摘要： 柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)頻繁怠速再生，這種不正常再生是導(dǎo)致DPF高溫?zé)训闹饕颍瑢?dǎo)致DPF可靠性降低。針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)搭建燃燒器臺(tái)架對(duì)堇青石DPF進(jìn)行重復(fù)性降怠速（DTI）測(cè)試，探究了相同碳載量及再生工況下DPF再生的一致性，通過(guò)DPF載體內(nèi)部的溫度分布、PN排放特性以及最終CT掃描結(jié)果，評(píng)估了DPF的耐久性及堅(jiān)固性。結(jié)果表明：30次DTI測(cè)試中，DPF內(nèi)部溫度分布不均勻，峰值溫度出現(xiàn)在靠近載體出口端，DPF從中心到邊緣位置溫度逐漸降低，載體邊緣處出現(xiàn)較大的溫度梯度；30次DTI后載體PN排放未見(jiàn)明顯升高，距國(guó)六限值仍有較大裕量；CT掃描未見(jiàn)明顯裂痕。

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī)顆粒捕集器；降怠速；再生；可靠性；溫度分布

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.005

中圖分類號(hào)： TK421.5" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B" 文章編號(hào)： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００34 ０5

柴油機(jī)具有高效、可靠及動(dòng)力強(qiáng)勁等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中大型運(yùn)輸汽車(chē)和工程機(jī)械中^{［1 2］}。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，顆粒物排放大大限制了柴油機(jī)的應(yīng)用，與同等排量的汽油機(jī)相比，柴油機(jī)顆粒排放量是前者的30～80倍^{［3 4］}。加裝柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）是目前降低PN排放最有效的手段之一，隨著DPF長(zhǎng)時(shí)間的使用，沉積在DPF內(nèi)部的碳煙過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致排氣背壓升高，因此需要對(duì)DPF進(jìn)行及時(shí)再生，DPF主要的再生方式分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩種^{［5 8］}。

DPF再生主要受到排氣溫度和排氣流量的影響，在某些極端工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可能會(huì)降怠速（dropping to idle，DTI），此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量會(huì)突然降低，當(dāng)排氣溫度較高時(shí)，碳煙發(fā)生氧化反應(yīng)，較低的排氣流量不能及時(shí)將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走，此時(shí)熱量聚集很容易導(dǎo)致DPF產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力，當(dāng)DPF內(nèi)部聚集的碳煙數(shù)量較多時(shí)，DPF很容易發(fā)生燒熔現(xiàn)象^{［9 11］}。針對(duì)DPF再生機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。Z. W. MENG 等^［12］采用商業(yè)碳黑系統(tǒng)，探討了不同載體材質(zhì)對(duì)DPF再生的影響，結(jié)果表明，隨著排溫的增加，DPF峰值溫度和最大溫度梯度呈現(xiàn)先緩后急的增加趨勢(shì)。V. D. SARLI 等^［13］研究了碳載量及催化劑對(duì)DPF再生的影響，結(jié)果表明：在高碳載量下再生時(shí)，碳煙劇烈燃燒，短時(shí)間內(nèi)載體內(nèi)部會(huì)快速升溫。唐蛟等^［14］通過(guò)增加怠速排氣流量的方法，使高溫氣流快速通過(guò)DPF，從而降低峰值溫度。R. SHANKAR等^［15］通過(guò)實(shí)車(chē)道路進(jìn)行DTI測(cè)試，結(jié)果表明：緩慢降怠速可使再生過(guò)程平順，從而降低峰值溫度，達(dá)到延長(zhǎng)DPF使用壽命的目的。黃鐵雄等^［16］基于DTI方法確定了載體安全再生的試驗(yàn)方法，但未進(jìn)一步通過(guò)排放驗(yàn)證DPF的可靠性判定。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外針對(duì)DPF的研究主要集中在再生策略的控制方面，極限再生DTI測(cè)試也多搭載發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行。由于DPF實(shí)車(chē)驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，搭載發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行多次重復(fù)DTI測(cè)試會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，長(zhǎng)期碳煙加載工況會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)積碳，因此國(guó)內(nèi)對(duì)于考察DPF可靠性的重復(fù)性DTI試驗(yàn)很少見(jiàn)。

本研究通過(guò)燃燒器搭載DPF的測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)DPF碳煙快速加載及降怠速再生測(cè)試，考核在30次DTI耐久測(cè)試后DPF載體性能，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試以及CT掃描手段分析DPF過(guò)濾性能及可靠性，以期為DPF生命周期內(nèi)的安全再生策略制定提供參考。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 燃燒器臺(tái)架

