胡帥，孫澤

?

柴油機(jī)DPF特性測(cè)試評(píng)價(jià)

胡帥，孫澤

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，DPF后處理是柴油機(jī)滿足國(guó)六排放法規(guī)的主要技術(shù)方案?；贒PF設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在臺(tái)架上對(duì)DPF壓差和極限情況下的碳載量等特性測(cè)試評(píng)價(jià)；累碳初期，壓差增加較快，隨后緩慢增加；同時(shí)在最高溫度允許情況下確定最大碳載量，為后期再生標(biāo)定提供模型輸入。在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行WLTC循環(huán)的排放驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明DPF的捕集效率達(dá)到92%，顆粒物數(shù)量低于排放限值30%，滿足實(shí)際應(yīng)用的工程目標(biāo)。

柴油機(jī)顆粒捕集器；壓差特性；最大碳載量；過濾效率

前言

隨著環(huán)境污染的不斷加劇，柴油機(jī)排放得到越來越多的關(guān)注。DPF(柴油機(jī)顆粒捕集器)是處理柴油車PM和PN的主流技術(shù)，同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)也是歐洲主流技術(shù)路線，國(guó)六柴油機(jī)后處理全部加裝此裝置。

圖1所示為DPF系統(tǒng)的捕集原理：柴油機(jī)排放的含有大量碳煙微粒的污染物通過排氣管道進(jìn)入DPF，捕集器內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其兩端一邊是敞開，一邊是堵塞的通道壁，廢氣從敞開的一端進(jìn)入，穿越多孔的蜂窩壁，然后從相鄰的通道排出。大部分微粒由于體積過大而無法穿越壁孔，因而被吸附在通道壁上而不會(huì)排放到空氣中。

圖1 捕集原理

本文主要為了滿足DPF壓差模型和最大碳載量等再生標(biāo)定的需要，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)DPF壓差、極限情況下的碳載量等關(guān)鍵特性測(cè)試評(píng)價(jià)，以及通過轉(zhuǎn)轂WLTC排放循環(huán)驗(yàn)證捕集效率，滿足標(biāo)定開發(fā)和排放目標(biāo)的達(dá)成的需求。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)裝置

尿素結(jié)晶試驗(yàn)總體布置如圖2所示，試驗(yàn)臺(tái)架主要包括一臺(tái)國(guó)六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、DPF后處理系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給及油耗測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)功機(jī)及控制系統(tǒng)、排放測(cè)試系統(tǒng)等。

圖2 臺(tái)架布置圖

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

1）DPF常規(guī)耐久工況

發(fā)動(dòng)機(jī)初、復(fù)始萬有特性煙度偏大，綜合考慮后選擇1400rpm@100Nm作為累碳點(diǎn)，該點(diǎn)初始煙度為7.174，DPF滿載累碳時(shí)間約1h。再生時(shí)DPF前溫度保持在650℃左右，進(jìn)行350次。

2）DTI工況

DTI試驗(yàn)降怠速時(shí)刻以再生時(shí)DPF內(nèi)部溫度650℃作為觸發(fā)條件，進(jìn)入再生后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速工況。

2 DPF特性測(cè)試評(píng)價(jià)

DPF的壓差特性和極限情況下（DTI）的碳載量是評(píng)價(jià)DPF性能的關(guān)鍵指標(biāo)，為了準(zhǔn)確的反應(yīng)DPF性能，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。

2.1 不同碳載量的壓差特性

準(zhǔn)確測(cè)試評(píng)價(jià)GPF捕集的碳煙產(chǎn)生壓差，對(duì)后期的標(biāo)定具有重要意義，而發(fā)動(dòng)機(jī)氣流通過GPF壓差包括過濾壁壓差、灰分產(chǎn)生的壓差、碳煙產(chǎn)生的壓差之和，即

其中，△P總為總壓差；△P過濾為過濾壁的壓差；△P總灰分為灰分的壓差；△P碳煙為碳煙的壓差；為流量；碳煙、灰分、碳煙為計(jì)算因子；在GPF初始狀態(tài)的情況下，灰分累積的量較少，可以忽略對(duì)壓差的影響。

在壓力傳感器測(cè)試總壓差、和計(jì)算排氣量通過過濾壁的壓差，即計(jì)算碳煙產(chǎn)生的壓差。結(jié)果如下：

圖2 不同碳載量下的DPF壓差

如圖2所示，在累碳初期，壓差增加較快，斜率比較大；主要原因是開始累積的碳進(jìn)入DPF過濾孔道內(nèi)，這時(shí)產(chǎn)生的壓差較大；隨著累碳量的增加，壓差增加變緩，斜率變小，主要因?yàn)樘祭鄯e覆蓋在DPF過濾壁表面，形成蛋糕層，累碳量增加、壓差增加，基本上形成正相關(guān)的關(guān)系。

2.2 循環(huán)下的DPF壓差特性

圖3所示為試驗(yàn)初始階段再生循環(huán)過程中DPF前后壓力變化曲線，從圖中可以看出，隨著DPF碳載量不斷增加其前后壓差在不斷變大，當(dāng)DPF滿載時(shí)，其前后壓差達(dá)到7kPa左右，隨即進(jìn)入再生工況，壓差減小，再生完全后（即空載）DPF前后壓差保持在2.5kPa左右。

