大型柴油機DPF被動再生特性的試驗研究

班智博 張 揚 黃豪中 莊繼暉 陶澤民 林鐵堅

(1. 廣西玉柴機器股份有限公司，玉林 537005；2. 廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004；3. 海南大學(xué) 機電工程學(xué)院， ?？?570228)

原創(chuàng)

大型柴油機DPF被動再生特性的試驗研究

班智博1張 揚1黃豪中2莊繼暉3陶澤民1林鐵堅1

(1. 廣西玉柴機器股份有限公司，玉林 537005；2. 廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004；3. 海南大學(xué) 機電工程學(xué)院， 海口 570228)

通過臺架試驗研究了不同廢氣再循環(huán)(EGR)率及不同排氣節(jié)流閥開度對柴油機顆粒過濾器(DPF)被動再生的影響規(guī)律，對比了在世界協(xié)作瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)工況前900s瞬態(tài)工況下開關(guān)EGR閥對DPF耐久特性的影響，并研究了駐車再生的效果。試驗結(jié)果表明，EGR率及排氣節(jié)流閥開度通過影響排氣溫度及排氣NO2濃度影響DPF被動再生速度；正常WHTC工況前900s耐久循環(huán)下DPF碳載量不斷增大，關(guān)閉EGR閥后進行WHTC工況前900s耐久循環(huán)后，DPF碳載量不斷減少；駐車再生能夠有效降低DPF碳載量。

大型柴油機 排放 DPF 被動再生 EGR 排氣節(jié)流閥

0 概述

顆粒物(PM)是柴油機的主要有害排放物之一[1-5]，也是國內(nèi)機動車排放法規(guī)嚴格控制的有害排放物。隨著排放法規(guī)的不斷加嚴，尤其是到了國5及更高的法規(guī)階段，壁流式柴油機顆粒捕集器(DPF)將逐漸成為柴油機后處理裝置中不可或缺的部分[6-7]。

DPF通過捕集柴油機尾氣中的PM來凈化尾氣。隨著捕集的進行，DPF中堆積的PM越來越多，將導(dǎo)致柴油機排氣背壓升高，燃油經(jīng)濟性惡化，因此加裝DPF之后需定期清除DPF中的碳粒，稱之為再生[8-9]。

DPF再生分為主動再生和被動再生2種方式。主動再生是通過向柴油機尾氣中注入額外能量，提升DPF入口排氣溫度(一般大于550℃)，使DPF中捕集的顆粒物與尾氣中的O2發(fā)生快速氧化反應(yīng)，從而減少PM；被動再生指DPF中捕集的PM與尾氣中的NO2在較低溫度下(500℃以下)發(fā)生氧化反應(yīng)，而減少PM的過程。

和主動再生相比，被動再生具有以下優(yōu)勢[10]: (1) 系統(tǒng)復(fù)雜性更低，開發(fā)較容易；(2) 燃油經(jīng)濟性較好；(3) 熱應(yīng)力較小；(4) 對于選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)布置在DPF后的歐6機型來說，由于SCR入口溫度低，避免SCR因高溫而出現(xiàn)效率下降。

然而，被動再生再生速度慢、效率低，并且存在一定的堵塞風(fēng)險，因此在大型柴油車應(yīng)用中一般不采用純被動再生的技術(shù)路線，而是選擇以被動再生為主，主動再生為輔的路線。

本文通過臺架試驗方法，研究柴油機被動再生特性，包括DPF平衡點特性、不同排氣溫度管理手段對被動再生的影響、被動再生的耐久性等。

1 研究裝置與設(shè)備

臺架試驗采用滿足歐6排放標(biāo)準的玉柴6L-60發(fā)動機，其參數(shù)如表1所示，主要設(shè)備如表2所示。

表1 玉柴6L-60發(fā)動機參數(shù)列表

表2 主要試驗設(shè)備列表

2 EGR及排氣節(jié)流閥對DPF被動再生的影響

2.1 被動再生原理

DPF被動再生的化學(xué)反應(yīng)式如下：

(1)

