孟忠偉，王 維，蔣 淵，譚 杰，陳世堯，毛佳偉

(1.西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室，成都 610039；2.西華大學 汽車與交通學院 汽車測控與安全四川省重點實驗室，成都 610039；3.內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學院 智能制造系，內(nèi)江 641199； 4.重慶凱瑞偉柯斯環(huán)?？萍加邢薰?，重慶 401122；5.四川省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢測院，成都 610031)

0 概述

柴油機作為傳統(tǒng)內(nèi)燃動力，以其優(yōu)良的燃油經(jīng)濟性、可靠性和動力性受到青睞，廣泛應(yīng)用于各類輕重型車輛[1]，但其顆粒物排放遠高于汽油機，是大氣可吸入顆粒物的主要來源之一[2]。顆粒物內(nèi)含有毒有害物質(zhì)，危害人體呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)健康[3]。顆粒物排放的控制技術(shù)主要分為缸內(nèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)和缸外尾氣后處理技術(shù)[4]，催化型柴油機顆粒捕集器(catalytic diesel particulate filter, CDPF)是目前缸外降低微粒物排放最有效的裝置之一，其過濾效率可達95%以上[5]。CDPF的工作循環(huán)主要包括捕集階段和再生階段[6]。在捕集階段，顆粒物被載體內(nèi)部攔截從而沉降，但隨著載體內(nèi)捕集的顆粒數(shù)量增加，載體內(nèi)壓降增加，當壓降增加到一定程度時會影響發(fā)動機的正常工作，因此需要對載體進行再生，進入CDPF的再生階段[7]。CDPF再生技術(shù)又分為主動再生和連續(xù)再生兩種[8]，由于主動再生效率較高，且對原排溫度要求不高，目前被廣泛采用[9]。

文獻[10]中研究了排氣流量與孔形結(jié)構(gòu)等對柴油機顆粒物捕集器(diesel particle filter， DPF)壓降的影響，發(fā)現(xiàn)排氣質(zhì)量流量越大，DPF壓降越大，流場均勻性越差；大小孔和六邊形結(jié)構(gòu)均能有效降低DPF背壓損失，提高流暢均勻性和碳煙及灰分擔載量。文獻[11]中研究了排氣管噴油主動再生時起噴溫度、噴油速率等對柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst， DOC)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著DOC入口溫度和貴金屬涂層含量的提高，DOC對碳氫化合物的轉(zhuǎn)化能力提高，且貴金屬涂層含量提高，達到DPF目標再生溫度所需要的起噴溫度減小。文獻[12]中研究了DOC起燃溫度和DPF主動再生時內(nèi)部溫度場分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)DPF的主動再生可以分三個階段：起燃階段DPF入口至出口溫度依次快速升高；再生階段DPF內(nèi)部和出口溫度高于入口約50 ℃；再生結(jié)束DPF入口至出口溫度迅速降低。該研究為DPF的主動再生溫度安全控制提供了依據(jù)。文獻[9]中研究了主動再生時排氣流量、炭載量、噴油量對DPF來流溫度的影響，發(fā)現(xiàn)主動再生最佳目標溫度為600 ℃，再生溫度為600 ℃時的安全再生炭載量為 4 g/L，終止再生炭載量為 1 g/L。文獻[6-7，13-15]中研究了來流參數(shù)對CDPF壓降的影響及主動再生時顆粒物的排放特性，結(jié)果表明壓降隨來流溫度呈線性增加，且來流空速越高，增長率越高。在主動再生期間，DPF出口顆粒物濃度和粒徑分布會因為炭載量和再生溫度的協(xié)同作用而表現(xiàn)出差異。文獻[16]中從微觀角度研究了DPF載體的壓降變化，從流體動力學方面提出了一種基于穩(wěn)流試驗臺模擬和試驗相結(jié)合的測量DPF壓降的評價方法。文獻[17]中通過在用車試驗研究了怠速再生期間顆粒物質(zhì)量濃度、顆粒物數(shù)量濃度的變化。文獻[18]中研究了降怠速主動再生時DPF載體不同位置處溫度場及載體內(nèi)部峰值溫度和最大溫度梯度的變化。文獻[5, 19-22]中研究了主動再生時來流參數(shù)(流量和溫度)、再生溫度、炭載量等對再生效率的影響，結(jié)果表明：主動再生時，再生效率隨著再生溫度的上升而增加；隨再生時間的增加，能一定程度上提高再生效率；隨炭載量增加，再生效率增加，2.5 g/L炭載量時再生效率隨著流量的增加而增加，而5.0 g/L炭載量時再生效率隨流量的增加出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。關(guān)于被動再生時的再生效率方面，文獻[23]中通過研究不同材料CDPF極限被動再生特性中指出：堇青石材質(zhì)CDPF的再生效率均高于碳化硅，兩種材質(zhì)的被動再生效率均隨著炭載量的增加而逐漸降低。

