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DPF主动再生过程颗粒排放特性试验
2020-04-07 21:32:56· 来源：内燃机学报
柴油机颗粒捕集器(DPF)能大大降低柴油车的颗粒物排放，研究发现：DPF对粒径为10m以内的颗粒物有较高的过滤性能，在非主动再生状下，DPF出口的颗粒物数量浓度与环
柴油机颗粒捕集器(DPF)能大大降低柴油车的颗粒物排放，研究发现：DPF对粒径为10µm以内的颗粒物有较高的过滤性能，在非主动再生状下，DPF出口的颗粒物数量浓度与环境空气中颗粒物数量浓度相当，而在DPF主动再生状态下，这些颗粒物有可能出现在DPF出口端。为了得出二次颗粒物的产生机理，以便进一步高效地降低颗粒物排放，本次推文通过发动机台架试验，研究不同碳载量和不同再生温度下再生条件对主动再生期间DPF中二次颗粒的形成及排放特性所产生的影响。
01、载体参数及试验方法
试验选用JE493柴油发动机，台架配置如图1所示；选用非耦合式 DOC＋DPF后处理系统，DOC和DPF载体材料分别为堇青石和钛酸铝。
图1 发动机台架示意
为保证试验结果的可靠性和可重复性，以及各组试验中DPF内部碳烟颗粒沉积的一致性，试验过程中碳烟的加载和DPF的主动再生均使用统一工况进行，且所有试验均使用同一批次柴油燃料。选取发动机转速为1100r/min、转矩为90 N·m的碳烟加载工况。同时，考虑到发动机排气流量及DOC入口温度等因素，选定转速为1600r/min、转矩为90N·m以触发DPF主动再生且有较好燃油经济性的工况点。
过滤性能测试：为确保主动再生期间颗粒排放特性试验结果的准确性，首先应确保DPF后处理系统的完好性，进行载体过滤性能测试，测试了在碳烟加载工况和主动再生工况(未触发再生)下载体及载体内颗粒层的过滤效果。主动再生试验：为了保证DPF安全高效率再生，主流的DPF主动再生温度控制策略为选择梯度多阶段升温再生，因而选择再生温度分别为520、550和575℃，碳载量分别为4g/L和8g/L，再生时间均为20min，选取同一个过滤体进行6组试验。使用发动机后喷助燃的主动再生方式，通过ECU上位机可以精准触发和结束主动再生并记录后喷油量、DPF入口温度和再生时间等数据。为了便于对试验过程中测得的颗粒物进行分析，先将微粒按粒径大小分为核模态(≤50nm)和积聚态(＞50nm)，因为微粒频谱仪测量微粒最大粒径为1μm，故不讨论粒径大于2μm的粗粒子模态颗粒物。
02、DPF载体的过滤性能
研究DPF系统在所选取的转速各负荷工况下对颗粒物的过滤性能。选择加载工况和主动再生工况(未触发再生)进行试验，结果如图2所示。由于颗粒物在5～1000nm范围内的不同粒径上其浓度存在3～5个数量级的差异，为了便于观察各个粒径的颗粒物数量浓度，将纵坐标取以10为底的对数坐标。
图2 DPF入口和出口颗粒物粒径分布
图2中，近乎空白载体的DPF对颗粒物已经有很高的过滤效率，当载体内部有一定碳载量(8g/L)时，DPF的过滤效率会进一步提升至约99%。由于DPF为空白载体时，载体孔道壁面对颗粒物能起到一定过滤性能，当载体内存在碳烟颗粒层时，颗粒层能增加对来流中颗粒物过滤效果，且颗粒层越厚过滤效果越好，背压也越高。同时，再生工况(未触发再生)下DPF入口颗粒物峰值浓度低于加载工况，这是因为加载工况EGR开度更大，进入气缸的新鲜空气量较少，燃烧生成的碳烟浓度更高。
03、DPF主动再生过程微粒排放特性
研究发现，DPF主动再生过程会导致颗粒物排放有所增加。DPF的主动再生分为两个阶段：升温过程、主动再生过程，笔者深入分析了DPF主动再生过程中引起过滤体前、后颗粒物数量浓度及粒径分布变化的原因。
