旁通閥冷卻尾氣，使CDPF入口溫度依次達到目標溫度(300，350，400 ℃)，且在每個再生溫度下測試30 min。

CDPF熱電偶布置示意如圖2所示。軸向布置：1#T1和1#T3與CDPF入口距離為20 mm，2#T4和2#T6與CDPF入口距離為L/2，3#T7和3#T9與CDPF出口距離為20 mm；徑向布置：1#T1，2#T4和3#T7與軸心距離為r/8，1#T3，2#T6和3#T9與軸心距離為7r/8。

圖2 CDPF熱電偶布置

2 試驗數據與結果分析

2.1 顆粒物加載對CDPF壓降的影響

試驗中將發動機的轉速、扭矩分別穩定在1 800 r/min和220 N·m，通過調節旁通閥將CDPF入口溫度降低為280 ℃，三次加載后最終加載量為5.96 g/L。

由圖3可知，3次顆粒物加載分別所對應的壓降曲線上升趨勢均近似為線性，但3次加載所對應的壓降上升斜率有略微差異，分別為0.197 Pa/s，0.242 Pa/s和0.274 Pa/s。單位質量顆粒物加載的壓降上升值分別為60.34 Pa/g，91.56 Pa/g，102.44 Pa/g。即在相同的發動機工況下，隨著加載時間的推移，顆粒物在CDPF內部不斷累積，加載相同質量的顆粒物，壓降上升加快。分析其原因：1)隨著加載時間的推移，顆粒物在CDPF內部不斷累積，壓降隨之上升，而發動機的排氣背壓也不斷增加，從而導致排氣受阻，使得發動機的殘余廢氣系數增加，缸內氧濃度下降，燃燒愈加惡劣，單位時間生成的顆粒物越多，壓降上升越快；2)排氣受阻也會導致發動機排溫略微增加，壓降上升進一步加快。

圖3 顆粒物加載對CDPF壓降的影響

2.2 連續再生對CDPF壓降的影響

試驗中空速為3.34×104h-1，調節CDPF的入口溫度為300，350，400 ℃，CDPF依次在這3個溫度下進行連續再生，實時監測CDPF載體的壓降和前后端的NO2總量，并稱重連續再生后的載體質量。

由圖4可知，隨著再生溫度的升高，壓降下降斜率增大，再生溫度為300，350，400 ℃所對應的壓降下降斜率的絕對值分別為0.127，0.235，0.865 Pa/s，300 ℃到350 ℃所對應的斜率絕對值的增幅為85.04%，而350 ℃到400 ℃所對應的斜率絕對值的增幅為268.09%；CDPF后端NO2濃度在300 ℃時相對于前端增幅為12.9%，在350 ℃和400 ℃時降幅分別為33.9%和53.3%，且溫度越高，降幅越大。可見，在350 ℃之前，顆粒物的氧化速率隨著再生溫度升高而有所加快，但該再生溫度范圍內(≤350 ℃)氧化速率均較為緩慢，壓降下降程度較小。而在350 ℃之后，顆粒物的氧化速率有明顯的上升，CDPF內部的顆粒物質量大幅度的下降，從而使壓降的下降程度增大。分析其原因：350 ℃之前，NO在CDPF內部貴金屬Pt的催化作用下氧化為NO2的生成量大于NO2消耗量，提高了出口處的V(NO2)/V(NOx)比值，NO2是參與反應的主要氧化物，隨著溫度升高，NO2活性增加，氧化能力增強，顆粒物氧化速率加快，壓降下降程度有所提高。隨著溫度升高到350 ℃之后，NO氧化為NO2的反應受到一定的抑制，從而導致CDPF后端NO2濃度小于前端。但隨著溫度的升高，NO2活性進一步增強，并且在貴金屬催化作用下，O2參與氧化反應量也在不斷增加，顆粒物的氧化速率進一步加快，壓降下降程度增大。另外，溫度越高，顆粒物的氧化越劇烈，致使CDPF內部溫升越大，進一步促進顆粒物的氧化，壓降下降幅度增大。

2.3 連續再生過程中的CDPF溫度場

試驗中，通過6個K型熱電偶實時采集CDPF內部溫度，對不同位置的溫度進行軸向和徑向對比分析。

2.3.1 連續再生對CDPF徑向溫度場的影響

由圖5可知，CDPF連續再生過程中，距離軸心位置越遠，其溫度越低。原因主要在于：1)殼體并未保溫，距離軸心位置越遠，散熱量越大，導致溫度越低；2)由于CDPF前端管道的形狀為漸擴型，導致CDPF中心處氣流量較大，邊緣處氣流量較小，流速降低，單位時間內的散熱量增加，溫度較低。