上述研究探索了流量、溫度、炭載量、催化劑、降怠速再生等對DPF再生性能及其顆粒排放特性的影響規(guī)律，為掌握CDPF的工作性能及優(yōu)化CDPF再生性能奠定了基礎(chǔ)。然而在CDPF駐車怠速再生時，判斷合理的再生時機及CDPF主動再生時溫度和壓降的變化趨勢方面，現(xiàn)有研究尚不充分，不足以全面揭示CDPF怠速再生性能，有必要深入開展相關(guān)性能試驗研究，為該技術(shù)的可靠應(yīng)用和優(yōu)化奠定試驗基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)備與方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗樣機是一臺2.5 L排量直列4缸廢氣渦輪增壓中冷的國六輕型柴油機，標定功率為 105 kW(3 200 r/min)，最大轉(zhuǎn)矩為360 N·m。測功機型號為電渦流DW250，標定功率250 kW(7 000 r/min)，最大轉(zhuǎn)矩1 100 N·m。本次試驗中采用的后處理裝置具體參數(shù)見表1，其催化劑成分主要為貴金屬鉑。試驗所用顆粒為德固賽商業(yè)炭黑顆粒PU(Printex-U)，是一種常用的柴油機模擬炭黑，文獻[6,10,13,22]中均采用PU炭黑模擬柴油機顆粒物開展試驗研究。

表1 本試驗所用后處理裝置的參數(shù)

試驗測試儀器主要有K型熱電偶、壓力傳感器、LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序、干燥箱、發(fā)動機進氣質(zhì)量流量計及電子秤。K型熱電偶和壓力傳感器分別用于測量系統(tǒng)不同位置處的溫度(發(fā)動機原排、DOC入口、CDPF入口、CDPF出口)和壓力(CDPF入口)。LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序用于采集CDPF再生時的溫度和壓力變化，其中溫度的采集頻率為1 Hz，壓力的采樣頻率為5 Hz。干燥箱用于烘干CDPF載體內(nèi)的水分，為確保封裝體內(nèi)的水分完全去除，每次烘干時長不得低于3 h。發(fā)動機進氣質(zhì)量流量計采用的是TOCEIL的20N150型熱膜式發(fā)動機進氣質(zhì)量流量計，采樣頻率設(shè)定為1 Hz，精度為±1%。電子秤用于稱量加載前后和再生前后CDPF的質(zhì)量，精度為0.1 g，質(zhì)量差即炭黑顆粒加載量或再生量。再生量與加載量之比即為載體的再生效率。

本次試驗中主要使用顆粒加載裝置和發(fā)動機臺架,前者的作用僅是對CDPF載體進行炭黑顆粒的加載。研究來流溫度、空速對CDPF壓降的影響，燃燒器噴油量對CDPF入口溫度的影響及CDPF怠速再生時壓降和溫度的變化規(guī)律的試驗均在發(fā)動機臺架上完成，其中顆粒加載裝置示意圖和實物圖分別如圖1和圖2所示。裝置主要分為顆粒發(fā)生段、加載主體段和抽氣段三部分。空壓機提供高壓干燥空氣，在流量調(diào)節(jié)閥的作用下，高壓空氣進入顆粒發(fā)生器內(nèi)部，將內(nèi)部的炭黑顆粒揚起，形成均勻混合的氣溶膠；在抽氣段的作用下，氣溶膠進入CDPF載體內(nèi)，使得顆粒在載體內(nèi)的沉積，實現(xiàn)顆粒的加載[6]。文獻[6-7,13,22]中均采用此裝置對顆粒物進行快速加載，通過上述文獻可以反映此裝置對顆粒物加載具有較大的穩(wěn)定性和重復性。試驗臺架示意圖和實物圖如圖3和圖4所示。在該系統(tǒng)中，智能溫度控制(intelligent temperature control， ITC)系統(tǒng)主要是控制從油泵中噴出的燃油，提高DOC入口的溫度，從而提高CDPF的入口溫度，實現(xiàn)主動再生。

