DPF降怠速再生温度场分布测试及过滤效率分析

柴油机尾气中含有大量的颗粒物(PM)，严重影响居民身体健康。柴油机颗粒捕集器（DPF）已成为柴油车和非道路柴油机的必备后处理装置。目前，国外研究多侧重于DPF 载体研发和生产，国内研究更侧重于再生策略、再生过程。由于DPF 碳加载的试验周期长，试验费用投入多，再生碳载量、载体应用温度多基于国外载体厂商的推荐值，对DPF 载体使用选型、载体极限性能评判方面的研究仅限于模拟试验。而DPF 应用时，真实碳加载值和模拟值的巨大偏差，因而需要开展DPF 载体选型、载体极限性能评判方面的研究。降怠速现象是发动机在正常转速运行时，将发动机转速快速降至低怠速工况的现象。柴油机在降怠速工况进行再生时，极易引起DPF 内部温度快速上升，导致载体烧熔。故降怠速再生工况是使用DPF 过程中最为恶劣的工况。因此，通过研究不同碳载量、再生温度时DPF 在降怠速再生工况时的性能，可对DPF 载体极限碳载量和载体极限使用温度进行快速判定。故笔者在柴油机测试台架上进行DPF 碳加载，并进行降怠速再生测试，综合比较了不同DPF 碳载量、再生温度(DPF 前温度传感器测定温度)时DPF 载体内部温度分布、最高再生温度和再生前、后PM 质量浓度变化，确定出了碳化硅载体的极限碳载量、极限再生温度，并确定出碳载量和再生温度变化对DPF载体的影响，以期为进行DPF 载体匹配选型及再生标定提供参考。

01  实验方案与设备

为减小台架加载和整车加载时的PM 成分差异，试验选取非道路瞬态循环(NRTC)工况进行DPF 碳加载，并通过称重法测定碳载量；试验采用缸内后喷再生来保证降怠速再生时的温度控制精度和再生触发。

1.1 试验用柴油机参数

试验采用一台目标排放为非道路国Ⅳ排放法规的柴油机，具体参数如表1 所示。

表1 柴油机主要技术参数


1.2 DPF内部温度测点分布

为准确获取DPF 内再生时的温度分布，笔者在DPF 载体内布置直径为0.5 mm 的5 支K 型热电偶(量程为10～1 500 ℃)，热电偶分布在距载体轴心为10、70、130 和190 mm 处的圆上，插入载体的深度距载体前端为75 mm 或152 mm，分别记为T1～T5，具体位置如图1所示。


图1 DPF载体内热电偶分布位置

02  试验方法介绍

试验开始前，按照HJ451—2008《环境保护产品技术要求柴油车后处理装置》的要求对 DPF 进行预处理，然后按照图2流程进行操作。


图2 基于降怠速再生的DPF载体性能试验流程

03  试验结果分析

3.1 碳载量为8 g/L时不同再生温度的再生性能

图3 为再生前、后(再生温度为600、620 和640 ℃)DPF 后端的PM 质量浓度。表2 为各再生时最高PM 质量浓度、PM 质量浓度和对PM 的烟度过滤效率。可知，DPF 后端PM 质量浓度从高到低分别为600 ℃再生后、620 ℃再生后、640 ℃再生后和再生前，烟度过滤效率均大于97.00%，载体无损坏。烟度过滤效率变化的原因如下：再生前和640 ℃再生后DPF 均处于“颗粒层过滤”阶段，烟度过滤效率均较高，但由于640 ℃降怠速再生后，DPF 内累积的PM 减少，导致“颗粒层过滤”状态的烟度过滤效率降低。因而再生前DPF 的烟度过滤效率大于640 ℃再生后的烟度过效率。620 ℃再生温度进行降怠速再生时，峰值温度达到1 300 ℃，DPF 内部出现快速的DPF 再生，DPF 因局部PM 的充分氧化，导致DPF 进入“深床过滤”阶段，620 ℃再生后DPF 的烟度过滤效率明显低于“颗粒层过滤”阶段的状态。因而640 ℃再生后DPF 的烟度过滤效率大于620 ℃再生后DPF 的烟度过滤效率。由于600 ℃降怠速再生时DPF 内部峰值温度更高，发生更强烈的主动再生，DPF 内剩余的PM 量更少，“深床过滤”阶段需要的时间更长(图7 为再生期间的局部放大图)，因此，600 ℃降怠速再生后DPF对PM 质量浓度的减排效率更低，即620℃再生后DPF 的烟度过滤效率大于600 ℃再生后DPF 的烟度过滤效率。

