國六重型柴油機后處理裝置再生驗證試驗研究

鄭巍,朱啟濤,程建康,張昌盛,王兆文

(1.襄陽達安汽車檢測中心有限公司,湖北 襄陽 441004;2.華中科技大學能源與動力工程學院,湖北 武漢 430074)

節能減排是發動機行業發展的迫切需求和必由之路。國六柴油機排放后處理裝置的主流配置有EGR+DOC+DPF+SCR+ASC和DOC+DPF+ SCR+ASC兩類[1-2],其中顆粒捕集器(DPF)是降低柴油機排氣中炭煙顆粒物(PM)的必備后處理裝置[3-4],其基本原理是利用過濾介質把排氣中的PM分離并沉積下來。柴油機排氣中的PM粒徑分布范圍極廣,根據過濾介質孔隙大小的差別,DPF分離可分為表面過濾和深床過濾[5]。表面過濾采用微孔直徑小于PM粒徑的過濾介質,使排氣中的PM分離,當排氣通過過濾介質時,排氣中的PM被截留在過濾介質的一側,此種過濾方式主要處理粗顆粒態排放物。深床過濾是指過濾介質的微孔直徑大于排氣中部分PM的粒徑,排氣通過過濾介質時,該部分PM不易被過濾介質截留,當柴油機尾氣通過過濾介質時,伴隨過濾介質的厚度增加,排氣中PM被截留在過濾介質內部微孔中的數量增加,對PM同樣有過濾的功能,該過濾方式主要處理聚集態和成核態顆粒排放物。實際柴油機DPF過濾時,同時存在表面過濾和深床過濾,其總體捕集效率可達95%以上[6-7]。DPF的高效捕捉會在較短時間內積累大量的顆粒物,引起發動機排氣背壓升高,使發動機燃油經濟性、排放惡化,需要有效的再生技術將捕集的顆粒物及時轉化掉[8-9]。

國六排放法規定義了DPF再生的兩種類型[10-11]:連續再生,指熱態WHTC(world harmonized transient cycle)試驗中至少發生一次再生的排氣后處理系統再生過程[12-13];周期性再生,指排放控制裝置不超過100 h便周期性發生的再生過程[14-15]。在汽車排放檢測中,企業申報后處理再生類型,由型式核準機構進行再生驗證。由于國六發動機后處理型式復雜,驗證過程中,不恰當的再生驗證試驗方法會產生以下3個問題,導致錯誤的試驗結果。

1) 連續再生驗證過程中DPF發生主動再生,相比于正常狀態,主動再生時發動機的NOx和PN排放均不滿足國六排放法規要求[16],從而誤導再生驗證判定;其次,連續再生型發動機和周期性再生型發動機的排放規律在短期內很相似,也容易產生混淆或者誤判。

2) 周期性再生型柴油機中,運行一個完整的再生周期去區分再生類型耗時太久,造成資源浪費,增加企業負擔。

3) 周期性再生驗證過程中確認再生因子的試驗方法亦是難點。

針對目前存在的上述三個問題,本研究通過組織柴油機再生驗證試驗研究,先獲得連續再生型發動機和周期性再生型發動機的普遍排放規律。隨后,在周期性再生型發動機的再生驗證過程中,針對試驗周期長的問題,創新性地采用部分試驗結果去近似代替整個周期結果的驗證方法,獲得計算再生因子的工程經驗方法,優化了周期性再生驗證試驗流程,提出了較優的再生驗證試驗方案。

1 試驗臺架及設備

再生驗證試驗主要測試設備包含測功機及測控系統、氣體分析儀、顆粒物采樣系統、全流稀釋系統,本研究所用上述設備均為AVL產品,設備精度均滿足國六排放法規要求。所有試驗設備及測試系統均在校準檢定有效期內,主要設備及其參數見表1。