圖1 顆粒加載裝置示意圖

圖2 顆粒加載裝置實物圖

圖3 試驗臺架示意圖

圖4 試驗臺架實物圖

1.2 試驗方法

文中試驗分為三部分，均在發(fā)動機臺架上完成。試驗工況點如表2所示。為適用于不同規(guī)格的CDPF載體，文中將發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩換算成對應(yīng)的來流空速vsp和來流溫度T。首先為了判斷合理的再生時機(即炭載量的判斷)，研究了不同的炭載量條件下來流空速(工況1～15)對CDPF壓降的影響；然后研究了不同的炭載量條件下，來流溫度(工況16～30)對CDPF壓降的影響；探究了在不同來流溫度時，達到主動再生目標溫度(≥500 ℃)[11]所需最低噴油量(工況點31～50)；最后探索了CDPF怠速再生時壓降和溫度的變化規(guī)律(工況51)。

1.2.1 計算方法

表2中來流空速vsp的計算方法如式(1)所示，來流空速的單位為h-1。

表2 試驗工況表

(1)

式中，Q為進氣質(zhì)量流量，kg/h；ρ為空氣密度，kg/m3；V為CDPF載體體積，m3。

由于實驗室無排氣質(zhì)量流量計，因此采用進氣質(zhì)量流量作近似計算；因為空氣密度會隨著溫度的變化而變化，為統(tǒng)一計算，取空氣密度ρ為1.27 kg/m3；進氣質(zhì)量流量取發(fā)動機穩(wěn)定后60 s內(nèi)的平均值；計算后的來流空速取整到千位。

穩(wěn)態(tài)試驗時，CDPF載體前后端通常會出現(xiàn)一個溫度差。試驗中，盡量保證CDPF進出口溫度穩(wěn)定，并定義CDPF進出口溫度的平均值為來流溫度。

試驗中，CDPF載體出口直接排空，出口處壓力與大氣壓相當，而測量的CDPF入口壓力是相對于大氣壓的壓力，因此可以認為測得的CDPF載體入口壓力即為載體前后的壓降。

壓降擬合線斜率的升高率r計算公式如式(2)所示。

(2)

式中，K1、K2分別為CDPF炭載量為X1和X2時的壓降斜率，且X1>X2。

氣體經(jīng)過孔道產(chǎn)生的沿程壓力損失Δpf如式(3)所示。

(3)

式中，l為孔道的特征長度；dh為孔道的水力直徑；v1為孔道內(nèi)氣體的平均速度；ν為運動黏度；g為重力加速度。

流體流經(jīng)多孔介質(zhì)產(chǎn)生的壓力損失可由達西定律表示，如式(4)所示。

(4)

式中，ωs為多孔介質(zhì)的厚度；K為多孔介質(zhì)的滲透率；v2為流體流經(jīng)多孔介質(zhì)時的速度；ρ2為流體密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 來流空速對CDPF壓降的影響

當來流溫度為200 ℃時，不同的來流空速對CDPF壓降的影響如圖5所示。由圖可知，CDPF壓降隨炭載量、來流空速的增加而增加，且炭載量越大，壓降增量越大。當來流空速從11 000 h-1上升至 29 000 h-1時，不同炭載量(0 g/L、4 g/L、8 g/L)的CDPF壓降增量分別為2.6 kPa、3.6 kPa、4.0 kPa。CDPF壓降對碳煙沉積較為敏感。4 g/L和8 g/L的壓降擬合直線斜率分別為1.9×10-4kPa/h-1和2.2×10-4kPa/h-1，均大于無炭載量時的情況(斜率為1.5×10-4kPa/h-1)。當炭載量由0 g/L升至4 g/L和由4 g/L升至8 g/L時，其壓降擬合線斜率升高率分別為26.7%和15.8%，升高率逐漸降低。根據(jù)文獻[24-29]分析其原因可知：空速和炭載量均是CDPF壓降的影響因素。CDPF的壓降主要由尾氣流經(jīng)CDPF出入口孔道產(chǎn)生的沿程壓力損失和其通過顆粒層和CDPF通道壁面產(chǎn)生的壓力損失4項組成，其中沿程壓力損失可由式(3)表示。而尾氣通過顆粒層和壁面的流動近似看成流體通過多孔介質(zhì)的流動，其產(chǎn)生的壓力損失可由式(4)表示。當來流空速增加時，尾氣在CDPF孔道內(nèi)的流速v1和其經(jīng)過多孔介質(zhì)(即顆粒層和CDPF通道壁面)的速度v2均增加，由式(3)和式(4)可知，上述CDPF壓降的4項組成均增加。綜上，隨著空速的增加，CDPF的總壓降增加。而隨著炭載量的增加，CDPF載體通道壁面沉積的顆粒層厚度ωs增加，滲透率K降低[30]。由式(4)可知，當顆粒層厚度ωs增加及滲透率K降低時，尾氣經(jīng)過顆粒層產(chǎn)生的壓力損失會增加，所以隨著炭載量的增加，CDPF的總壓降也增加。兩者共同作用下CDPF的壓降增加得更加明顯。隨炭載量增加，CDPF內(nèi)部沉積顆粒物數(shù)量增加，沉積顆粒層厚度增加，根據(jù)文獻[31-32]可知壓降變化呈現(xiàn)深床過濾期—過渡期—顆粒層期三階段，尤其在第一階段期間壓降增加較為明顯，即隨顆粒沉積量增加，壓降增加較為迅速，而過渡期和顆粒層期壓降隨沉積量的變化較平緩。

