柴油機顆粒捕集器降怠速再生可靠性試驗研究

摘要： 柴油機顆粒捕集器（DPF）在實際使用過程中會頻繁怠速再生，這種不正常再生是導致DPF高溫燒裂的主要原因，導致DPF可靠性降低。針對這一問題，通過搭建燃燒器臺架對堇青石DPF進行重復性降怠速（DTI）測試，探究了相同碳載量及再生工況下DPF再生的一致性，通過DPF載體內部的溫度分布、PN排放特性以及最終CT掃描結果，評估了DPF的耐久性及堅固性。結果表明：30次DTI測試中，DPF內部溫度分布不均勻，峰值溫度出現在靠近載體出口端，DPF從中心到邊緣位置溫度逐漸降低，載體邊緣處出現較大的溫度梯度；30次DTI后載體PN排放未見明顯升高，距國六限值仍有較大裕量；CT掃描未見明顯裂痕。

關鍵詞： 柴油機顆粒捕集器；降怠速；再生；可靠性；溫度分布

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.005

中圖分類號： TK421.5" 文獻標志碼： B" 文章編號： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００34 ０5

柴油機具有高效、可靠及動力強勁等優點，被廣泛應用于中大型運輸汽車和工程機械中^{［1 2］}。隨著人們環保意識的增強，顆粒物排放大大限制了柴油機的應用，與同等排量的汽油機相比，柴油機顆粒排放量是前者的30～80倍^{［3 4］}。加裝柴油機顆粒捕集器（DPF）是目前降低PN排放最有效的手段之一，隨著DPF長時間的使用，沉積在DPF內部的碳煙過多，會導致排氣背壓升高，因此需要對DPF進行及時再生，DPF主要的再生方式分為主動再生和被動再生兩種^{［5 8］}。

DPF再生主要受到排氣溫度和排氣流量的影響，在某些極端工況中，發動機轉速可能會降怠速（dropping to idle，DTI），此時發動機排氣流量會突然降低，當排氣溫度較高時，碳煙發生氧化反應，較低的排氣流量不能及時將反應產生的熱量帶走，此時熱量聚集很容易導致DPF產生嚴重的熱應力，當DPF內部聚集的碳煙數量較多時，DPF很容易發生燒熔現象^{［9 11］}。針對DPF再生機理，國內外學者進行了大量的研究。Z. W. MENG 等^［12］采用商業碳黑系統，探討了不同載體材質對DPF再生的影響，結果表明，隨著排溫的增加，DPF峰值溫度和最大溫度梯度呈現先緩后急的增加趨勢。V. D. SARLI 等^［13］研究了碳載量及催化劑對DPF再生的影響，結果表明：在高碳載量下再生時，碳煙劇烈燃燒，短時間內載體內部會快速升溫。唐蛟等^［14］通過增加怠速排氣流量的方法，使高溫氣流快速通過DPF，從而降低峰值溫度。R. SHANKAR等^［15］通過實車道路進行DTI測試，結果表明：緩慢降怠速可使再生過程平順，從而降低峰值溫度，達到延長DPF使用壽命的目的。黃鐵雄等^［16］基于DTI方法確定了載體安全再生的試驗方法，但未進一步通過排放驗證DPF的可靠性判定。

綜上所述，國內外針對DPF的研究主要集中在再生策略的控制方面，極限再生DTI測試也多搭載發動機進行。由于DPF實車驗證周期較長，搭載發動機進行多次重復DTI測試會造成發動機性能下降，長期碳煙加載工況會造成發動機缸內積碳，因此國內對于考察DPF可靠性的重復性DTI試驗很少見。

本研究通過燃燒器搭載DPF的測試方法，實現DPF碳煙快速加載及降怠速再生測試，考核在30次DTI耐久測試后DPF載體性能，通過發動機排放測試以及CT掃描手段分析DPF過濾性能及可靠性，以期為DPF生命周期內的安全再生策略制定提供參考。

1 試驗裝置和方法

1.1 燃燒器臺架

發動機長期加載碳煙會增加發動機燃油系統損壞風險，采用燃燒器碳煙加載裝置可模擬真實發動機產生的碳煙顆粒，該設備加注0號柴油。設備參數如表1 所示，該設備發碳速率穩定，每次加載碳煙工況保證相同的流量和溫度，且DPF安裝位置固定，可提高每次測試的碳煙加載一致性。碳煙加載前后在200 ℃以上環境中稱重，確保稱重過程中沒有冷凝水導致的質量誤差。