發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期加載碳煙會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)損壞風(fēng)險(xiǎn)，采用燃燒器碳煙加載裝置可模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的碳煙顆粒，該設(shè)備加注0號(hào)柴油。設(shè)備參數(shù)如表1 所示，該設(shè)備發(fā)碳速率穩(wěn)定，每次加載碳煙工況保證相同的流量和溫度，且DPF安裝位置固定，可提高每次測(cè)試的碳煙加載一致性。碳煙加載前后在200 ℃以上環(huán)境中稱重，確保稱重過(guò)程中沒(méi)有冷凝水導(dǎo)致的質(zhì)量誤差。

碳煙加載后，采用柴油燃燒器臺(tái)架進(jìn)行重復(fù)DTI測(cè)試，該臺(tái)架流量由變頻風(fēng)機(jī)控制，流量范圍為0～2 100 kg/h，溫度范圍為室溫至1 100 ℃，可集成NOx傳感器及尿素噴射裝置等排放設(shè)備。DPF在臺(tái)架上安裝位置如圖1所示。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架

DPF測(cè)試前后以及每10次DTI后需要進(jìn)行排放測(cè)試，試驗(yàn)采用的排放測(cè)試設(shè)備為AVL489，發(fā)動(dòng)機(jī)為9.7 L重型柴油機(jī)，通過(guò)對(duì)測(cè)試前后DPF的顆粒物數(shù)量進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，從而判斷DPF是否失效。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。

1.3 CDPF參數(shù)及熱電偶布置

試驗(yàn)采用帶涂覆的堇青石CDPF，測(cè)試前將全新的載體在燃燒器上以650 ℃對(duì)催化劑進(jìn)行激活，測(cè)試中采用兩個(gè)同規(guī)格CDPF，一個(gè)用于前期摸底，一個(gè)用于正式測(cè)試，CDPF參數(shù)如表3所示。

CDPF溫度測(cè)定采用Φ0.5 mm的K型熱電偶，前期摸底主要為了得知DPF出現(xiàn)最高溫度及最大溫度梯度最多的半徑方向，同時(shí)得到合適的碳載量范圍，確保DPF再生時(shí)最大溫度處于1 000～1 100 ℃之間。經(jīng)過(guò)大量摸底測(cè)試后，正式試驗(yàn)中根據(jù)摸底測(cè)試中最高溫度及梯度出現(xiàn)最多的方向，布置30根熱電偶，如圖2所示，軸向分為4個(gè)深度，徑向布置6個(gè)熱電偶，分別測(cè)量軸向及徑向溫度梯度。

1.4 試驗(yàn)方法

碳煙加載前后對(duì)CDPF進(jìn)行預(yù)熱并保持200 ℃以上的溫度進(jìn)行稱重，待碳煙加載完畢將CDPF安裝在燃燒器臺(tái)架上進(jìn)行降怠速再生試驗(yàn)，測(cè)試完成后將殘留的碳煙再生并與CDPF初始質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)完全再生后，進(jìn)行下一次測(cè)試；每10次DTI測(cè)試后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架排放測(cè)試，最后通過(guò)CT掃描設(shè)備檢查載體內(nèi)部是否存在裂縫。

如圖3所示，正式DTI測(cè)試中，控制流量700 kg/h及溫度260 ℃穩(wěn)定持續(xù)8 min，保證DTI測(cè)試過(guò)程中初始條件一致。隨后升溫并保持流量不變，當(dāng)催化劑前溫度達(dá)到目標(biāo)DTI溫度后，降怠速再生，此時(shí)總流量快速降至230 kg/h并穩(wěn)定至CDPF內(nèi)部溫度降下來(lái)。過(guò)早降怠速會(huì)導(dǎo)致溫度較低，DPF內(nèi)不能形成較好的碳煙再生環(huán)境，過(guò)晚降怠速會(huì)導(dǎo)致大量碳煙被再生，不能達(dá)到最高溫度，因此合適的斷油時(shí)機(jī)可以使得DPF在相應(yīng)的碳載量下達(dá)到最高溫度。經(jīng)過(guò)前期摸底，將DTI時(shí)刻定為110 s。

