張全長(zhǎng)，馮斌，陳貴升，陳家洪，李青，彭益源

（1.湖南大學(xué)先進(jìn)動(dòng)力總成技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410082；2.昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500；3.云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司，昆明 650501）

0 概述

壁流式柴油機(jī)顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）是柴油機(jī)滿(mǎn)足國(guó)六排放法規(guī)顆粒物（particulate matter，PM）及顆粒物數(shù)量（particle number，PN）限值要求的必需手段［1］。催化型柴油機(jī)顆粒物捕集器（catalytic diesel particulate filter，CDPF）通過(guò)在載體內(nèi)部涂覆鉑、鈀等貴金屬催化劑降低碳煙氧化反應(yīng)的活化能，在柴油機(jī)正常排溫下（280℃左右）可實(shí)現(xiàn)載體被動(dòng)再生［2］。而CDPF在實(shí)際工程應(yīng)用中只有當(dāng)碳煙氧化速率高于碳煙捕集速率時(shí)才是有效氧化再生，被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度就是該競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的分水嶺。

CDPF技術(shù)在歐美等國(guó)家相對(duì)成熟，其中薄壁、高孔格密度（47個(gè)/cm2）、涂覆貴金屬催化劑的新型CDPF是國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)后處理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［3-5］中研究表明非對(duì)稱(chēng)孔道結(jié)構(gòu)可以有效加快CDPF再生反應(yīng)進(jìn)程，有效降低CDPF壓降并延長(zhǎng)其使用壽命；文獻(xiàn)［6］中對(duì)六邊形孔道及四邊形孔道DPF再生特性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明六邊形孔道DPF再生速率較快，熱應(yīng)力較小，可以降低DPF主動(dòng)再生頻率；文獻(xiàn)［7］中提出根據(jù)DPF內(nèi)部顆粒分布不均勻性對(duì)催化劑涂覆策略進(jìn)行分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［8］中進(jìn)行了不同催化劑涂覆區(qū)域策略研究，實(shí)現(xiàn)了CDPF快速高效再生；文獻(xiàn)［9］中分析研究了CDPF進(jìn)口條件等對(duì)催化效率的影響，并根據(jù)催化效率選擇催化劑涂覆量大?。晃墨I(xiàn)［10］中提出排氣溫度、流量、NO2/PM比例等因素控制是實(shí)現(xiàn)CDPF安全高效再生的關(guān)鍵；文獻(xiàn)［11］中發(fā)現(xiàn)CDPF在300℃～400℃溫度窗口時(shí)再生速率最快；文獻(xiàn)［12］中則研究了入口溫度為550℃時(shí)，CDPF在不同炭載量下高溫極限被動(dòng)再生特性；文獻(xiàn)［13］中研究了硫含量對(duì)CDPF被動(dòng)再生過(guò)程的影響，并研究了其對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性及排放性的影響；文獻(xiàn)［14］中通過(guò)仿真模擬研究了灰分沉積對(duì)CDPF被動(dòng)再生特性的影響；文獻(xiàn)［15］中對(duì)比研究了碳化硅（SiC）與鈦酸鋁CDPF再生性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明鈦酸鋁材料的最高溫度和最大溫度梯度承受極限遠(yuǎn)高于SiC CDPF。

綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究?jī)?nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前針對(duì)小缸徑柴油機(jī)（低排溫）不同材料CDPF低溫被動(dòng)再生特性的研究尚有待深入。通過(guò)構(gòu)建D30 TCI柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，以面向國(guó)六的新型CDPF為研究對(duì)象，研究了CDPF被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度及其關(guān)鍵影響因素，對(duì)比分析了SiC及堇青石CDPF低溫被動(dòng)再生特性，可為國(guó)六CDPF工程應(yīng)用提供科學(xué)理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)裝置

通過(guò)搭建臺(tái)架進(jìn)行了SiC與堇青石CDPF被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度及其被動(dòng)再生試驗(yàn)，測(cè)評(píng)了柴油機(jī)氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）新鮮件與老化件對(duì)SiC CDPF再生平衡點(diǎn)溫度的影響。DOC新鮮件與老化件的實(shí)物圖如圖1所示。柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)、臺(tái)架試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備及DOC和CDPF相關(guān)參數(shù)如表1～表3所示。試驗(yàn)中，各材料載體的再生前炭載量均為5 g/L，碳煙加載工況點(diǎn)為轉(zhuǎn)速1 200 r/min、轉(zhuǎn)矩120 N·m，不透光煙度值8%。