碳煙加載后，采用柴油燃燒器臺架進行重復DTI測試，該臺架流量由變頻風機控制，流量范圍為0～2 100 kg/h，溫度范圍為室溫至1 100 ℃，可集成NOx傳感器及尿素噴射裝置等排放設備。DPF在臺架上安裝位置如圖1所示。

1.2 發動機臺架

DPF測試前后以及每10次DTI后需要進行排放測試，試驗采用的排放測試設備為AVL489，發動機為9.7 L重型柴油機，通過對測試前后DPF的顆粒物數量進行對比驗證，從而判斷DPF是否失效。發動機參數如表2所示。

1.3 CDPF參數及熱電偶布置

試驗采用帶涂覆的堇青石CDPF，測試前將全新的載體在燃燒器上以650 ℃對催化劑進行激活，測試中采用兩個同規格CDPF，一個用于前期摸底，一個用于正式測試，CDPF參數如表3所示。

CDPF溫度測定采用Φ0.5 mm的K型熱電偶，前期摸底主要為了得知DPF出現最高溫度及最大溫度梯度最多的半徑方向，同時得到合適的碳載量范圍，確保DPF再生時最大溫度處于1 000～1 100 ℃之間。經過大量摸底測試后，正式試驗中根據摸底測試中最高溫度及梯度出現最多的方向，布置30根熱電偶，如圖2所示，軸向分為4個深度，徑向布置6個熱電偶，分別測量軸向及徑向溫度梯度。

1.4 試驗方法

碳煙加載前后對CDPF進行預熱并保持200 ℃以上的溫度進行稱重，待碳煙加載完畢將CDPF安裝在燃燒器臺架上進行降怠速再生試驗，測試完成后將殘留的碳煙再生并與CDPF初始質量進行對比，確認完全再生后，進行下一次測試；每10次DTI測試后進行發動機臺架排放測試，最后通過CT掃描設備檢查載體內部是否存在裂縫。

如圖3所示，正式DTI測試中，控制流量700 kg/h及溫度260 ℃穩定持續8 min，保證DTI測試過程中初始條件一致。隨后升溫并保持流量不變，當催化劑前溫度達到目標DTI溫度后，降怠速再生，此時總流量快速降至230 kg/h并穩定至CDPF內部溫度降下來。過早降怠速會導致溫度較低，DPF內不能形成較好的碳煙再生環境，過晚降怠速會導致大量碳煙被再生，不能達到最高溫度，因此合適的斷油時機可以使得DPF在相應的碳載量下達到最高溫度。經過前期摸底，將DTI時刻定為110 s。

車輛在每行駛一定距離后，由于碳煙不斷累積會觸發再生，再生過程大多為被動再生，觸發DTI再生的條件較為苛刻，且觸發DTI再生后峰值溫度較少達到1 000 ℃以上。通過對CDPF進行30次重復DTI測試，研究在這種更加嚴苛工況下DPF的耐久性和可靠性，通過對DPF排放驗證，從而判斷載體是否發生損壞，為以后CDPF在50萬 km以上生命周期的安全再生提供參考。

2 試驗結果分析

2.1 DTI過程中載體內部溫度分布

圖4示出30次測試中各次測試的實際碳載量，通過前期摸底不斷增加碳載量進行DTI測試，得到不同碳載量下DPF內部的峰值溫度，從而確定DPF峰值溫度在1 000～1 100 ℃之間時的碳載量范圍為5.1～5.7 g/L。正式DTI測試中，為保證一致性，控制碳載量設定值為固定值，由于碳煙加載及稱重偏差會導致實際碳載量有所波動，當載體內部最高溫度介于1 000～1 100 ℃時，視為有效數據。

圖5所示試驗中碳載量為5.13 g/L，是30次DTI測試中碳載量最少的一組測試，DTI時刻為110 s。DTI發生前，載體內部孔道溫度均高于600 ℃，此時碳煙開始發生反應，在斷油信號之后，排氣流量迅速降低，此時排氣中的空氣進入載體內部開始與碳煙迅速發生反應，由于排氣流量較低，不能將熱量及時帶走，此時載體內部溫度呈現指數式上升，隨著碳煙進一步反應，溫度開始呈現指數式下降。堇青石載體內部峰值溫度出現在測點20，最高溫度為1 005 ℃，最大溫度梯度出現在測點29和測點30之間，為139 ℃/cm。另外靠近中心位置的多個熱電偶溫度也高達900 ℃，這是因為碳煙加載過程中氣流影響導致中心位置加載碳煙較載體邊緣多，此外由于載體邊緣位置直接與外部環境接觸，散熱較快，因此載體邊緣溫度較低。