車(chē)輛在每行駛一定距離后，由于碳煙不斷累積會(huì)觸發(fā)再生，再生過(guò)程大多為被動(dòng)再生，觸發(fā)DTI再生的條件較為苛刻，且觸發(fā)DTI再生后峰值溫度較少達(dá)到1 000 ℃以上。通過(guò)對(duì)CDPF進(jìn)行30次重復(fù)DTI測(cè)試，研究在這種更加嚴(yán)苛工況下DPF的耐久性和可靠性，通過(guò)對(duì)DPF排放驗(yàn)證，從而判斷載體是否發(fā)生損壞，為以后CDPF在50萬(wàn) km以上生命周期的安全再生提供參考。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 DTI過(guò)程中載體內(nèi)部溫度分布

圖4示出30次測(cè)試中各次測(cè)試的實(shí)際碳載量，通過(guò)前期摸底不斷增加碳載量進(jìn)行DTI測(cè)試，得到不同碳載量下DPF內(nèi)部的峰值溫度，從而確定DPF峰值溫度在1 000～1 100 ℃之間時(shí)的碳載量范圍為5.1～5.7 g/L。正式DTI測(cè)試中，為保證一致性，控制碳載量設(shè)定值為固定值，由于碳煙加載及稱重偏差會(huì)導(dǎo)致實(shí)際碳載量有所波動(dòng)，當(dāng)載體內(nèi)部最高溫度介于1 000～1 100 ℃時(shí)，視為有效數(shù)據(jù)。

圖5所示試驗(yàn)中碳載量為5.13 g/L，是30次DTI測(cè)試中碳載量最少的一組測(cè)試，DTI時(shí)刻為110 s。DTI發(fā)生前，載體內(nèi)部孔道溫度均高于600 ℃，此時(shí)碳煙開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)，在斷油信號(hào)之后，排氣流量迅速降低，此時(shí)排氣中的空氣進(jìn)入載體內(nèi)部開(kāi)始與碳煙迅速發(fā)生反應(yīng)，由于排氣流量較低，不能將熱量及時(shí)帶走，此時(shí)載體內(nèi)部溫度呈現(xiàn)指數(shù)式上升，隨著碳煙進(jìn)一步反應(yīng)，溫度開(kāi)始呈現(xiàn)指數(shù)式下降。堇青石載體內(nèi)部峰值溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)20，最高溫度為1 005 ℃，最大溫度梯度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)29和測(cè)點(diǎn)30之間，為139 ℃/cm。另外靠近中心位置的多個(gè)熱電偶溫度也高達(dá)900 ℃，這是因?yàn)樘紵熂虞d過(guò)程中氣流影響導(dǎo)致中心位置加載碳煙較載體邊緣多，此外由于載體邊緣位置直接與外部環(huán)境接觸，散熱較快，因此載體邊緣溫度較低。

圖6所示試驗(yàn)中碳載量為5.67 g/L，即碳載量最大的一組測(cè)試。由圖6可知，發(fā)生斷油后，載體內(nèi)部峰值溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)26，為1 092 ℃，此時(shí)最大溫度梯度同樣出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)29和測(cè)點(diǎn)30之間，為298 ℃/cm。相較于5.13 g/L碳載量再生時(shí)，隨著碳載量增加，載體內(nèi)部的峰值溫度和最大溫度梯度相應(yīng)增加，這是由于碳載量的進(jìn)一步升高會(huì)導(dǎo)致碳煙反應(yīng)更劇烈，并且熱量不斷向四周傳遞，導(dǎo)致周?chē)鸁崃窟M(jìn)一步聚集，從而產(chǎn)生更高的溫度。在該碳載量下再生時(shí)，測(cè)點(diǎn)5，6，10，19，20，21，25，27的溫度均超過(guò)1 000 ℃，所屬測(cè)點(diǎn)均位于載體中心位置；由于邊緣位置散熱較快且碳量較少，因此在載體邊緣位置容易出現(xiàn)較大的溫度梯度；同時(shí)再生發(fā)生后，氣流較小，不能及時(shí)將熱量帶走，導(dǎo)致熱量在載體出口聚集，從而導(dǎo)致載體出口位置溫度較高。

DTI再生測(cè)試為瞬態(tài)過(guò)程，斷油的瞬間峰值溫度的變化隨機(jī)性較強(qiáng)，載體內(nèi)部反應(yīng)較劇烈，且在短時(shí)間內(nèi)會(huì)迅速降溫，當(dāng)碳載量變化不大時(shí)，對(duì)峰值溫度的影響較小。圖7和圖8所示為30次DTI過(guò)程中載體內(nèi)部的峰值溫度和最大溫度梯度，其中第1次和第12次DTI的溫度最低，為1 005 ℃，第25次DTI的溫度最高，為1 092 ℃，通過(guò)控制碳載量來(lái)使DPF內(nèi)部峰值溫度保持在1 000～1 100 ℃之間。30次DTI過(guò)程中，最大溫度梯度均出現(xiàn)在載體最邊緣位置。