圖5 來流溫度為200 ℃時，不同炭載量下來流空速對 CDPF壓降的影響

2.2 來流溫度對CDPF壓降的影響

當來流空速為11 000 h-1時，不同的來流溫度對CDPF壓降的影響如圖6所示。由圖可知，不同炭載量的CDPF壓降均隨來流溫度的升高而升高，基本呈線性關(guān)系。分析其原因：當炭載量和來流空速一定時，尾氣在CDPF孔道內(nèi)的流速v1和通過多孔介質(zhì)時的速度v2、CDPF孔道長度l、滲透率K及多孔介質(zhì)的厚度ωs等均不變。當溫度上升時，根據(jù)流體力學的基本規(guī)律，分子本身無規(guī)則的熱運動加劇，碰撞更加頻繁，從而導致運動黏度ν的增加。由式(3)和式(4)可知，CDPF總壓降的4項組成(即尾氣經(jīng)過CDPF入口、出口孔道產(chǎn)生的沿程壓力損失及尾氣經(jīng)過顆粒層和CDPF通道壁面產(chǎn)生的壓力損失)均會增加，所以CDPF的總壓降Δp增加。而在不同炭載量和來流空速時，上述各參數(shù)(如K、v1等)也隨之發(fā)生變化，但這一變化趨勢是相同的，即當炭載量和來流空速一定時，隨來流溫度升高CDPF壓降增加。

圖6 來流空速為11 000 h-1時，不同炭載量下來流溫度對 CDPF壓降的影響

2.3 燃燒器噴油量與CDPF入口溫度的關(guān)系

當來流空速為1 1000 h-1、CDPF炭載量為 0 g/L 時，在不同來流溫度T條件下，燃燒器噴油量對CDPF入口溫度的影響如圖7所示。由圖可知，燃燒器噴油量與CDPF入口溫度基本呈線性關(guān)系。不同來流溫度下，CDPF入口溫度升高率在 1.74 ℃/(mg·s-1)～2.20 ℃/(mg·s-1) 范圍內(nèi)變化，即燃燒器噴油量平均增加10 mg/s(9.1 mg/s～11.5 mg/s)，CDPF入口溫度增加20 ℃左右。當來流溫度由180 ℃上升至 200 ℃ 時，達到主動再生目標溫度所需的燃燒器噴油量分別為 170 mg/s 和 120 mg/s,燃燒器噴油量降低50 mg/s。燃燒器噴油量大幅降低。主要原因是當來流溫度升高時，提升來流到相同溫度所需投入的能量也將逐漸降低。當來流溫度達到200 ℃時，極大地增強了DOC中催化劑的活性[15]，氧化了來流尾氣中總碳氫化合物(total hydrocarbon, THC)、可溶性有機物(soluble organic fraction， SOF)等成分，釋放出了大量的熱，進一步降低了所需的能量。

圖7 來流空速為11 000 h-1時，不同來流溫度T下燃燒器 噴油量對CDPF入口溫度的影響

獲得燃燒器噴油量與CDPF入口溫度的關(guān)系后，通過測量DOC入口、CDPF入口和CDPF出口溫度，自動控制燃燒器噴油量，逐漸升高CDPF入口溫度，實現(xiàn)其主動再生。