3.1入口端颗粒物分布
为了研究DPF主动再生期间载体后端颗粒物排放特性，首先应确定不同再生温度对DPF入口来流颗粒物数量浓度和粒径分布的影响。图3为DPF主动再生期间载体前端颗粒物数量浓度及粒径变化。不同再生温度下的色阶最大值均为 3×108，图中白色虚线为触发再生时刻，红线为达到再生温度时刻，黄线为停止再生，蓝线为降怠速(DTI)，DTI 操作之前发动机转速恒为1600 r/min。
触发主动再生后，DPF入口的颗粒物数量浓度略有降低，且颗粒物峰值粒径从 60nm 降至 50nm，排放中积聚态颗粒物数量浓度降低，而核模态颗粒物数量增加。在触发再生后约100～150s的升温过程中，颗粒物粒径呈现双峰分布，峰值粒径分别为50nm和10nm，之后粒径恢复为单峰分布。再生过程中，不同再生温度下颗粒物峰值浓度在1.5×108～2.5×108个/cm3，峰值粒径约为 50 nm。停止再生后，颗粒物数量浓度及粒径分布均恢复为触发再生前状态。颗粒物峰值粒径降低主要是由核模态和积聚态组成物质的差别引起的，核模态颗粒物主要是由挥发性 HC 及半挥发物质、硫酸盐等组成，积聚态主要是由元素碳及其吸附物组成，触发再生后，发动机EGR关闭，进入气缸的新鲜空气量增加，利于缸内燃烧，降低了颗粒物排放浓度和积聚态颗粒物数量。同时，由于在升温过程中，远后喷的燃油导致大量未燃HC生成，从而引起图3中150s左右核模态颗粒物数量浓度陡增。
图3 DPF主动再生期间载体入口端颗粒物浓度及粒径变化
3.2再生效率及其出口端颗粒物粒径分布
图4为DPF在不同再生条件下的再生效率。当再生温度为520℃时，碳载量为4g/L和8g/L，载体的再生效率分别为10%和21%；再生温度550℃时再生效率分别为44%和51%；而当再生温度为575℃时，再生效率分别达87%和90%。高碳载量的载体再生效率高于低碳载量载体，因为高碳载量有助于来流中的热量在载体内累积，利于再生效率的提高。再生效率的高低在一定程度上反映了再生过程的剧烈程度，同时也说明了DPF 载体内部最终剩余的碳载量及颗粒层厚度。
图5为主动再生期间DPF出口端颗粒物数量浓度及粒径分布。各颜色虚线代表含义同图3。
图5中，触发再生后100s左右，在碳载量为4g/L时的升温过程中均出现峰值粒径为10nm核模态颗粒物数量浓度的陡增，而在碳载量为8g/L的图5b、图5d中未出现颗粒物数量浓度陡增的现象。DPF出口端核模态颗粒物陡增现象与图3升温过程中来流颗粒物在粒径为10nm处颗粒物数量浓度的陡增几乎同步出现，随后同步降低。由于较小粒径的颗粒物穿透性和气流跟随性更好，易于穿透颗粒层；而碳载量为4g/L的载体中碳烟颗粒层厚度低于8g/L的载体，可知升温过程DPF出口端核模态颗粒物数量浓度的增加主要是由来流中颗粒的穿透引起。
图5 DPF主动再生期间载体出口端颗粒物数量浓度及粒径变化
从图5b、图5d和图5f可以看出：触发再生前，DPF出口颗粒物数量浓度在 1×104个/cm3左右或更低；触发再生后，出现峰值粒径在100nm左右的积聚态颗粒物排放且再生期间始终存在，并随着再生目标温度的增加，颗粒物数量浓度升高。DPF入口颗粒物峰值粒径约为50nm，而DPF出口颗粒物峰值粒径为100nm，并不是穿透能力更强、更小粒径的来流颗粒物。这是由于图3a中，DPF中加载的碳烟以100nm左右的积聚态为主，触发再生后，DPF入口温度升高引起气体黏度增加，气流通过载体时会带走少部分颗粒层或壁面孔隙中的积聚态颗粒物，导致排放颗粒物数量浓度升高；当再生目标温度升高时，DPF 内部碳烟氧化反应越剧烈，颗粒层会变得相对单薄和蓬松，也是引起排放颗粒物数量浓度升高的重要原因。随着再生的进行，100nm左右的积聚态颗粒物逃逸现象更加严重，再生效率达 90% 时表现尤为明显(图5f)。