2.2 每10次DTI測(cè)試后載體PN排放

通過(guò)30次嚴(yán)苛的重復(fù)DTI再生試驗(yàn)來(lái)確定載體的耐久性能，正式試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)全新載體測(cè)一次PN作為初始排放參考值；隨后每10次DTI再生后，對(duì)載體進(jìn)行排放測(cè)試，通過(guò)與初始排放數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)評(píng)估載體DTI后的過(guò)濾效率，以此判斷內(nèi)部是否發(fā)生破裂以及破裂的程度，從而判斷載體在30次DTI后的性能表現(xiàn)。

圖9所示為每10次DTI后測(cè)得的PN排放值。從圖中可見(jiàn)，每10次DTI后，排放值均未超過(guò)初始PN值，且相對(duì)國(guó)六限值存在較大的裕量。初始全新載體的PN值為5.446×10¹¹ 個(gè)/（kW·h），最后一次測(cè)得的PN排放值為4.366×10¹¹ 個(gè)/（kW·h），與初始PN值相比降低了19.8%，主要是經(jīng)過(guò)多次積碳再生后，載體內(nèi)部可能存在灰分沉積，導(dǎo)致顆粒捕集效率升高，從而測(cè)得的排放值較低。

2.3 CT掃描結(jié)果

載體內(nèi)部存在較小損壞時(shí)，可能不會(huì)對(duì)排放值產(chǎn)生影響，因此在測(cè)試結(jié)束后，對(duì)載體進(jìn)行CT掃描進(jìn)一步確認(rèn)載體內(nèi)部有無(wú)損壞。使用的掃描設(shè)備型號(hào)為NSI X5000，為高分辨率數(shù)字多軸X射線成像設(shè)備，主要用于GPF及DPF內(nèi)部結(jié)構(gòu)探傷，可圍繞物體360°旋轉(zhuǎn)進(jìn)行2D數(shù)字射線投影。

對(duì)DPF進(jìn)行全尺寸無(wú)損掃描，對(duì)載體X軸和Y軸中心剖面進(jìn)行對(duì)比觀察（見(jiàn)圖10），可見(jiàn)載體內(nèi)部在30次DTI后未見(jiàn)明顯裂痕或損壞，表明在30次DTI后DPF具有良好的性能表現(xiàn)。

3 結(jié)論

a） DPF斷油再生后載體內(nèi)部溫度呈現(xiàn)指數(shù)式上升，峰值溫度出現(xiàn)在載體中心靠近出口位置，邊緣位置容易產(chǎn)生較大的溫度梯度；

b） 每10次DTI再生后測(cè)得的載體PN排放值未出現(xiàn)明顯的變化，相比國(guó)六排放限值仍有較大裕量；

c） 30次DTI后對(duì)DPF進(jìn)行CT掃描，未見(jiàn)有明顯裂痕或損壞，載體在30次DTI后性能表現(xiàn)良好。

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Experimental Study on Reliability Performance of DTI Regeneration for DPF

DONG Guanglei^1，2，SUN Nannan^1，2，NAN Zheng³，ZHANG Qiushi³，LIU Haitao³，HUA Lun³

（1.National Key Laboratory of Internal Combustion Engine and Power System，Weifang 261061，China;2.Weichai Power Company Limited，Weifang 261061，China；3.Suzhou Automotive Research Institute of Tsinghua University，Suzhou 215200，China）

Abstract： The diesel particulate filter （DPF） will frequently drop to idle and regenerate during the actual application， and this abnormal regeneration is the main reason of DPF high temperature melting or cracking， resulting in the reduction of DPF reliability. To address this issue， a burner bench was built to perform a repeatable dropping to idle （DTI） test on cordierite DPF. The consistency of DPF regeneration under the same soot load and regeneration conditions was investigated， and the durability and robustness of DPF were evaluated by the temperature distribution inside the carrier of DPF， PN emission characteristics and CT scan results. The results showed that the temperature distribution inside the DPF was uneven during the 30 times DTI tests， and the maximum temperature occured near the outlet end of carrier. The temperature of DPF gradually decreases from the center to the edge， and the larger temperature gradient appeared at the edge of carrier. The PN emission did not increase significantly after 30 times DTI， and there was still a large margin from the China Ⅵ limit， and no obvious cracks were found in CT scan.

Key "words： diesel particulate filter（DPF）； dropping to idle（DTI）；regeneration；reliability；temperature distribution

［編輯： 潘麗麗］