圖6所示試驗中碳載量為5.67 g/L，即碳載量最大的一組測試。由圖6可知，發生斷油后，載體內部峰值溫度出現在測點26，為1 092 ℃，此時最大溫度梯度同樣出現在測點29和測點30之間，為298 ℃/cm。相較于5.13 g/L碳載量再生時，隨著碳載量增加，載體內部的峰值溫度和最大溫度梯度相應增加，這是由于碳載量的進一步升高會導致碳煙反應更劇烈，并且熱量不斷向四周傳遞，導致周圍熱量進一步聚集，從而產生更高的溫度。在該碳載量下再生時，測點5，6，10，19，20，21，25，27的溫度均超過1 000 ℃，所屬測點均位于載體中心位置；由于邊緣位置散熱較快且碳量較少，因此在載體邊緣位置容易出現較大的溫度梯度；同時再生發生后，氣流較小，不能及時將熱量帶走，導致熱量在載體出口聚集，從而導致載體出口位置溫度較高。

DTI再生測試為瞬態過程，斷油的瞬間峰值溫度的變化隨機性較強，載體內部反應較劇烈，且在短時間內會迅速降溫，當碳載量變化不大時，對峰值溫度的影響較小。圖7和圖8所示為30次DTI過程中載體內部的峰值溫度和最大溫度梯度，其中第1次和第12次DTI的溫度最低，為1 005 ℃，第25次DTI的溫度最高，為1 092 ℃，通過控制碳載量來使DPF內部峰值溫度保持在1 000～1 100 ℃之間。30次DTI過程中，最大溫度梯度均出現在載體最邊緣位置。

2.2 每10次DTI測試后載體PN排放

通過30次嚴苛的重復DTI再生試驗來確定載體的耐久性能，正式試驗開始前對全新載體測一次PN作為初始排放參考值；隨后每10次DTI再生后，對載體進行排放測試，通過與初始排放數據對比來評估載體DTI后的過濾效率，以此判斷內部是否發生破裂以及破裂的程度，從而判斷載體在30次DTI后的性能表現。

圖9所示為每10次DTI后測得的PN排放值。從圖中可見，每10次DTI后，排放值均未超過初始PN值，且相對國六限值存在較大的裕量。初始全新載體的PN值為5.446×10¹¹ 個/（kW·h），最后一次測得的PN排放值為4.366×10¹¹ 個/（kW·h），與初始PN值相比降低了19.8%，主要是經過多次積碳再生后，載體內部可能存在灰分沉積，導致顆粒捕集效率升高，從而測得的排放值較低。

2.3 CT掃描結果

載體內部存在較小損壞時，可能不會對排放值產生影響，因此在測試結束后，對載體進行CT掃描進一步確認載體內部有無損壞。使用的掃描設備型號為NSI X5000，為高分辨率數字多軸X射線成像設備，主要用于GPF及DPF內部結構探傷，可圍繞物體360°旋轉進行2D數字射線投影。

對DPF進行全尺寸無損掃描，對載體X軸和Y軸中心剖面進行對比觀察（見圖10），可見載體內部在30次DTI后未見明顯裂痕或損壞，表明在30次DTI后DPF具有良好的性能表現。

3 結論

a） DPF斷油再生后載體內部溫度呈現指數式上升，峰值溫度出現在載體中心靠近出口位置，邊緣位置容易產生較大的溫度梯度；

b） 每10次DTI再生后測得的載體PN排放值未出現明顯的變化，相比國六排放限值仍有較大裕量；

c） 30次DTI后對DPF進行CT掃描，未見有明顯裂痕或損壞，載體在30次DTI后性能表現良好。

參考文獻：

［1］ ZHANG Z Q，E J Q，DENG Y W，et al.Effects of fatty acid methyl esters proportion on combustion and emission characteristics of a biodiesel fueled marine diesel engine［J］.Energy Conversion and Management，2018，159：244 253.

［2］ 吳撼明，李振國，邵元凱，等.降怠速工況DPF再生溫度及排放特性研究［J］.車用發動機，2023（6）：19 25.