圖3 初始10次DPF循環(huán)壓差曲線

圖4所示為試驗(yàn)結(jié)束階段最后10次再生循環(huán)過程中DPF前后壓力變化曲線，和圖4相比，DPF滿載時(shí)前后壓差基本一致，都保持在7kPa左右，但在試驗(yàn)結(jié)束階段DPF空載時(shí)壓差約3kPa左右，比初始階段壓差增大0.3～0.5kPa；說明經(jīng)過350h試驗(yàn)后，DPF內(nèi)儲(chǔ)存了一定量的灰分（從稱重結(jié)果來看，灰分約7.3g）。

圖4 最后10次DPF循環(huán)壓差曲線

2.3 極限工況下的碳載量

降怠速極限情況下（DTI）的碳載量，通過試驗(yàn)測(cè)試不同溫度、碳載量情況下的再生最高溫度，考慮DPF的允許載碳量6~7g，按照該目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，確定最大累碳量，作為后期標(biāo)定的輸入。

圖3 DPF中心溫度傳感器布置簡(jiǎn)圖

圖4和圖5所示為DTI試驗(yàn)過程中DPF中心溫度變化曲線。6g/L碳載量DTI試驗(yàn)進(jìn)入DTI時(shí)刻為DPF中心溫度達(dá)650℃，DPF前溫度達(dá)到620℃（再生溫度）距DTI時(shí)刻約36S；DPF中心溫度最高達(dá)955℃，在安全范圍內(nèi)。7g/L碳載量DTI試驗(yàn)進(jìn)入DTI時(shí)刻為DPF中心溫度達(dá)650℃，DPF前溫度達(dá)到620℃（再生溫度）距DTI時(shí)刻約36S；DPF中心溫度最高達(dá)1067℃，小于碳化硅載體最高耐受溫度1200℃，在安全范圍內(nèi)。建議最大碳載量標(biāo)定在7g/L。

圖4 6g/L碳載量極限溫度

圖5 7g/L碳載量極限溫度

3 WLTC排放測(cè)試

DPF的捕集效率是測(cè)試評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)，也是能否達(dá)到工程目標(biāo)的核心性能指標(biāo)。因此按照GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)試方法（第六階段）》要求，進(jìn)行WLTC循環(huán)排放測(cè)試，試驗(yàn)三次。試驗(yàn)車使用滑行法加載，匹配計(jì)算換檔線，試驗(yàn)再CVS-4000型定容采樣系統(tǒng)、AMA-4000型氣態(tài)排放物分析系統(tǒng)以及HORIBA 2000spcsPN計(jì)數(shù)器，以及METTLER TOLEDO-XP2U（梅特勒-托利多）PM稱重設(shè)備的轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室進(jìn)行；經(jīng)過系統(tǒng)分析后得到PN模態(tài)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 PN循環(huán)排放數(shù)據(jù)

從圖6~8 PN模態(tài)數(shù)據(jù)分析，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行DPF逐漸提升，主要是累積的碳煙占據(jù)過濾壁，提高過濾的效率。

圖7 PN循環(huán)排放數(shù)據(jù)

圖8 PN循環(huán)排放數(shù)據(jù)

在整車原排PN為3.52×1012的情況下，加裝DPF的WLTC測(cè)試結(jié)果如圖9所示。在第一次試驗(yàn)中，對(duì)PN的轉(zhuǎn)化效率只達(dá)到82%；第三次試驗(yàn)時(shí)，PN排放為2.8×1011，轉(zhuǎn)化效率為92%，大于90%設(shè)定轉(zhuǎn)化效率，最終排放值低于4.2×1011的工程設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖9 DPF捕集效率

4 結(jié)論

基于國(guó)六排放法規(guī)對(duì)輕型柴油機(jī)顆粒物排放的要求，針對(duì)某型車的排放開發(fā)目標(biāo)，設(shè)計(jì)的DPF特性進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，同時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)提供給標(biāo)定模型輸入。

通過對(duì)DPF測(cè)試發(fā)現(xiàn)：在壓差特性方面，累碳初期，壓差增加較快；主要原因是開始的碳進(jìn)入DPF過濾孔道內(nèi)，阻力迅速增加，產(chǎn)生的壓差較大；隨著累碳量的增加，壓差增加變緩。碳層在壁表面覆蓋，形成蛋糕層，基本上形成正相關(guān)的關(guān)系。測(cè)試不同入口溫度、載碳量情況下的最高溫度，確定最大碳載量。并通過WLTC排放驗(yàn)證，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化效率和PN排放滿足工程應(yīng)用目標(biāo)。

[1] 馬標(biāo),蔣茂玎,黃偉等.汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒捕集器技術(shù)應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2017 (2):13-17.

[2] GB18352.6-201.輕型汽車污染物排放限值及其檢測(cè)方法:中國(guó)Ⅵ階段[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[3] 資新運(yùn),張衛(wèi)鋒,徐正飛等. 柴油機(jī)顆粒捕集器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,34(12):143-147.

Diesel engine DPF characteristic test evaluation

Hu Shuai, Sun Ze

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

With the increasingly stringent emission regulation, the DPFaftertreatmentsystem is the main technology for the diesel engine to meet the CNⅥregulation. Base on DPF structure was designed. Backpressure and filtration efficiency were tested and evaluated on the test bench, at the beginning of carbon catch, Backpressure of DPF increase quickly and become slow after filter wall filled, The WLTC cycle emission test on a drum test bench was carried out. The results show that the particulate matter conversion efficiency of the DPFis up to 92%, and the particulate number is lower than the emission limit of 30%, the project objectives for practical application are met.

Diesel particulate filter;Backpressure;Mass soot loading;Filtration efficiency

B

1671-7988(2018)22-98-03

U467

B

1671-7988(2018)22-98-03

U467

胡帥，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.034