圖5 CDPF徑向溫度分布

在圖5中選取溫度穩定的時間點，做出CDPF內部不同位置在3種再生溫度下的徑向溫度差值圖。如圖6所示，距離CDPF入口不同位置的徑向溫度差值隨再生溫度升高先緩慢增大再快速增大。分析其原因：當再生溫度由300 ℃升高到350 ℃時，由于溫度升高，NO2的活性增強，顆粒物的氧化有所加強，中心位置的溫度有所上升，而邊緣位置由于排氣流量和顆粒物的沉積量都相對較小，顆粒物的氧化較弱，溫度上升較很小，所以徑向溫度差值有所變大；當再生溫度升高到400 ℃時，NO2的活性進一步加強，且有部分O2參與顆粒物的氧化反應，中心位置溫度升高加劇，而邊緣位置顆粒物的氧化仍然較弱，溫度升高較小，所以導致徑向溫度差值變大。

圖6 再生溫度對CDPF徑向溫度差值的影響

2.3.2 連續再生對CDPF軸向溫度場的影響

圖7示出距離CDPF中心位置r/8處的1#T1，2#T4和3#T7以及距離CDPF中心位置7r/8處的1#T3，2#T6和3#T9的溫度隨再生溫度的變化趨勢。由圖可知，1#T1，2#T4和3#T7的溫度均與CDPF入口溫度相近，且隨再生溫度升高的變化較小，而1#T3，2#T6和3#T9的溫度均低于CDPF入口溫度，且再生溫度越高，軸向溫度差值越大。

圖7 CDPF軸向溫度分布

對圖7中各再生溫度下的軸向溫度進行具體分析，分別做出了距離CDPF軸心位置r/8處的1#T1，2#T4和3#T7以及距離CDPF中心位置的7r/8處1#T3，2#T6和3#T9的溫度隨再生溫度變化的規律圖。

由圖8可知，距離CDPF軸心位置r/8處，隨著再生溫度的升高，1#T1和2#T4的溫度先低于CDPF入口溫度，而后高于CDPF入口溫度，且兩者間差值逐漸增大，3#T7的溫度始終低于CDPF入口溫度。距離CDPF軸心位置7r/8處，1#T3，2#T6和3#T9溫度下降程度較大，其排序由大到小依次近似為3#T9，2#T6，1#T3，再生溫度為300，350，400 ℃所對應的軸向溫度上升幅度分別為4～5 ℃，8～9 ℃和13～14 ℃。由此可推斷：連續再生過程中，顆粒物的氧化主要集中在CDPF前半部分，且CDPF邊緣位置相對于中心位置的顆粒物氧化度較小。分析其原因：一方面是CDPF前半部分中NO2的濃度較高，有利于顆粒物的氧化，而氧化放出的熱量又可進一步加快顆粒物氧化速率；另一方面尾氣在流經CDPF受到壁面和顆粒層等阻力的影響，導致CDPF前段的尾氣流量相對中后段較大，所以CDPF中后段參與顆粒物氧化反應的NO2量更少，顆粒物的氧化減弱。另外，CDPF前半部分靠近軸心處的熱量在氣流的運動下向后且靠近邊緣的方向傳遞，從而導致CDPF邊緣位置的軸向溫度由前到后不斷上升。

圖8 再生溫度對 CDPF軸向溫度差值的影響

2.4 連續再生對CO排放的影響

圖9分別示出了DOC前、CDPF前、CDPF后的CO濃度以及DOC+CDPF系統對CO的轉化效率，展示了再生過程中再生溫度對CO排放的影響。

圖9 再生溫度對CO排放的影響

如圖9所示，DOC后的CO體積分數均在1×10-6以內，DOC+CDPF系統對CO的轉化效率在99%以上，可見DOC在整個系統中對CO的氧化起到絕對的作用。但CDPF前/后CO濃度的改變隨再生溫度升高而有所不同，再生溫度為300 ℃和350 ℃所對應的CO體積分數分別由0，0.14×10-6增加到0.36×10-6，0.50×10-6，再生溫度為400 ℃時，CO體積分數由0.62×10-6降低到0.12×10-6。分析其原因：再生過程中，當再生溫度較低時，顆粒物的不完全燃燒會產生較多的CO[17-19]，所以CDPF后CO濃度升高；隨著再生溫度的升高，顆粒物的氧化加劇，不完全燃燒產生的CO量較少，且隨著連續再生時間的增加，微孔中之前被顆粒物覆蓋的催化劑可能不斷地暴露出來，對來流尾氣中CO的氧化有所加強，因此CDPF后CO濃度下降。