表1 D30 TCI發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表3 DOC和CDPF相關(guān)參數(shù)

圖1 DOC實(shí)物圖

DOC和CDPF內(nèi)部熱電偶的布置方案分別如圖2、圖3所示。DOC內(nèi)布置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)，a點(diǎn)為圓心，b、c、d、e在距a點(diǎn)1/2R（R為DOC半徑，R=85 mm）的上、下、左、右位置，熱電偶徑向距離DOC出口端面20 mm。CDPF內(nèi)布置了9個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3為前段溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6為中段溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)7～測(cè)點(diǎn)9為后段溫度測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)7為靠近載體中心的內(nèi)圈測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)8為中圈測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)9為外圈測(cè)點(diǎn)，內(nèi)圈、中圈、外圈分別距載體中心R/8、R/2、7R/8，具體布置方案如圖3所示。

圖2 DOC內(nèi)部熱電偶布置示意圖

圖3 CDPF內(nèi)部熱電偶布置示意圖

表2 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 載體材料對(duì)CDPF被動(dòng)再生平衡點(diǎn)影響

選用DOC新鮮件開(kāi)展了兩種載體材料的被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度特性試驗(yàn)，試驗(yàn)中堇青石和碳化硅CDPF均在5 g/L炭載量下進(jìn)行。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為2 000 r/min，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)矩（80 N·m～255 N·m）改變CDPF入口溫度，控制CDPF入口溫度在235℃～355℃，每次增加20℃，每個(gè)溫度的穩(wěn)定時(shí)間為15 min，CDPF壓降最大值對(duì)應(yīng)的入口溫度為再生平衡點(diǎn)溫度。

圖4為不同載體被動(dòng)再生溫度平衡點(diǎn)。由圖4可知，各載體再生過(guò)程中入口溫度一致，整體誤差在5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足試驗(yàn)精度要求。各載體再生試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量在入口溫度295℃～325℃區(qū)間內(nèi)發(fā)生了突變，這是由于試驗(yàn)中所用測(cè)功機(jī)為水力測(cè)功機(jī)，調(diào)節(jié)CDPF入口溫度時(shí)轉(zhuǎn)矩調(diào)整過(guò)快致使進(jìn)氣流量突變。SiC CDPF壓降整體上高于堇青石CDPF。

圖4 不同載體被動(dòng)再生溫度平衡點(diǎn)

SiC CDPF在溫度低于295℃時(shí)碳煙的累積速率大于氧化速率，壓降隨溫度上升而增加；當(dāng)SiC CDPF入口溫度穩(wěn)定在295℃時(shí)，碳煙的氧化速率大于累積速率，壓降開(kāi)始下降；繼續(xù)提高溫度，SiC CDPF壓降明顯下降。堇青石CDPF在溫度低于310℃時(shí)，壓降隨溫度的升高而升高，此時(shí)碳煙累積速率大于其氧化速率；310℃時(shí)壓降達(dá)到峰值；溫度繼續(xù)升高時(shí)，壓降下降。即SiC CDPF和堇青石CDPF的連續(xù)再生平衡點(diǎn)溫度分別約為295℃和310℃，說(shuō)明SiC CDPF低溫被動(dòng)再生特性更優(yōu)。再生平衡點(diǎn)溫度附近，兩種材料CDPF入口溫度、壓降、進(jìn)氣量三者均保持較高值。

DOC內(nèi)部的高比表面積涂層可提高鉑/鈀貴金屬擴(kuò)散位，促進(jìn)氧化反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而可將排氣中大部分NO氧化為NO2，最終NO2在較低的溫度條件下將CDPF內(nèi)碳煙氧化。檢測(cè)DOC內(nèi)部溫度變化可以保證DOC內(nèi)部提供氧化反應(yīng)熱量的一致性。圖5為各CDPF前端布置的DOC內(nèi)部溫度場(chǎng)分布。由圖5可知，各方案下DOC內(nèi)部溫度升溫趨勢(shì)及溫度值均保持了同一水平；DOC內(nèi)部溫度分布總體上呈現(xiàn)中心略高四周略低的趨勢(shì)，但整體誤差不超過(guò)8℃，較好地滿(mǎn)足了CDPF入口溫度在橫截面上的分布均勻性。