3.3 出口端颗粒物数量浓度
图6为DPF主动再生过程中载体出口端颗粒物总数量浓度的变化(红色虚线为达到再生目标温度对应的时刻，黄色虚线为浓度平均值)。从图6a、图6c、图6e和图6f可以看出：升温过程中，DPF 出口端颗粒物总数量浓度均有2～3个数量级的增加，而图6b和图6d中，DPF出口端颗粒物总数量浓度略有升高，这是因为碳载量为8g/L载体中颗粒层较厚，不利于气流通过，从而减少了颗粒物的穿透。
图6 DPF主动再生过程中载体出口端颗粒物总数量浓度变化
同时，在整个主动再生期间，随再生温度的升高，颗粒物排放平均数量浓度增加(黄色点画线)；对比图4再生效率的结果可知，当再生温度为575 ℃时，由于达到再生目标温度后载体内碳烟颗粒物的剧烈氧化反应，导致许多二次颗粒的产生并随气流排出过滤体，引起颗粒物排放数量的急剧增加，且在再生后期仍保持较高数量浓度的排放。
图7a为触发DPF主动再生后DPF入口温度上升至目标温度的整个过程中DPF出口颗粒物总数量浓度。碳载量为4g/L的DPF 出口的颗粒物总数量受再生目标温度影响较小；碳载量为8g/L时，随着目标温度的升高，升温过程DPF出口的颗粒物数量浓度逐渐增加。此外，升温过程中，碳载量为4g/L的DPF出口颗粒物总数量浓度均大于8g/L。这是由于再生目标温度不同时，来流中颗粒物数量浓度及粒径分布相近，但当载体碳载量为4g/L时，DPF内部孔道表面颗粒层厚度较薄，DPF载体对来流中的颗粒物更加敏感，其出口的颗粒物数量浓度受来流颗粒物数量浓度影响较大。另外，但当碳载量为8g/L时，由于DPF内颗粒层厚度的增加，过滤效率增加，升温过程中穿透DPF排放至大气中的颗粒物总量降低，其颗粒物排放总数量受来流温度影响较大。
图7b为DPF入口温度达到再生目标温度直至停止主动再生期间的整个过程中的DPF出口颗粒物总数量浓度。再生过程中，碳载量为4g/L时其内部颗粒层氧化反应剧烈程度不及碳载量为8g/L的DPF载体，更加剧烈的再生反应中碳烟颗粒更容易从DPF载体中逃逸出去，同时也引起更高的再生效率；另一方面，随着再生温度的升高，DPF内部反应更加剧烈，引起碳烟颗粒层结构不断发生变化(坍塌、变得稀疏单薄等)，加上反应生成更多的二次颗粒物，导致了DPF出口更高的颗粒物排放浓度。
图7 DPF出口端颗粒物总数量浓度
04、结论
（1）升温过程中，10nm左右核模态颗粒物的排放主要由来流中颗粒物的穿透引起；再生过程中，10nm左右核模态颗粒物的排放主要由碳烟颗粒层氧化反应生成的二次颗粒逃逸引起；在整个再生期间，100nm左右的积聚态颗粒物的排放主要由载体内碳烟颗粒的逃逸引起。
（2）升温过程中，DPF 出口颗粒物总数量浓度最大能增加3个数量级，实际增加幅度和碳载量、再生温度有关；当再生温度为575 ℃时，DPF出口排放的核模态颗粒物数量浓度会增加3个数量级。
（3）升温过程中，低碳载量时颗粒物排放总量受来流中颗粒物数量浓度影响较大；高碳载量时颗粒物排放总量受再生温度影响较大。
（4）升温过程中，碳载量为4g/L时DPF出口排放的颗粒物总数量浓度比碳载量为8g/L时要高；但再生过程中，碳载量为4g/L时DPF出口排放的颗粒物总数量浓度比碳载量为8g/L时低。
文献来源及推荐阅读
[1]孟忠伟,陈超,秦源,李鉴松,杜雨恒,蒋渊.DPF主动再生过程颗粒排放特性试验[J].内燃机学报,2020,38(02):147-153.
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