(2)

化學(xué)反應(yīng)速度是衡量DPF被動再生能力的重要指標(biāo)，當(dāng)DPF中積碳再生速率(g/h)大于發(fā)動機顆粒的生成速率時，DPF中的碳載量就會下降；當(dāng)兩者相等時，DPF中的碳載量保持不變；當(dāng)前者小于后者時，碳載量增加。

從式(1)和式(2)得知，影響被動再生反應(yīng)速度的因素包括排氣氮氧化物(NOx)濃度、碳載量、排氣溫度等。由于EGR會影響NOx排放和排氣溫度，而排氣節(jié)流閥也會影響到NOx濃度和排氣溫度等，因此有必要研究EGR及排氣節(jié)流閥對DPF被動再生反應(yīng)特性的影響。

2.2 測試工況

發(fā)動機的外特性及世界協(xié)同瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)工況點如圖1所示。排氣節(jié)流閥通過提高排溫，從而提高DOC轉(zhuǎn)化NO的效率，以實現(xiàn)輔助DPF再生。它的主要作用區(qū)域為中、低負荷工況。本文選取WHTC較典型的4個工況進行試驗研究： 工況1，轉(zhuǎn)速47%，扭矩17.78%；工況2，轉(zhuǎn)速53.95%，扭矩49.63%；工況3，轉(zhuǎn)速67.91%，扭矩24.81%；工況4，轉(zhuǎn)速67.91%，扭矩49.63%。

圖1 排氣背壓閥及EGR開度優(yōu)化試驗工況點

2.3 結(jié)果分析

不同的EGR閥開度、排氣背壓閥開度會影響DPF入口溫度、DPF入口NO2濃度、DPF內(nèi)PM成分及分布等,本文主要分析對DPF入口溫度和DPF入口NO2濃度的影響。4個試驗點的試驗結(jié)果規(guī)律接近，因篇幅所限，下文中僅分析工況2。

試驗中在不同的EGR閥開度下，逐步關(guān)小排氣節(jié)流閥開度，研究EGR率及排氣節(jié)流閥對DOC入口溫度、DOC入口的NOx濃度、比油耗的影響規(guī)律。試驗結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 不同EGR率下排氣節(jié)流閥開度對DOC入口溫度的影響

圖3 不同EGR率下排氣節(jié)流閥開度對DOC入口NOx排放濃度的影響

圖4 不同EGR率下排氣節(jié)流閥開度對DOC入口NO2排放濃度的影響

如圖2所示，隨EGR率增加，DOC入口溫度呈單調(diào)增加的趨勢，主要是由于隨EGR率的增加，發(fā)動機空燃比降低，燃燒惡化，燃燒持續(xù)期延長，排氣門開啟時刻缸內(nèi)溫度升高，從而導(dǎo)致DOC入口溫度增加。另外，從圖2還可以看出，隨排氣節(jié)流閥開度減小，DOC入口溫度同樣呈單調(diào)增加的趨勢，主要原因是隨著排氣節(jié)流閥開度減小，缸內(nèi)殘余廢氣量增加，燃燒惡化，燃燒持續(xù)期延長，排氣門開啟時刻缸內(nèi)溫度升高，從而導(dǎo)致DOC入口溫度增加。

EGR率及排氣節(jié)流閥開度對DOC入口NOx排放濃度的影響如圖3所示。隨EGR率的增加及排氣節(jié)流閥開度的減小，DOC入口NOx排放濃度均下降，這是因為兩者均會引起缸內(nèi)空燃比的下降及燃燒溫度的降低，而NOx的生成需要高溫富氧的環(huán)境，因此DOC入口NOx排放濃度隨EGR率增加及排氣節(jié)流閥開度的減小而降低。

EGR率及排氣節(jié)流閥開度對DOC入口NO2排放濃度的影響如圖4所示。隨EGR率的增加及排氣節(jié)流閥開度的減小，DOC入口NO2排放濃度均下降，這是因為NO2在NOx中所占比例基本不變，因此NO2與圖3所示的NOx的變化規(guī)律類似。

