柴油車尾氣堇青石DPF檢測的研究

楊華龍 齊英杰 郭秀榮 杜丹豐

摘要：根據(jù)目前我國柴油車的排放水平，參考國外相關(guān)資料，并結(jié)合現(xiàn)有國家標準和行業(yè)標準中對柴油車排氣后處理裝置的技術(shù)要求，總結(jié)出適合我國國情的柴油車堇青石DPF（顆粒過濾器）檢測方法。本文通過對柴油車DPF的過濾、壓降、再生等檢測項目進行研究和總結(jié)，歸納出柴油車排氣后處理裝置的檢測方法，該檢測方法可以對排氣后處理裝置進行有效地監(jiān)督，能有效防止其不滿足性能要求和耐久性壽命短的裝車使用，減少大量人力物力的浪費，為我國柴油車DPF的評價提供依據(jù)，從而有利于柴油車在我國的推廣使用。

關(guān)鍵詞：柴油車；DPF：后處理裝置；檢測方法；研究

中圖分類號：S776

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X（2015）04-0068-05

柴油車具有功率大、壽命長、動力性能好等優(yōu)點，且碳氧化物的排放比汽油車低很多，因而柴油車的推廣使用具有重大的意義。但不足之處是有害顆粒物的排放量大，這種顆粒物嚴重地污染環(huán)境并危害人類健康。目前，市場上應(yīng)用比較廣泛的柴油車排氣后處理裝置是顆粒捕集器（DPF），它具有較高的過濾效率及較大的過濾面積、良好的耐高溫沖壓性和再生性等特點。

然而隨著國家標準對柴油車排放法規(guī)的日益嚴格，排氣后處理裝置對污染物的排放限值越來越低，這就需要后處理裝置的檢測方法不斷地進行改進和完善，從而有利于柴油車在我國的推廣使用，因此深入開展柴油車后處理裝置檢測方法的研究是十分必要的。

1 國內(nèi)外柴油車檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 國外柴油車檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

早在20世紀70年代，美國、日本、歐洲等一些先進國家和地區(qū)就已經(jīng)開始了柴油車排氣后處理裝置的測試設(shè)備開發(fā)和標準法規(guī)研究工作，并對排氣后處理裝置的過濾效率、壓降、再生和耐久性試驗等一些檢測項目形成了規(guī)范。國外著名的柴油車排氣后處理裝置和汽車尾氣催化劑生產(chǎn)企業(yè)，如美國的康寧公司、日本的NGK、英國的莊信萬豐、比利時的優(yōu)美科等，以及一些第三方研究機構(gòu)如美國西南研究院等，都開發(fā)有類似的檢測項目和評價程序。

從歐VI的排放法規(guī)開始，柴油車排放污染物中PM（微粒）的檢測方法不僅要檢測微粒的排放質(zhì)量，還要檢測微粒的排放數(shù)量，即國際上通用的PMP（particle measurement programme）檢測方法。通常情況下，柴油車沒有安裝DPF的PM排放數(shù)量是1x10₁₃/km，而排放法規(guī)要求的PM排放數(shù)量不能超過5×10₁₁/km。因此，國外大部分柴油車所采用的都是壁流式的顆粒過濾器，因為壁流式的顆粒過濾器要比流通式的顆粒過濾器過濾效率高，而且流通式的顆粒過濾器不能過濾尾氣中的細小微粒。針對這一排放法規(guī)要求，英國Cambustion公司研發(fā)DMS500微粒數(shù)量測試儀，測量微粒粒徑的有效范圍在5～2500nm，完全覆蓋發(fā)動機排氣微粒所有的粒徑區(qū)間，能對處于空間中移動狀態(tài)的微粒進行較精確的測量，并能保證發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況時，在不停機的狀態(tài)下測試DPF入口上游和出口下游的微粒數(shù)目。