2.5 連續再生對THC排放的影響

圖10分別示出了DOC前、CDPF前、CDPF后的THC濃度以及DOC+CDPF系統對THC的轉化效率。如圖10所示，DOC+CDPF系統對THC的轉化效率隨再生溫度的升高而降低，DOC在整個系統中對THC的氧化同樣起到主導作用。此外，CDPF前/后THC的濃度在不同的再生溫度下有所差異，當再生溫度較低(300 ℃)時，CDPF后THC的濃度有一定的降低，而350 ℃和400 ℃再生時CDPF后THC濃度相對CDPF前近似相等，甚至有所升高。分析其原因：THC和CO在催化劑活性位存在競爭吸附，當有CO存在時，Pt對于THC氧化催化活性明顯降低，Pd的催化活性也受到抑制[20]；在圖9中，再生溫度為300 ℃時所對應的CDPF前CO體積分數近似為0，但再生溫度為350 ℃和400 ℃時所對應的CDPF前CO體積分數均大于0，因此，當再生溫度為300 ℃時，CDPF對THC有一定的氧化作用，使得CDPF后THC濃度下降，而350 ℃以上再生時，CDPF對THC的氧化受到一定的抑制。

圖10 再生溫度對THC排放的影響

2.6 連續再生對V(NO2)/V(NOx)及NOx排放的影響

圖11分別示出了DOC前、CDPF后的NOx濃度以及NO2在NOx中的比例，展示了連續再生過程中的NOx及V(NO2)/V(NOx)的排放規律。

圖11 再生溫度對NOx排放的影響

如圖11所示，不同再生溫度下，CDPF后NOx濃度相對原排均略微下降；且隨著再生溫度升高，CDPF后NO2在NOx中的比例逐漸降低，但仍高于原排。分析其原因：一方面是來流中經DOC氧化得到的NO2流過CDPF內部時，在貴金屬催化作用下分子發生裂解，產生的O與顆粒物發生氧化反應生成CO2，而自身會被還原成一部分N2[21-22]；另一方面是少部分NOx被催化劑吸附并以硝酸鹽或者亞硝酸鹽的形式儲存，所以NOx濃度有所降低。當再生溫度為300 ℃時，由于顆粒物的氧化較為緩慢，NO2的消耗量較少，使得NO2在NOx中的比例大于50%，隨著再生溫度的增加，顆粒物的氧化速率加快，參與反應的NO2增加，NO2在NOx中比例逐漸下降。所以在后處理系統中，需要權衡各催化器的性能，以達到最佳的尾氣凈化效果。

3 結論

a)顆粒物加載過程中，在濾餅層捕集階段，隨著顆粒物的沉積，單位沉積質量所對應的壓降上升速度加快，由60.34 Pa/g增加到102.44 Pa/g，增幅約為69.8%；

b)再生過程中，顆粒物的氧化主要集中在CDPF載體前半部分；溫度低于300 ℃，再生速率較為緩慢，CDPF將NO氧化為NO2的生成量大于消耗量，CDPF出口的NO2增幅約為12.9%；溫度大于350 ℃時，再生速率加快，NO2在CDPF內的生成量小于消耗量，CDPF出口的NO2濃度下降，且再生溫度越高，NO2濃度下降程度越大，降幅由350 ℃的33.9%增加到400 ℃的53.3%；

c)再生時，靠近CDPF中心位置的軸向溫度由前到后先升高后降低，靠近CDPF邊緣位置的軸向溫度由前到后不斷上升，且再生溫度越高，軸向溫度梯度越大；徑向溫度由中心向邊緣不斷減小，距離CDPF入口的距離越小，再生溫度越高，徑向溫度梯度越大；

d)再生溫度為300～400 ℃時，DOC+CDPF系統能夠大幅度氧化尾氣中的CO和THC，其中CO 的氧化效率在99%以上，THC的氧化效率為80%～90%，且DOC對二者的氧化起到絕對作用；但對NOx的還原作用極小，且有少量的NO2在顆粒物的氧化過程中被還原為N2，使得CDPF出口的NOx總量略有下降。