載體內(nèi)部溫度變化可以直接決定其被動(dòng)再生效率，載體的內(nèi)部溫度分布可以反映出其被動(dòng)再生特性的差異。圖6為各CDPF內(nèi)部溫度場(chǎng)。由圖6可知，各載體內(nèi)部溫度軸向上總體呈現(xiàn)出依次升高的趨勢(shì)，在徑向上呈現(xiàn)出中心圈溫度最高而外圈最低的規(guī)律。這是由于CDPF在碳煙加載過(guò)程中受排氣氣流影響，使得碳煙更傾向于優(yōu)先沉積在載體后端［16］，載體后端的碳煙氧化再生時(shí)會(huì)釋放更多熱量，故載體內(nèi)部末端溫度升高。而由于外界環(huán)境與載體有較大溫差，載體從中心不斷地向外界散發(fā)熱量，使得載體內(nèi)部從中心到外圈的溫度不斷下降。

圖6 各CDPF內(nèi)部溫度場(chǎng)

圖7為CDPF穩(wěn)定再生時(shí)的二維平面溫度分布圖。由圖7可知，各個(gè)載體在徑向上有較大溫差，整體上呈現(xiàn)從載體中心到四周的溫度逐漸降低的趨勢(shì)；載體溫度沿軸向上略有逐漸升高的趨勢(shì)，且SiC CDPF載體后端的溫度最高。這是由于SiC載體材料導(dǎo)熱系數(shù)更大，相同厚度時(shí)其熱阻更低，孔道之間的熱傳遞較好，使大量熱量積聚在載體進(jìn)氣孔道后端；此外載體后端碳煙沉積更多，再生時(shí)釋放更多熱量，使得其溫度提高。

圖7 載體材料對(duì)CDPF內(nèi)部溫度分布的影響

完成載體被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度的試驗(yàn)后，保持載體入口溫度為355℃，使載體繼續(xù)進(jìn)行被動(dòng)再生反應(yīng)，當(dāng)載體壓降不再發(fā)生變化時(shí)認(rèn)為載體內(nèi)部沉積的碳煙已經(jīng)再生完畢，將載體拆下稱(chēng)熱重來(lái)計(jì)算其再生效率。圖8為各CDPF再生效率對(duì)比。由圖8可知，堇青石CDPF再生效率最高，為89.4%，SiC CDPF再生效率為82.1%（試驗(yàn)所用的精密電子稱(chēng)重儀精度為0.01，所以本文中再生效率誤差小于2%）。堇青石載體孔隙率和熱容更高且導(dǎo)熱系數(shù)更低，在載體材料厚度一定的條件下，會(huì)產(chǎn)生較大的熱阻，熱量更容易在載體內(nèi)積聚，不易向外界擴(kuò)散（見(jiàn)圖4），溫度的升高可使得貴金屬催化劑活性提高，更大程度降低NO2氧化碳煙的反應(yīng)活化能，此外由于NO2氧化碳煙時(shí)為放熱反應(yīng)，溫度提高也可促進(jìn)氧化反應(yīng)進(jìn)行，所以使得堇青石載體再生速率略高。

圖8 各CDPF再生效率對(duì)比

2.2 DOC對(duì)CDPF被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)原排氣中只有少量的NO2，不足以提供CDPF被動(dòng)再生反應(yīng)，DOC內(nèi)部通過(guò)催化劑將NO氧 化 成NO2，增 大NO2/NO的 質(zhì) 量 比，為CDPF被動(dòng)再生提供良好的NO2氛圍；還可通過(guò)氧化HC和CO以提升CDPF入口溫度，提高CDPF催化被動(dòng)再生效率。因此，DOC對(duì)于CDPF被動(dòng)再生極為重要。本小節(jié)針對(duì)DOC對(duì)SiC CDPF被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度的影響進(jìn)行探究（試驗(yàn)工況等同前文）。