表1 設備及其參數

研究對象為發動機A和發動機B,兩發動機均為重型車用柴油機。發動機A裝備了連續再生后處理裝置,發動機B裝備了周期再生后處理裝置,其基本參數見表2。

表2 發動機參數

再生驗證試驗中,按國六標準的要求進行柴油機臺架準備、試驗室環境條件調試。柴油機運行時的邊界條件(如進氣阻力、排氣背壓、中冷后溫度等)根據柴油機生產廠家要求進行調整。

2 連續再生驗證試驗研究

試驗按照國六標準C.6.2.1規定的WHTC循環來進行,發動機進行熱態WHTC試驗循環前,按照第C.6.4.1條要求進行熱機,根據第C.6.6.3條要求進行熱浸。

按國六標準對連續再生的定義,對連續再生過程進行驗證,至少進行3次連續的熱態WHTC循環。如果試驗證明了生產企業說明的再生發生條件,且3次熱態WHTC試驗顆粒物質量的比排放結果偏差在±25%以內或小于0.005 g/(kW·h)(兩者中的大者),則認為排氣后處理系統是連續再生的。

連續再生型后處理系統應采用被動再生技術,WHTC試驗循環內應發生再生反應,消耗發動機產生的PM,保證后處理裝置碳載量處于穩定狀態,并且后處理裝置的溫度和壓力不出現因主動再生而導致的突變。

申報為連續再生的發動機后處理系統主要采用被動再生技術。當發動機排氣溫度達到250～450 ℃、 NO2與PM 濃度比值大于12、 DOC氧化NO到NO2的性能較好時,DPF被動再生就自動發生。DPF中的碳載量、NO2濃度、影響化學反應時間的空速、DPF溫度、環境溫度5個因素是影響被動再生發生的主要因素。在再生驗證試驗中,由于驗證循環是固定的,NO2濃度、空速、DPF排氣溫度基本為恒定數值,因此主要研究碳載量和環境溫度對連續再生驗證結果的影響。

2.1 碳載量對連續再生驗證結果的影響

在DPF空載狀態下,對發動機A進行連續10 h的WHTC試驗,試驗過程中記錄后處理裝置前后溫度、排氣背壓。溫度和壓力測點示意見圖1,測量獲得的溫度及壓力數據見圖2。

圖1 后處理前后溫度、排氣壓力測點示意圖

圖2 后處理裝置前后溫度、排氣壓力的測試數據

試驗結束后,可從記錄的測試數據分析發動機A后處理裝置的再生發生情況。單個WHTC試驗中,發動機A的PM產生速率為2 g/h,系統排放速率0.06 g/h,再生速率約1.94 g/h。發動機A的DPF載體體積為9.3 L,最大PM載荷為6 g/L,最大載荷量為55.8 g,假設該DPF未發生再生,通過運行WHTC達到滿載需要27.9 h,DPF載體前后的壓差會逐漸增大到34 kPa。由圖2可知,DPF入口平均溫度為265 ℃,出口平均溫度為262 ℃,入口平均壓力為4.7 kPa,出口平均壓力為3.1 kPa,發動機A在10 h運行過程中,DPF前后溫度和壓力均未出現大幅波動現象,因此,可認為發動機A在WHTC試驗過程中發生了連續再生。

在DPF空載狀態、滿載狀態下分別進行6次WHTC排放測試,空載狀態下的柴油機NOx、PM、PN排放見圖3,滿載狀態下的柴油機NOx、PM、PN排放見圖4。

圖3 DPF空載狀態下的熱態WHTC排放結果

圖4 DPF滿載狀態下的熱態WHTC排放結果

由圖3可知,第一次熱態WHTC的PM結果要比后五次的平均結果高2.7倍,隨著試驗次數的增加,PM數據趨于穩定;第一次熱態WHTC的PN數是后5次平均結果的2.2倍,甚至超過了標準限值,隨著試驗次數的增加PN數據趨于穩定;NOx排放結果小幅波動,較為穩定。這種現象是由DPF炭煙捕捉特性導致,DPF要達到最大的PM捕捉效率,需要表面過濾和深床過濾同時作用。空載的DPF只有表面過濾而深床過濾未起作用,只有在吸附了一定數量的大粒徑PM后,DPF的捕捉效率才會逐漸提升,從而減少PM和PN。發動機A由于采用了較小孔隙率的DPF,排氣中PM被截留在過濾介質內部微孔中的數量增加得較多,因此在經過了一個熱態WHTC后,DPF的捕捉效率才由90%提高到了97%。