2.4 CDPF怠速再生時壓降和溫度的變化規(guī)律

空速11 000 h-1、來流溫度T=120 ℃、炭載量8 g/L時，CDPF怠速再生過程中溫度和壓降變化如圖8所示。試驗采用鋸齒形的方式進行升溫，如圖8所示，在下達再生指令后，ITC系統(tǒng)采用比例-微分-積分(proportional-integral-differential， PID)控制方式實時監(jiān)控并反饋DOC入口、CDPF入口和CDPF出口溫度，同時控制燃燒從油氣泵集成中噴出的燃油，燃燒器噴油量采用“定噴+反饋”的控制模式，即每次的噴油量是由一個固定值和一個反饋值共同決定，其中反饋值是由實時監(jiān)控的CDPF入口溫度和出口溫度決定。燃燒器燃燒燃油，會釋放出大量的THC和熱量，以此提高后方尾氣流溫度。例如當DOC入口溫度為450 ℃時，CDPF出口溫度較低，為避免載體出現(xiàn)較大的溫差，需在一段時間內(nèi)降低噴油量甚至停止噴油，使得CDPF前端的熱量逐步傳遞到后端，減小載體的溫差，此段時間即為噴油間隔期。如圖8所示，DOC入口溫度曲線上每相鄰峰值點和低谷點之間歷經(jīng)的時間即為噴油間隔期，圖8中示范性地標注了3個。在間隔期間，由于載體的傳熱滯后效應(yīng)，CDPF出口溫度仍然是逐漸上升的，當CDPF前后溫差較小時，采用上述控制策略繼續(xù)提升CDPF出入口溫度。因此在圖8中，DOC和CDPF的入口溫度均呈現(xiàn)鋸齒形波動，而CDPF出口溫度出現(xiàn)緩慢上升的趨勢。此種控制方式相對于常規(guī)噴油輔助主動再生控制策略有兩點好處：一方面有利于降低CDPF前后溫差，避免載體內(nèi)部出現(xiàn)較大的溫度梯度及載體損壞等情況，提升安全性；另外一方面也可以適當?shù)亟档陀秃?，提升?jīng)濟性。

圖8 CDPF怠速主動再生時的溫度和壓降曲線

炭載量對CDPF的主動再生性能具有較大影響，為了考察ITC系統(tǒng)的溫度控制效果，在極限情況(空速為11 000 h-1、來流溫度T=120 ℃和炭載量為 8 g/L)下，開展了排氣管噴油輔助的CDPF的怠速主動再生試驗。試驗結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可知：CDPF主動再生存在快速氧化期。當再生時間持續(xù)1 000 s即CDPF出口溫度達到478 ℃后，CDPF出口溫度明顯快速上升，并達到峰值579 ℃，整個過程持續(xù)約84 s。溫度快速上升是因為沉積的顆粒物迅速氧化燃燒，熱量得到快速釋放，使得CDPF出口溫度快速上升。此階段即為CDPF內(nèi)部沉積炭黑的快速氧化期。此后出口溫度逐漸下降至550 ℃，直到再生結(jié)束，這是由于沉積的顆粒物數(shù)量逐漸減少，進入顆粒物的緩慢氧化期。CDPF出口高溫(≥500 ℃)時長約為534 s。

由圖8還可看出，伴隨著快速氧化期，CDPF壓降開始明顯下降，也進一步印證了快速氧化期[31]可將大量的沉積顆粒快速氧化，使壓降迅速下降，最終再生效率為90.55%。

此外，由圖8還可以看出，在升溫到500 ℃之前，控制CDPF入口溫度鋸齒形上升，使得當CDPF入口溫度下降時，由于CDPF前端熱量逐漸傳遞至后端的滯后性，其出口溫度并未立即下降，而只是減緩上升趨勢，這有利于降低進出口溫度差，避免載體內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度。

3 結(jié)論

(1) 來流空速和來流溫度與CDPF的壓降基本近線性相關(guān)，隨來流空速、溫度的增加而增加。

(2) CDPF壓降對碳煙沉積較為敏感?？账僮兓膲航禂M合線的斜率隨著炭載量的增加而上升，但其斜率的升高率逐漸降低。

(3) CDPF入口溫度與燃燒器噴油量基本線性相關(guān)，即噴油量平均增加約10 mg/s，CDPF入口溫度可以提高20 ℃左右，提高來流溫度可以明顯降低燃燒器噴油量。

(4) 高炭載量載體的主動再生存在明顯的快速氧化期，炭黑顆粒會在此階段快速氧化燃燒，CDPF壓降迅速下降。鋸齒形溫度控制有利于降低CDPF進出口溫度差，CDPF主動再生效率可達90.55%。