圖9為DOC對(duì)CDPF被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度的影響。由圖9可知，CDPF前端無(wú)DOC時(shí)，載體壓降前期均隨著入口溫度的升高而升高，壓降在入口溫度355℃時(shí)達(dá)到最大之后開(kāi)始下降，說(shuō)明此時(shí)被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度約為355℃；同理，CDPF前端加裝1#DOC、2#DOC時(shí)被動(dòng)再生平衡點(diǎn)均約為295℃；但CDPF入口溫度高于310℃時(shí)，載體前端加裝1#DOC時(shí)其壓降下降速率遠(yuǎn)高于加裝2#DOC。這是由于載體前端不加裝DOC時(shí)，載體內(nèi)部NO2補(bǔ)充不及時(shí)，降低了碳煙氧化速率，使得被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度有較大提高；相同發(fā)動(dòng)機(jī)工況條件下，載體的壓降主要受炭載量影響，而2#DOC已經(jīng)經(jīng)過(guò)耐久性試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程排氣中硫化物及鋅、磷和鈣的化合物積聚在內(nèi)部催化劑表面，會(huì)降低2#DOC內(nèi)部的貴金屬催化劑活性，導(dǎo)致CDPF被動(dòng)再生速率下降，使得載體壓降更高。

圖9 DOC對(duì)CDPF被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度的影響

圖10為CDPF再生試驗(yàn)過(guò)程中其內(nèi)部溫度分布特性，載體在徑向上內(nèi)圈與中圈溫差較小，而中圈與外圈有較大溫差。這是由于載體內(nèi)圈與中圈主要是載體內(nèi)部熱傳遞，熱量損失較小，而載體外圈封裝結(jié)構(gòu)與大氣環(huán)境之間有較大溫差，外圈大量熱量向大氣擴(kuò)散，使得載體在徑向上中圈與外圈有較大溫差。CDPF前端無(wú)DOC時(shí)其內(nèi)部溫度較其他兩種方案溫差較大，溫度分布均勻性較差，這是由于DOC為蜂窩式孔道結(jié)構(gòu)，氣流通過(guò)DOC時(shí)其孔道還具有整流作用，使得流入CDPF的氣流在橫截面上溫度分布更為均勻，而無(wú)DOC時(shí)氣流受湍流作用，流入后端CDPF的排氣流溫度分布均勻性較差，導(dǎo)致CDPF內(nèi)部溫度徑向上及軸向上溫差較大。

圖10 DOC對(duì)CDPF內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響

分析載體二維平面上的溫度分布對(duì)探究其被動(dòng)再生特性的差異性可以起到很好的佐證作用。圖11所示為DOC對(duì)CDPF內(nèi)部溫度分布的影響。由圖11可知，各方案下CDPF在徑向上有較大溫差，CDPF前端加裝1#DOC、2#DOC時(shí)徑向溫差分別約為15℃、10℃，而載體前端未加裝DOC時(shí)徑向上溫差達(dá)到約20℃，說(shuō)明DOC對(duì)于載體內(nèi)部溫度分布均勻性具有重要作用。軸向上CDPF前端加裝1#DOC時(shí)溫度分布均勻性最好，且整體上載體溫度高于加裝2#DOC，這是由于前者載體內(nèi)部氧化再生放熱作用更強(qiáng)。

圖11 DOC對(duì)CDPF內(nèi)部溫度分布的影響

圖12為3種試驗(yàn)方案下CDPF被動(dòng)再生效率對(duì)比。CDPF前端加裝1#DOC時(shí)被動(dòng)再生效率最高（89.1%），加裝2#DOC時(shí)居中（77.3%），載體前端無(wú)DOC時(shí)被動(dòng)再生效率僅為5.0%，降低了93.5%。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中NO2含量極低，僅約占NOx的十分之一，載體前端無(wú)DOC時(shí)僅靠排氣中NO2遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以供碳煙氧化再生反應(yīng)使用，雖然CDPF內(nèi)部同樣涂覆了貴金屬催化劑可氧化少量NO，但載體炭載量為5 g/L時(shí)大部分催化劑被碳煙濾餅層覆蓋，極大地減少了與NO接觸面積，載體內(nèi)部NO2缺乏，導(dǎo)致其再生效率極低；而1#DOC、2#DOC通過(guò)氧化NO為CDPF再生不斷地提供充足氧化劑NO2，保證碳煙再生反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。2#DOC為老化載體，內(nèi)部催化劑活性降低，導(dǎo)致CDPF再生效率有所下降。