1.2 國內(nèi)柴油車檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

天津索克汽車試驗有限公司是中國汽車技術(shù)研究中心、美國西南研究院于2005年共同投資組建的合資試驗研究機構(gòu)，該公司在國內(nèi)率先致力于柴油車排氣后處理裝置的檢測試驗，擁有日本HORI-BA公司專門為汽油和柴油催化轉(zhuǎn)化器評價而最新研制的集成式MEXA-7500D型排氣分析儀。試驗用發(fā)動機為Duramax 66006.6L V8柴油機，該發(fā)動機采用了增壓中冷、帶冷卻的EGR閥、高壓共軌、SFI（Supplementary Fuel Injection）等多項最新技術(shù)，同時對發(fā)動機ECU采取了開放式控制策略，利用Labview控制分析軟件調(diào)整控制影響發(fā)動機排放的各種參數(shù)，使發(fā)動機排放達到試驗所需的水平。索克汽車試驗有限公司定制的用于DPF再生的電爐爐膛尺寸完全可以容納所有柴油車的過濾器，而且電爐的T作溫度范圍從幾十度到上千度，能滿足所有DPF的再生條件和我國現(xiàn)行法規(guī)的要求。

2 柴油車DPF排氣后處理裝置檢測方法的研究

一些國外研究機構(gòu)和汽車公司已經(jīng)在柴油車排氣后處理裝置檢測方法上進行了大量的研究工作，通過參照國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，并結(jié)合我國燃油油質(zhì)的實際情況和現(xiàn)有國家標準，總結(jié)出以下試驗的檢測方法。整個試驗都在發(fā)動機臺架上完成。為了保證燃油中所含的硫元素不會導致催化劑“中毒”，實現(xiàn)顆粒過濾器連續(xù)再生，要求檢測試驗所用燃油的硫含量低于50ppm。同時，為了激活其活性，做檢測試驗之前，顆粒過濾器應(yīng)在發(fā)動機試驗臺架上運行7h。

2.1 壓降特性試驗

由于壁流式顆粒過濾器的結(jié)構(gòu)特點，在工作時所產(chǎn)生的排氣背壓比較大，如果排氣背壓過高，對柴油發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性都會產(chǎn)生影響。壓降特性試驗是檢測顆粒過濾器在不同的微粒加載水平（顆粒過濾器加載前后單位容積內(nèi)的質(zhì)量增加量）下，測試涂層對DPF壓降的影響以及所產(chǎn)生的背壓與排氣流量之間的關(guān)系。其間DPF的質(zhì)量是在其床溫125℃時稱量的，且要求顆粒過濾器的壓降應(yīng)小于等于8.5kPa。

2.1.1 未加載或再生后的DPF壓降試驗

發(fā)動機負荷恒定，將發(fā)動機從低轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速調(diào)整進行試驗，在整個實驗過程中，不應(yīng)對DPF大量加載顆粒物，同時避免加載超過10%。測量區(qū)間應(yīng)覆蓋發(fā)動機的流量區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)均勻分布設(shè)定至少6個測量點。在采集壓降數(shù)據(jù)之前，發(fā)動機應(yīng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)5min，然后再測量記錄。試驗結(jié)束后，用Matlab仿真軟件和曲線擬合原理對所測量的試驗數(shù)據(jù)進行處理，以發(fā)動機的排氣流量為橫坐標，測量出的壓降值為縱坐標繪制樣品的壓降特性曲線。

2.1.2 已加載顆粒物的DPF壓降試驗

將樣品加載到一定水平（輕型柴油車為6±0.5g/L，重型柴油車為4±0.5g/L），調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速使DPF產(chǎn)生不同的排氣流量，測試出顆粒過濾器的壓降特性曲線。如果需要還可以在不同的PM加載水平下對壓降特性試驗進行重復操作。

2.2 過濾效率試驗

檢測DPF最重要的指標就是過濾效率，過濾效率試驗分為未加載或再生后和已加載顆粒物的DPF過濾效率試驗。因為過濾過程一般由結(jié)塊形成和穩(wěn)定過濾兩個階段組成，新鮮或再生后的DPF過濾效率最低；隨著顆粒物加載量的增加，過濾效率會逐漸提高。一般要求壁流式顆粒過濾器過濾效率不得低于85%，流通式或部分流通式的顆粒過濾器過濾效率不得低于50%，而且同時氣態(tài)污染物（CO、HC、NOx）排放增加量不能超過10%。

