柴油機顆粒捕集器極限碳載量測試方法研究

陶漢國，張琳，馮曦，王計廣

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

柴油機顆粒捕集器（DPF）是柴油機滿足《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691—2018）[1]中顆粒物排放限值必備后處理裝置[2]。DPF使用中需要定期將DPF中累積的碳顆粒物除去，從而實現其再生[3]。在車輛實際使用過程中，可能會發生降怠速（DTI）再生現象，即DPF再生時發動機轉速突然降低至氧濃度較高的怠速工況，排氣流量急劇下降，DPF再生產生的熱量無法及時排出，內部沉積的碳顆粒物發生快速氧化燃燒，引起DPF內溫度急劇升高，瞬時溫度可能超過DPF載體的耐溫限值，引起載體的開裂甚至燒熔[4]。

DTI再生時載體內部最高溫度主要受碳載量、再生溫度及DTI時刻的影響，研究表明[4]碳載量影響再生總放熱量，再生溫度影響碳的燃燒速率以及進入DTI工況前碳再生聚集的熱量，DTI時刻影響此時DPF載體內部的剩余碳載量以及此前聚集的熱量，即碳載量和再生溫度決定了DTI試驗中DPF載體可達到的溫度上限，DTI時刻決定了能否達到溫度上限。通過DTI試驗確認碳載量上限時，需要選擇合適的DTI時刻使DPF載體溫度達到上限，此DTI時刻也被稱為最惡劣DTI條件。

本研究采用在發動機臺架上進行DPF碳加載以及DTI再生測試，分析確定最惡劣DTI條件及DPF極限碳載量，并通過DTI耐久試驗驗證極限碳載量，以期為DPF的安全再生提供參考。

1 試驗裝置

1.1 試驗用發動機

試驗選用一臺直列四缸增壓中冷柴油機，其主要技術參數如表1所示。

表1 試驗用發動機技術參數

1.2 試驗用后處理裝置

試驗選用排氣后處理裝置主要包括氧化型催化轉化器（DOC）和DPF，其中DOC主要用于產生再生需要的高溫，DPF具體參數如表2所示。

表2 試驗用DPF技術參數

2 試驗方法

參考《柴油車排氣后處理裝置技術要求 第3部分：柴油顆粒捕集器（DPF）》（T/CAEPI 12.3—2017）[5]的規定進行DPF預處理及稱重、DTI耐久試驗等。DTI試驗工況見表3。

表3 DTI試驗工況

采用世界統一瞬態循環（WHTC）測量DPF出口的顆粒數量（PN）。在DTI耐久試驗前，5次和10次DTI測試后進行超聲波掃描及WHSC排放試驗，以檢查DPF載體開裂情況及PN排放情況。

3 結果和分析

3.1 最惡劣DTI條件

本研究采用DPF壓差相對DTI前最大壓差的下降量來定義DTI時刻。表4為再生目標溫度為600℃，三種DPF壓差下降量條件下的DTI試驗的溫度壓力值。從表4可以看出，DPF壓差下降0.46kPa時最高溫度最大。

表4 不同DTI時刻的溫度壓力值

圖1為三種DTI條件下，DPF壓差及最高溫度的對比情況。從圖1中可以看出，三次試驗再生前DPF最大壓差基本一致，表明碳載量水平一致，因此三次試驗最高溫度的差異主要由DTI時刻的差異引起。

圖1 三次DTI試驗DPF壓差及最高溫度

圖2為三次DTI試驗中DPF壓差下降率與最高溫度的曲線。由圖2可知，DTI再生試驗載體內部最高溫度出現在壓差下降約3.4%時，由于試驗中設定的壓差下降間隔已較小，在DPF壓差下降3.4%附近進行DTI試驗獲取更高峰值溫度的操作性不強，本研究不再進行測試，將DPF壓差下降3.4%時刻作為再生溫度600℃時的最惡劣DTI條件。

圖2 三次DTI試驗DPF最高溫度

3.2 DTI耐久測試

DTI耐久試驗更換新樣件，在碳載量為（10±0.5）g/L、再生溫度為（600±5）℃、DTI時刻為壓差下降（3.5±1）%的條件下進行10次DTI試驗。超聲波掃描發現：在5次DTI試驗后，DPF載體內部出現了裂紋，這表明試驗初定的極限碳載量偏高；在10次DTI試驗后，DPF載體內部裂紋擴大。圖3為不同耐久試驗階段PN排放結果，其中WHSC-1和WHSC-2分別為對DPF進行電爐再生后進行的第一次和第二次排放測試。

圖3 不同DTI試驗階段PN排放結果

由圖3可知，DTI試驗前，2次WHSC測試的PN排放均較低，第2次WHSC試驗的PN排放比第一次低了約67%。這表明DPF經過1次WHSC試驗后碳煙濾餅層生成，PN過濾效率提高。第5次DTI試驗后，兩次PN排放與試驗前相當，表明此時DPF載體內部雖然出了裂紋，但沒有對PN排放造成影響。第10次DTI試驗后，PN排放急劇增大，但仍低于《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691—2018）中規定的PN排放限值。第11次DTI試驗后，PN排放大幅增加，而且兩次PN排放結果均超過國六階段PN排放限值，這表明DPF載體內部裂紋已進一步擴大，耐久選用的DPF載體碳載量偏大，需要降低碳載量進行DTI耐久測試以繼續評估DPF載體的極限碳載量。

4 結語

（1）通過DTI試驗確認DPF載體極限碳載量時，需要在最惡劣DTI條件下進行測試，最惡劣DTI條件主要由DTI時刻決定。

（2）在DTI耐久測試中，DPF載體出現輕微開裂時，PN排放水平仍然可滿足國六階段PN排放限值要求，但隨著耐久測試的進行，PN排放水平會不斷增加，PN排放結果超過國六法規限值的風險加大。

（3）DTI耐久試驗可有效驗證DPF極限碳載量，一旦DPF內部開裂，需要降低碳載量重復進行DTI測試，直至足夠DTI測試后DPF載體不產生裂紋，從而可確認極限碳載量。