综上可知，DPF 碳载量为8 g/L、再生温度为600～640 ℃时均不会损坏DPF 载体，但是再生温度越低，DPF 内部温度峰值越高，降怠速再生出现载体损坏的风险越大。


图3 不同再生温度降怠速再生后DPF后PM质量浓度

表2 不同再生条件时的PM质量浓度


3.2 不同碳载量下的再生性能

在1 号件上加载10 g/L 的PM，在再生温度为600 ℃时进行降怠速再生，再生时DPF 内部温度变化如图4 所示。当再生温度为600 ℃、碳载量为10 g/L时，在DPF 内部T5位置出现1 274 ℃的最高温度，在T2 和T3 测点之间出现了161.1 ℃/cm 的最大径向温度梯度。此外，在DPF 后端面的T3、T4 和T5 温度测点处先出现温度峰值，然后T1测点、T2测点分别出现温度峰值，分析原因为：由于排气将DPF 前端PM 氧化放热输送至DPF 后端，并形成热量积聚，导致DPF 后端PM 快速反应放热，先出现温度峰值，然后再通过热辐射、热传导等形式传递给T1 和T2 位置。由于T1 位于DPF轴线上中心位置，T2 位于DPF 轴线末端位置，T1 测点受降怠速工况影响最先出现温度峰值，T2 测点由于在后端面，虽受后端面T3～T5 测点区域快速再生时热辐射、热传导的影响，但排气的热对流影响更为明显，呈现T1 测点先出现温度峰值，然后T2 测点出现温度峰值的现象。


图4 碳载量为10 g/L降怠速再生DPF内部温度

3.3 降怠速工况下DPF载体温度分布

6 次降怠速试验过程中的DPF 载体最高温度及分布如表3所示。可知3 个样件在DPF 碳载量为8 g/L 时进行降怠速再生，再生后PM 质量浓度过滤效率均大于97.00% ，载体未损坏；再生温度越高，DPF 内出现的最高温度越低，DPF 对PM 的过滤效率越高。当再生温度为600 ℃、碳载量为12 g/L 时，出现DPF 载体烧毁现象，再生后PM 过滤效率降低至87.30%。碳载量为8 g/L 和10 g/L 时，降怠速再生后对PM 过滤效率均大于97.00%，载体均未损坏。综上可知，通过再生温度为600 ℃、不同碳载量的降怠速测试可以判定碳载量为10 g/L 是碳化硅载体的安全碳载量，碳载量高于12 g/L 时DPF 在降怠速再生工况时极易被烧毁。

表3 降怠速再生试验参数


04  关键结论

(1) 碳加载后DPF 对PM 质量浓度减排效率高达99.95%，DPF 再生由于“深床过滤”现象，烟度过滤效率有所降低，若载体未损坏，其对PM 质量浓度减排效率仍高达97.10%。

(2) 碳载量为8 g/L 的DPF，在再生温度为600～640 ℃内进行降怠速再生时，随再生温度降低，DPF载体内出现的最高温度逐渐增大，因降怠速再生导致载体损坏的风险变大。

(3) 在DPF 的再生温度为600 ℃、碳载量为12 g/L 条件下降怠速再生时，载体内部最高温度超过1 500 ℃，碳化硅载体损坏，DPF 对PM 质量浓度减排效率降低至87.30%，碳载量为8 g/L 和10 g/L 条件下，降怠速再生后的载体均未损坏。


参考文献
[1]陈鹏,朱磊,刘德文,潘希伟,曾伟,臧志成.DPF降怠速再生温度场分布测试及过滤效率分析[J].内燃机学报,2021,39(02):159-166.