DPF不同累炭方式對比研究

于津濤，邢博，高鑫磊

(1.天津大學，天津 300072；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

隨著我國重型柴油車用發動機第六階段排放標準的實施，顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)成為車用柴油機的主流技術方案，DPF對PM(細顆粒物質量)的過濾效率可達95%，對PN(細顆粒物數量)的過濾效率可達99%，滿足國六法規對柴油機廢氣中顆粒物的限值要求[1-2]。在認證及研發試驗中均需要用到不同加載比例的DPF以進行驗證試驗。

現有標準中對顆粒物加載方式無論是溫度還是工況均沒有統一規定[3-5]，DPF中炭煙沉積過程受炭煙顆粒物粒徑、排氣流場和載體孔隙分布等因素影響，積炭分布不同會使DPF表現出不同的壓差特性以及PN差異。不同累炭方式不但對累炭速率有影響，而且在實際應用過程中，由于DPF壓差傳感器在低排氣流量時偏差過大[6]，會導致炭載量理論計算模型出現偏差，需要通過合理的控制策略消除柴油機長時間運行后模型計算偏差的累積，提高DPF主動再生觸發時刻判斷的準確性。為了更好地控制DPF運行狀態以及滿足法規排放要求，需要對不同累炭方式進行評價，以便于企業根據需求進行工況的選擇。

1 試驗設計

試驗選擇一臺國六主流技術路線的柴油發動機，該機采用電控高壓共軌+增壓中冷+DOC+DPF技術。試驗使用同一臺發動機，若干套同一型號的DPF，從累炭速率、積炭分布及累炭后的顆粒物排放三個角度來對比累炭方式的影響。試驗裝備包括AVL 220 kW/525 N·m電力測功機、AVL 483炭煙分析儀、Sartorius MCE-F天平、山東華威馬弗爐等。發動機及DPF參數見表1與表2。

表1 發動機主要技術參數

表2 DPF參數

1.1 不同工況累炭速率對比試驗

通過AVL483炭煙濃度測試儀測試發動機不同工況點的原排炭煙質量濃度(見圖1)。

圖1 發動機煙度萬有曲線

根據炭煙濃度的MAP分布，選擇兩個不同穩態工況點代表低炭煙濃度工況和高炭煙濃度工況，分別記為工況1和工況2，通過調整后處理距離，保證DPF入口溫度在(250±5)℃。對兩個相同的DPF進行高溫初始化，并通過穩態工況逐步加載至該DPF標定允許最大炭載量(20±1)g。將WHTC前600 s低負荷工況作為瞬態工況，記為工況3。分別將3套DPF從初始狀態加載到最大炭載量，觀察累炭速率變化規律以及累炭總量和時間的關系。3種不同積炭加載工況見表3。

表3 3種不同積炭加載工況

1.2 不同工況積炭分布對比試驗

為了研究DPF內部積炭的分布，可以采用專用設備觀察孔道內的積炭分布。密歇根理工大學Ryan Foley等[7]通過采用太赫茲技術的AdvantestTAS7000設備掃描DPF載體，獲取炭煙加載過程、被動再生過程和主動再生過程的載體內整體炭煙3D分布，并用于DPF相關控制模型數據標定，該方法不需要對DPF載體進行切割破壞，便于實際產品應用。國外還有采用中子斷層掃描技術[8]、光學顯微鏡[9]觀測、將載體開視窗[10]后觀測，以及向載體通道通入示蹤氣體[11]，通過分析氣體濃度差異計算積炭分布等多種方式。

國內目前多采用切塊法和熱電偶法。切塊法是分別將DPF按軸向和徑向切分成若干小塊，并分別測量徑向和軸向小塊的單位質量變化量，由此來分析積炭分布。本次試驗將3種工況滿載炭載量的3個DPF首先按照軸向切分為前、中、后3個等高圓柱體，每個圓柱等分為4個扇形，然后如圖2再沿徑向將一個扇形塊從正(L1-1-1)、中(L1-1-2)、邊(L1-1-3)切分出3個截面為1 cm×1 cm的長方體，分別測量每個長方體載炭質量(m1)后通過馬弗爐高溫除炭，再次測量空載體質量(m2)，二者差值除以空載體質量即可得到一個無量綱的參數Mcu(Mass of Carbon Per Unit Volume)，以此來比較不同部位的單位載體炭載量，即

圖2 DPF載體切塊示意

Mcu=(m1-m2)/m2。

1.3 不同工況排放對比試驗

在臺架A上利用累炭發動機通過不同載碳工況將DPF從初始空載分別加載至不同炭載量，隨后將不同比例炭載量的DPF裝至臺架B，使用同一型號發動機進行排放試驗，測試WHTC循環標準冷熱態工況[12]下PN和PM隨累炭工況和炭載量的變化。每次測試完成后都須重新對DPF進行高溫除炭初始化，然后繼續在累炭發動機上進行下一比例炭載量加載，流程見圖3。

圖3 DPF炭載量加載及排放試驗流程

2 結果分析

2.1 不同工況累炭速率對比分析

3個工況從初始空載加載至最大炭載量的炭載量變化和累炭速率見圖4。

圖4 不同工況累炭速率和累炭質量

兩個穩態工況中，由于工況2炭煙濃度高，因此，累滿DPF用時短于工況1，平均累炭速率高于工況1；瞬態工況3累炭速率最快。

本刊訊12月 18日 ，由陜西省委教育工委、省教育廳主辦，陜西藝術職業學院承辦的慶祝改革開放40周年——秦腔紅色經典作品大型民族管弦樂演唱會在西安音樂學院音樂廳上演。陜西省委副書記賀榮出席活動并在西安音樂學院調研。