圖12 DOC對(duì)CDPF再生效率的影響

3 不同載體材料低溫被動(dòng)再生特性研究

選擇DOC新鮮件進(jìn)行SiC CDPF與堇青石CDPF在入口溫度為325℃、炭載量為5 g/L時(shí)的低溫被動(dòng)再生特性研究，圖13為兩種載體再生過(guò)程CDPF壓降的變化趨勢(shì)。再生過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量總體上保持一致，兩種載體的入口溫度也保持良好的一致性。此時(shí)影響載體壓降變化的主要因素為載體被動(dòng)再生速率。圖13反映出堇青石CDPF載體壓降降低速率明顯高于SiC CDPF，說(shuō)明其被動(dòng)再生速率更高。此外，堇青石CDPF載體的壓降在前期迅速降低，之后基本維持水平。SiC CDPF載體壓降以同一速率持續(xù)下降，再生結(jié)束時(shí)，堇青石CDPF壓降略低于SiC CDPF載體。這是由于堇青石CDPF導(dǎo)熱系數(shù)更小，會(huì)產(chǎn)生更高熱阻，導(dǎo)熱性更差，再生時(shí)熱量不能及時(shí)向四周擴(kuò)散，載體內(nèi)部的熱量有較高的累積，利于碳煙燃燒，從而促進(jìn)載體被動(dòng)再生，再生速率提高。

圖13 載體材料對(duì)CDPF被動(dòng)再生時(shí)壓降的影響

DOC內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻性對(duì)CDPF再生特性具有重要影響，圖14、圖15分別為SiC和堇青石CDPF前端DOC內(nèi)部溫度。1#CDPF與2#CDPF載體被動(dòng)再生時(shí)其前端的DOC內(nèi)部溫度升溫趨勢(shì)及內(nèi)部溫差較小，總體溫度波動(dòng)在10℃以?xún)?nèi)，整體上保持了較好的一致性。

圖14 SiC CDPF前端DOC內(nèi)部溫度

圖15 堇青石CDPF前端DOC內(nèi)部溫度

圖16為SiC CDPF與堇青石CDPF再生時(shí)其內(nèi)部溫度場(chǎng)分布特性。兩種載體內(nèi)部溫度的空間分布趨勢(shì)保持一致，載體在徑向上溫度分布為內(nèi)圈溫度最高，外圈溫度最低。SiC載體中心與外圈溫差達(dá)16℃以上，而堇青石載體中心與外圈溫差只有7℃。堇青石CDPF載體內(nèi)部溫度分布更為均勻，且載體內(nèi)部峰值溫度略高，但是SiC載體熱膨脹系數(shù)高，導(dǎo)熱性好，來(lái)流溫度在其內(nèi)部積累不足，熱量向外擴(kuò)散，所以導(dǎo)致外圈與內(nèi)圈溫差較大。

圖16 CDPF再生時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)

圖17所示為兩種載體再生效率和再生速率對(duì)比。SiC CDPF載體被動(dòng)再生效率為48.9%，再生速率為2.9 g/h；堇青石CDPF載體被動(dòng)再生效率為75.2%，再生速率為11.5 g/h。后者再生效率、再生速率分別提高26.3%、8.6 g/h。這主要是由于載體被動(dòng)再生時(shí)需要有充足的熱量供給，堇青石載體熱容更高，導(dǎo)熱系數(shù)更低，材料厚度一定時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的熱阻，熱量更容易在載體內(nèi)積聚，不易向外界擴(kuò)散，蓄熱能力更強(qiáng)，使得載體中心與外圈保持較低溫差（見(jiàn)圖14），促進(jìn)載體被動(dòng)氧化再生，提高其再生效率及再生速率。

圖17 不同材料CDPF被動(dòng)再生特性的影響

4 結(jié)論

（1）炭載量為5 g/L時(shí)，SiC和堇青石載體CDPF被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度分別約為295℃、310℃，炭載量、DOC老化件對(duì)CDPF被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度無(wú)明顯影響，但DOC老化件會(huì)導(dǎo)致CDPF被動(dòng)再生效率下降。

（2）SiC CDPF前端未加裝DOC時(shí)，其被動(dòng)再生平衡點(diǎn)溫度上升至約355℃，且導(dǎo)致CDPF內(nèi)部溫度在軸向上及徑向上產(chǎn)生較大溫差，大幅降低了其被動(dòng)再生效率（僅為5%）。

（3）炭載量5 g/L、入口溫度325℃被動(dòng)再生時(shí)，堇青石CDPF內(nèi)部溫度分布更加均勻。SiC CDPF被動(dòng)再生效率僅為48.9%，再生速率為2.9 g/h；堇青石CDPF被動(dòng)再生效率為75.2%，再生速率為11.5 g/h。后者在該溫度附近再生特性更優(yōu)。