［3］ 孟忠偉，李鑒松，秦源，等.DPF再生時出口顆粒排放特性的試驗［J］.內燃機學報，2020，38（4）：342 350.

［4］ TAN P Q，CAO C Y，HU Z Y，et al.Modeling of soot fragmentation that proceeds in a catalyzed diesel particulate filter of a diesel engine［J］.Chemical Engineering Journal，2019，375：1 11.

［5］ YU M T，LUSS D，BALAKOTAIAH V.Analysis of ignition in a diesel particulate filter［J］.Catalysis Today，2013，216：158 168.

［6］ 樓狄明，余玉麒，房亮，等.炭載量對缸內直噴汽油機顆粒捕集器性能的影響［J］.車用發動機，2022（6）：9 14.

［7］ 孟忠偉，曾渤淞，冉格萌，等.DPF和CDPF主動再生排放特性對比分析［J］.內燃機學報，2024，42（1）：35 43.

［8］ 褚國良，王國仰，祁金柱，等.CDPF被動再生特性及再生平衡條件研究［J］.汽車工程，2019，41（12）：1365 1369.

［9］ KURIEN C，SRIVASTAVA A K，GANDIGUDI N.Soot deposition effects and microwave regeneration modelling of diesel particulate filtration system［J］.Journal of the Energy Institute，2020，93（2）：463 473.

［10］ 陳貴升，曾輝許慶，田文靜，等.極限碳載量下催化型柴油機顆粒捕集器再生特性研究［J］.內燃機工程，2023，44（3）：55 62.

［11］ 侯澤坤，陶建忠，郁錢，等.DPF降怠速再生溫度場及碳載量分析［J］.車用發動機，2023（2）：73 79.

［12］ MENG Zhongwei，CHEN Chao，LI Jiansong，et al.Particle emission characteristics of DPF regeneration from DPF regeneration bench and diesel engine bench measurements［J］.Fuel，2020，262：116589.

［13］ SARLI V D，BENEDETTO A D.Combined effects of soot load and catalyst activity on the regeneration dynamics of catalytic diesel particulate filters［J］.AIChE Journal，2018，64：1714 1722.

［14］ 唐蛟，李國祥，郭圣剛，等.基于怠速提升的DPF再生溫度控制方法研究［J］.車用發動機，2015（2）：66 69.

［15］ SHANKAR R，CHAUHAN A，KRISHNAN N，et al.Investigation of Temperature Distribution inside the Diesel Particulate Filter（DPF） during the Drop to Idle Test（DTIT） Performed at Steady State and Worst Case Driving Cycles［C］.SAE International Journal，2022，4（1）：191 197.

［16］ 黃鐵雄，胡廣地，郭峰，等.DPF熱再生過程溫度控制與試驗［J］.內燃機學報，2020，38（3）：257 264.

Experimental Study on Reliability Performance of DTI Regeneration for DPF

DONG Guanglei^1，2，SUN Nannan^1，2，NAN Zheng³，ZHANG Qiushi³，LIU Haitao³，HUA Lun³

（1.National Key Laboratory of Internal Combustion Engine and Power System，Weifang 261061，China;2.Weichai Power Company Limited，Weifang 261061，China；3.Suzhou Automotive Research Institute of Tsinghua University，Suzhou 215200，China）

Abstract： The diesel particulate filter （DPF） will frequently drop to idle and regenerate during the actual application， and this abnormal regeneration is the main reason of DPF high temperature melting or cracking， resulting in the reduction of DPF reliability. To address this issue， a burner bench was built to perform a repeatable dropping to idle （DTI） test on cordierite DPF. The consistency of DPF regeneration under the same soot load and regeneration conditions was investigated， and the durability and robustness of DPF were evaluated by the temperature distribution inside the carrier of DPF， PN emission characteristics and CT scan results. The results showed that the temperature distribution inside the DPF was uneven during the 30 times DTI tests， and the maximum temperature occured near the outlet end of carrier. The temperature of DPF gradually decreases from the center to the edge， and the larger temperature gradient appeared at the edge of carrier. The PN emission did not increase significantly after 30 times DTI， and there was still a large margin from the China Ⅵ limit， and no obvious cracks were found in CT scan.

Key "words： diesel particulate filter（DPF）； dropping to idle（DTI）；regeneration；reliability；temperature distribution

［編輯： 潘麗麗］