由圖4可知,當DPF處于滿載狀態時,會觸發主動再生。主動再生前一次熱態WHTC排放結果中,滿載DPF的PN結果是空載后5次PN平均結果的63.4%。這是由于滿載狀態下DPF的深床過濾效率較高,DPF對PN有較好的過濾效果。第二次熱態WHTC時,滿載的后處理裝置發生主動再生,即發動機A通過后噴柴油的方式使得DOC的溫度迅速上升,發生清除DPF中炭煙的化學反應,第二次熱態WHTC的NOx排放是標準限值的2.2倍,PN是標準限值的1.4倍,PM是標準限值的1.5倍。在主動再生完成后的第3次熱態WHTC測試中,NOx排放是標準限值的1.05倍,PN是標準限值的1.98倍,PM是標準限值的0.6倍。在第4個熱態WHTC之后各項排放結果低于標準限值并趨于穩定。這是由于在主動再生時,額外噴射的燃料在DOC和DPF中發生了劇烈的化學反應,使得發動機排放超出了后處理系統當前的處理能力,而發生再生后的第一個WHTC試驗跟空載的結果有相似性,由于DPF的碳載量大幅降低,DPF的深床過濾還未起作用。對于發動機A,主動再生完成后一個WHTC循環便能建立起較高的DPF捕捉效率,類似于空載狀態。

2.2 環境因素對再生驗證結果的影響

由于發動機A的后處理系統處于試驗室環境,環境溫度會影響DPF的入口溫度,20～30 ℃為國六柴油機臺架試驗標準要求溫度。本研究通過全室空調將環境溫度分別設置為20 ℃,25 ℃,30 ℃,對發動機A進行熱態WHTC試驗,以分析環境因素對再生驗證結果的影響。試驗結果見圖5。

圖5 發動機A在不同環境溫度下的熱態WHTC試驗結果

由圖5可知,三次熱態WHTC的試驗結果均能滿足標準要求,排放結果并未隨環境溫度變化呈現出明顯的規律性。發動機A具有進氣節流閥和排氣背壓閥等熱管理裝置,當發動機端監測到后處理裝置溫度不足時,會通過調節進氣節流閥開度和噴油策略來減少進氣量,升高排氣溫度以達到快速提高DPF載體溫度的目的,使DPF保持較高的連續再生能力。由此可知,在規定的試驗室環境范圍內,環境因素對再生驗證結果影響較小。

3 周期性再生驗證試驗研究

申報為周期性再生的發動機后處理裝置主要采用了主動再生技術,當發動機滿足運行時間/里程要求時,通過主動噴射燃油/缸內后噴技術使DPF溫度達到550～650 ℃以清除PM。從再生條件分析,設定的運行時間為主要觸發條件,而碳載量是次要觸發條件。

3.1 時間/碳載量對周期性再生驗證的影響

圖6為周期性再生的影響邏輯圖。由圖6知,裝有周期再生后處理系統的發動機根據運轉時間或是碳載量自動執行再生功能,各判定條件互不沖突,滿足其中一個條件即執行。根據運轉時間執行再生:計數器累計運轉設定的TIME1小時后執行自動再生,再生成功后計數器清零;計數器累計運轉TIME2小時后,觸發手動再生要求,再生成功后計數器清零;計數器累計運轉TIME3小時后,進入再生禁止狀態,并且故障燈點亮。根據累碳量執行再生:根據壓差傳感器計算的碳載量,當判斷其達到滿載狀態后,執行自動再生,再生成功后計數器清零;根據壓差傳感器計算碳載量,當判斷其達到滿載以上的碳載量后,觸發手動再生要求,再生成功后計數器清零;根據壓差傳感器計算累碳量,當判斷其達到裝載極限后,進入再生禁止狀態,并且故障燈點亮。