2.2.1 未加載或再生后的DPF過濾效率試驗

未加載或按照再生工況進行再生后的DPF，先在所標定的發(fā)動機加載工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)5min，然后用取樣探頭對顆粒過濾器的入口上游和出口下游分別取樣，再根據(jù)過濾效率的公式計算過濾效率。

式中：η₁為顆粒過濾器的過濾效率；m₁為單位時間顆粒過濾器前的顆粒物排放質(zhì)量，mg；m₂為單位時間顆粒過濾器后的顆粒物排放質(zhì)量，m。

2.2.2 已加載顆粒物的DPF過濾效率試驗

將樣品加載到一定的加載水平（輕型柴油車為6±0.5g/L，重型柴油車為4±0.5g/L），按照2.2.1中的試驗進行操作，根據(jù)過濾效率的公式計算DPF的過濾效率。

2.3 熱循環(huán)試驗

DPF在正常工作時，其內(nèi)部溫度非常高，可達到600C以上，這就需要過濾器的載體具有一定的熱機械性能和抗熱沖擊性，同時捕集到的顆粒物在再生過程中會瞬間燃燒并釋放出大量的熱，因此在做熱循環(huán)試驗時，只需有產(chǎn)生熱量的發(fā)生源即可。實驗分為涂催化劑的顆粒過濾器CDPF和不涂催化劑的顆粒過濾器DPF兩種情況。表1是熱循環(huán)試驗循環(huán)，圖1是顆粒過濾器的熱循環(huán)試驗程序。

從圖1中可以看出，濾芯表面沒有催化劑涂層DPF的溫升率遠遠高于表面涂覆有催化劑的CD-PF。這是因為如果溫升率過高，CDPF載體表面涂有的催化劑層不穩(wěn)定并失去其原有的活性，影響其他項目的試驗檢測，同時也達不到實際的檢測效果。試驗結(jié)束后可以采用以下任意一種方法來檢查樣品的損壞情況：

（1）目測過濾器的載體有無裂紋，并在過濾器出口端面處檢查有無泄露通道。

（2）用SEM（電子顯微鏡掃描法）檢查過濾器的涂層和載體之間是否脫離。

（3）用超聲波方法探測過濾器的內(nèi)部有無裂紋。

2.4 平衡點溫度試驗

對于一些采用被動再生技術(shù)的顆粒過濾器，由于其濾芯表面覆有催化劑涂層，所以需要比主動再生技術(shù)的顆粒過濾器低的再生溫度，當柴油車在正常工況行駛時，就可以利用本身的排氣溫度實現(xiàn)連續(xù)再生。顆粒過濾器不斷地過濾累積發(fā)動機所排出的顆粒物，當達到其再生條件時，累積的顆粒物就會在催化劑的作用下被0₂和N0₂氧化燃燒。也就是說，當DPF中顆粒物累積的速率等于再生燃燒失去的速率的時候就會出現(xiàn)過濾器內(nèi)部的平衡現(xiàn)象。當達到平衡時，過濾器前后的壓力差不會產(chǎn)生明顯的變化。所以可以得出DPF平衡點溫度的定義，即發(fā)動機在標定的工況下對顆粒過濾器進行加載——再生循環(huán)試驗時，壓降從開始上升到?jīng)]有明顯下降時過濾器的入口溫度。

平衡點溫度與很多因素有關(guān)，如載體表面涂覆的催化劑成分、顆粒物的組成、SOF（可溶性有機物）成分、發(fā)動機運行的工況以及試驗過程中顆粒物的加載水平。因此，如果在不同的條件下檢測同一種催化型顆粒過濾器，所得到的平衡點溫度也可能不同。平衡點溫度可以確定CDPF的再生溫度和比較CDPF的催化劑效率。

在發(fā)動機上將催化型顆粒過濾器加載至3±0.5g/L的水平。按照發(fā)動機所標定的工況穩(wěn)定運行，過濾器上游的入口溫度達到250±lO℃時開始，以25℃/min步長的溫升率升高過濾器上游的入口溫度，當觀察到過濾器的壓降從上升到?jīng)]有明顯下降時，記錄此時的人口溫度，即為過濾器的平衡點溫度。平衡點溫度一般不得高于產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)提供值30℃，最高不得高于400℃。