低炭煙濃度工況的累炭速率明顯呈現兩頭高中間平的盆型曲線特點，原因可能在于初始時DPF吸附面積較大，可吸附顆粒物多，累炭速率快速增長，中期吸附與逃逸的顆粒物達到平衡，因此維持在一個穩定速率，后期因為微觀顆粒物的積累使孔隙率變小，可逃逸顆粒物比例減小造成累炭速率增加。

工況2與工況3均呈現較為平緩的累炭速率曲線，更適合通過控制時間來制備不同累炭比例的DPF，而工況1因為存在速率突變，在制備較小和較大累炭比例的DPF時需增加測試數量保證結果。

2.2 不同工況累炭分布對比分析

將上節試驗后得到的3個累滿炭的DPF按圖2所示首先分割為前、中、后3個圓柱體后，再從正中心向邊分別在中心、中間、邊緣3點切割長方體的取樣段。每個DPF采集9個取樣段，按1.2節所述測量得到不同累炭工況下DPF中不同部位的Mcu。

3種累炭工況下DPF各部位的Mcu分布統計結果見圖5。可以看出，WHTC前600 s累炭工況下得到的3號DPF不同部位25至75百分位的積炭分布更為集中；2 600 r/min，110 N·m工況下(2號DPF)積炭分布區域較廣，但偏離部分較少。

圖5 3種累炭工況DPF各部位Mcu

對每個DPF內部不同部位的積炭分布進行處理得到圖6a，Mcu值越大顏色越深。比對不同工況下DPF前、中、后三個切面的積炭分布，可以看出，DPF炭煙累積與切面位置相關，后段積累的炭煙最多，中段其次，前段最少。初步可以推斷，無論采用何種累炭工況，DPF積炭分布總是自前向后逐漸增多。對于同一截面，中心、中間、邊緣部位的積炭分布規律不明顯。

為了進一步對相同切面內不同位置的積炭分布進行研究，取不同DPF相同取樣段的炭載量進行比對(見圖6b)。對于前段，WHTC前600 s工況下(3號DPF)中心的炭載量最高，而在兩種穩態工況下均是邊緣積炭分布更多，中間和中心比較接近，均相對較少。對于中間段，兩種穩態工況下依然是邊緣部位炭載量最多，而WHTC前600 s工況則是中心和中間部位炭載量較多，邊緣較少。對于后段，工況1中心和中間炭載量較多，工況2炭載量分布較為均勻，WHTC前600 s工況中心部位炭載量較多。

圖6 Mcu分布規律

2.3 與整車累炭分布比較

將裝配與上述試驗同一型號發動機及DPF組合的某款廂式貨車，按照標準[12]進行PEMS試驗，加載比例為50%，市區、市郊、高速工況比例為45∶25∶30，重復多次試驗直至車輛OBD系統識別到DPF達到最大炭載量，拆卸DPF對比總變化量后，按1.2節方法切割進行分塊比較。

PEMS試驗前后DPF質量變化即炭載量只有15.6 g，相比20 g的最大加載質量還有很大余量。這個余量的存在一方面是PEMS試驗過程中，由DPF壓差傳感器測量值來計算炭載量在不同工況下有一定誤差，另一方面也是由于企業標定人員為避免再生時溫度失控而采取的安全保護措施。

通過切塊法計算整車DPF積炭分布Mcu，并與臺架法3種工況下的DPF比較積炭分布的相關性。4組DPF的單位載體炭載量Mcu見表4。從與整車DPF的相關性系數可以看出，工況1和工況2兩個穩態工況相關性好，且與整車相關性也較好，均大于0.8，且工況2更高，分析認為這與試驗貨車PEMS試驗大多在中高負荷穩速行駛有關，因此可以初步得出結論，積炭分布與發動機行駛工況具有很強的相關性。

表4 4組DPF各部位Mcu及相關性

2.4 不同工況顆粒物排放對比分析

按1.3節所述方法，采用工況2和工況3分別將同一DPF分別加載至不同炭載比例，然后在排放臺架上測試顆粒物數量和顆粒物質量變化規律(見圖7)。

圖7 工況2和工況3不同累炭量下的顆粒物排放

從圖中可以看出，無論采用穩態工況還是瞬態工況，顆粒物排放都是隨著炭載量的提高出現先高后低的變化規律，在初始DPF炭載量為空的時候，PM和PN都出現峰值，甚至顆粒物數量可能超過排放限值(6×1011個/(kW·h))。顆粒物在DPF內的沉積過程按照壓降變化一般可將其分為三個階段，分別是深床過濾階段、過渡階段和表面過濾階段[13]。這與國外文獻中提到的剛剛再生過炭載量為空的DPF載體處于深床過濾階段，該階段顆粒的捕集效率較低的結論相同，主要原因在于在顆粒剛開始沉積時，這部分顆粒首先是進入載體壁面內部的微孔進行沉積，后期隨著沉積過程的進行微孔孔徑逐漸收縮，過濾效率會逐步提升至過渡階段。初始深床過濾階段效率較低，而在過渡階段以后過濾效率逐漸提高，最高可達98%以上[14]。

3 結論

a)高炭煙濃度工況和瞬態工況展現了較為平緩的累炭速率曲線，更適合通過控制時間長度來制備不同累炭比例的DPF；低炭煙濃度工況的累炭速率不是穩定值，在制備低比例累炭量的DPF時不建議選擇此類工況；

b)DPF內部炭載量的分布與工況呈現很強的相關性，相類似的穩態工況下，無論是用發動機臺架試驗還是整車試驗，DPF內部累炭分布規律相似；

c)在發動機臺架上使用不同的累炭工況，得出的顆粒物排放特性規律有相似性。