圖6 時間/碳載量對再生的影響邏輯圖

對發動機B連續進行50 h的WHTC試驗,記錄后處理裝置前后溫度、排氣背壓數據,分析發動機B后處理裝置的再生發生情況。圖7示出發動機B連續進行50 h的WHTC試驗的后處理裝置溫度和壓力數據。由圖7可知,DPF入口平均溫度為285 ℃,DPF出口平均溫度為263 ℃,DPF入口平均壓力為9.2 kPa,DPF出口平均壓力為0.7 kPa。發動機B單個WHTC試驗的PM產生速率為2.15 g/h,系統排放了0.08 g/h,單個WHTC試驗再生消耗的PM約為2.07 g/h。發動機B的DPF載體體積為11.3 L,最大載荷為6 g/L,最大載荷量為67.8 g,通過WHTC達到滿載需要32.8 h。在50 h內,發動機B的DPF前后溫度和壓力均未出現大幅波動現象,證明發動機B在WHTC試驗過程中也發生了被動再生,并且碳載量一直未處于滿載狀態。在50 h 后(圖中180 000 s處),發動機B出現了主動再生過程,DPF前后溫度和壓力有較明顯的突變。這表明,對于某些發動機,碳載量促發再生的時間可能會先于設定的再生時間,對于此類情況,再生周期應以較短的周期申報。

3.2 周期性再生中再生因子的計算

對接近再生的周期性再生發動機B連續進行10次熱態WHTC試驗,其中第1次為再生發生前進行,第2次為再生期間進行(一個循環內完成再生過程),第3至第10次為再生發生后進行,10次排放試驗的NOx、PM、PN 結果見圖8。

圖8 接近再生的10次WHTC試驗結果

由圖8可知,發動機B觸發主動再生后,排放特性和觸發了主動再生的連續再生型后處理裝置很相似,均為發動機通過后噴柴油的方式使得DOC溫度迅速上升,同時清除DPF中積累的炭煙,此時的NOx、PN、PM排放均超過了標準限值,穩定后的排放特性同連續再生型后處理裝置的排放特性也很相似。

(1)

(2)

(3)

表3 再生因子計算

由表3可知,本研究提出的再生因子計算方法精度較高,能夠替代完整的周期性再生驗證試驗,從而大幅減短驗證時間、減少驗證成本。

4 再生驗證試驗流程

根據連續再生驗證試驗研究規律,制定連續再生試驗流程(見圖9)。將預處理循環固定加入到程序中,可以提高試驗的準確性。

圖9 連續再生驗證試驗流程

根據周期性再生驗證試驗研究規律,并基于上述再生因子計算方法,制定周期性再生試驗流程(見圖10)。程序中加入了后處理的穩定性判斷,以連續三次測試結果偏差在±25%以內或小于0.005 g/(kW·h)(兩者中的大者)判定穩定。

圖10 周期性再生試驗驗證流程

通過上述驗證流程優化,可以通過較少的試驗次數得到一個精確的周期再生因子的試驗結果,并準確完成驗證試驗。

5 結論

a) 空載DPF的捕捉效率尚未達到最佳狀態,進行再生驗證試驗前需要加入預處理循環;

b) 連續再生型后處理裝置在進行再生驗證過程中,可通過DPF前后溫度、壓力、碳載量等數據的變化判斷在再生驗證過程中是否發生了炭煙再生;

c) 在標準規定的試驗室環境下,環境溫度因素對再生驗證結果的影響較小;

d) 周期性再生驗證方法中,為了測得兩次再生之間的平均比排放,可采用部分試驗替代完整周期的計算方法,大幅縮短了驗證時間,減少驗證成本。