2.5 再生效率試驗

DPF的再生效率是指在指定的顆粒物加載水平（或指定工況）下進行再生，再生前后過濾器中顆粒物的質(zhì)量變化率。

式中：η₂為顆粒過濾器的再生效率；m₃為再生前顆粒過濾器中顆粒物的質(zhì)量，mg；m₄為再生后顆粒過濾器中顆粒物的質(zhì)量，mg。

再生效率試驗分為主動再生和被動再生。主動再生是將過濾器加載到一定水平（輕型柴油機為6±0.5g/L，重型柴油機為4+0.5g/L），稱重顆粒過濾器的質(zhì)量，然后將過濾器再生20min。再生后稱重過濾器的質(zhì)量，依據(jù)公式（2）計算主動再生效率。被動再生是在載體的表面涂覆催化劑，利用02和生成的NO：來氧化燃燒顆粒物，降低微粒的再生溫度，從而實現(xiàn)過濾器的連續(xù)再生循環(huán)。一個再生周期由三個工況組成，連續(xù)運行50個周期。通過測量過濾器在試驗前后捕集到的顆粒物質(zhì)量變化，依據(jù)公式（2）計算被動再生效率，被動再生循環(huán)試驗如表2所示。再生時，對于DPF的入口溫度為650+25℃.CDPF的入口溫度為450±20℃。一般要求被動再生效率和主動再生效率均不得低于90%。

2.6 耐久性試驗

顆粒過濾器的耐久性試驗能檢測DPF在實際工作時的使用壽命，一般DPF的使用壽命大約為5萬km。耐久性試驗的工作原理是通過對DPF進行反復地加載——再生循環(huán)工況，周而復始地循環(huán)下去直至生命周期的結(jié)束。

2.6.1 加載和再生工況的標定

一個耐久性試驗循環(huán)由加載工況和再生工況構(gòu)成。

（1）加載工況通過標定發(fā)動機的脈譜圖（例如，標定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、負荷、噴油正時、EGR率等參數(shù)），使裝在輕型柴油車和重型柴油車上的DPF分別加載到6±0.5g/L和4±0.5g/L的水平。記錄顆粒物加載時間、DPF壓降和其他發(fā)動機參數(shù)。

（2）再生工況保持過濾器入口處溫度在625±25℃，持續(xù)20min，或壓降回落到未加載時水平。對于涂有催化劑的CDPF保持入口溫度在平衡點溫度以上25～50℃，持續(xù)20min，或壓降回落到未加載時水平。

2.6.2 過濾器的耐久性試驗方法

裝在輕型柴油車和重型柴油車上的顆粒過濾器，分別進行200次和300次加載——再生的耐久性試驗循環(huán)。試驗運行過程中，每完成50次耐久性試驗循環(huán)后，在樣品的入口上游和出口下游分別取樣，并按照公式（1）計算過濾效率。一般要求檢測DPF耐久性時，每次測得過濾效率的劣化率不能低于10%；過濾器的床溫最高不能高于900℃，否則載體表面的催化劑涂層將脫落，燒穿DPF的過濾通道，嚴重損害顆粒過濾器。

3 結(jié)束語

通過參考國外相關(guān)文獻和資料，以及我國國情的具體因素，研究總結(jié)出一套柴油車堇青石DPF的檢測方法。盡管柴油車排氣后處理裝置的應(yīng)用在開展裝車的過程中還存在很多問題，但排氣后處理裝置試驗檢測方法將大大地促進其整車匹配評價程序的發(fā)展。通過該檢測體系對柴油車排氣后處理裝置的有效監(jiān)督和管理，可促進我國柴油車有效降低排氣污染物排放的技術(shù)進步，提高我國柴油車排放控制技術(shù)水平，從而徹底改變我國“厭柴”的傳統(tǒng)觀念而排斥柴油車發(fā)展的現(xiàn)狀，使國內(nèi)柴油車發(fā)展走向良性循環(huán)，提高柴油車的質(zhì)量和水平，并取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益。相信隨著國家標準對排放法規(guī)的日益嚴格，柴油車排氣后處理裝置的應(yīng)用技術(shù)將會越來越成熟，后處理裝置的檢測方法也會不斷得到改進和完善。