3 WHTC前900s的DPF被動再生耐久試驗研究

WHTC是瞬態(tài)的排放認證循環(huán)，其測試循環(huán)的平均排溫比ETC更低，尤其是其前900s的排溫更低，如圖5所示。

圖5 WHTC前900s的排溫分布

從圖5可以看出: 完整WHTC循環(huán)的排氣溫度較高，大于250℃的比例為78%；WHTC循環(huán)前900s的溫度較低，大于250℃的比例為59%。因此，采用WHTC循環(huán)前900s進行DPF被動再生考核更為苛刻。

在進行耐久試驗過程中，為了獲得較為準確的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，完成WHTC循環(huán)前900s試驗循環(huán)后，將發(fā)動機在轉(zhuǎn)速2200r/min、扭矩240N·m穩(wěn)定300s，以此來獲得穩(wěn)態(tài)工況下的DPF壓差及DPF出口溫度。首先帶EGR進行了22h的耐久測試，分別選取了5h、15h、20h、22h的試驗數(shù)據(jù)片段，分別繪制DPF壓差及DPF出口溫度曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 帶EGR的WHTC前900s耐久考核試驗

圖7 帶EGR的WHTC前900s耐久考核試驗

從圖6可以看出，隨著試驗的進行，DPF壓差呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢，主要原因是發(fā)動機顆粒生成速度較快，DPF被動再生速度較慢，DPF碳載量不斷堆積。

進行完上述試驗后，對DPF進行稱重得到此時的碳載量為19.8g/L，隨后關(guān)掉EGR繼續(xù)進行耐久測試，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 不帶EGR的WHTC循環(huán)前900s耐久考核試驗

從圖8可以看出，隨著耐久試驗的進行，DPF的壓差逐漸降低，第3h、13h、23h時刻DPF稱重的結(jié)果分別為19.8g/L、11.2g/L、7.8g/L。這說明不帶EGR進行試驗過程中，由于發(fā)動機原排NOx的增加和碳煙的減少造成DPF被動再生速度較快，其被動再生的速度大于原排產(chǎn)生顆粒的速度，因此DPF碳載量逐漸降低。

圖9 不帶EGR的WHTC循環(huán)前900s耐久考核試驗

從圖9可以看出，隨試驗的進行，DPF出口溫度逐漸降低。這說明隨著DPF被動再生的進行，碳載量不斷降低，DPF內(nèi)部升溫減弱，因此DPF出口溫度降低。

對比圖6～9的結(jié)果可知，6L-60發(fā)動機帶EGR工作時DPF碳載量呈增加趨勢，不帶EGR工作時由于被動再生加強使碳載量下降。

4 DPF被動再生駐車下的試驗驗證

雖然在整車運行時被動再生經(jīng)濟性好且開發(fā)工作量小，但對于長期運行在較低負荷下的發(fā)動機，由于排溫較低，被動再生反應(yīng)緩慢，存在DPF堵塞的風(fēng)險。

駐車再生是指在車速為零時將發(fā)動機置于高怠速狀態(tài)，以此提高排氣溫度，促進被動再生反應(yīng)的進行。圖10展示了駐車再生時DPF壓差下降的過程。

圖10 駐車條件下的DPF被動再生

在駐車再生剛開始時，DPF入口溫度大于出口溫度；隨著再生反應(yīng)的進行，DPF內(nèi)部放熱速度加快，出口溫度大于入口溫度，與此同時由于碳載量的減少，DPF壓差降低。駐車再生前期DPF壓差下降較快，后期則下降緩慢，主要原因是駐車再生后期DPF內(nèi)部碳載量減少，反應(yīng)物的減少影響了被動再生反應(yīng)的進行。

為了驗證駐車再生的效果，將DPF加載不同的碳載量水平，然后進行駐車再生。在駐車再生前后對DPF稱重，計算再生的效率，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 駐車再生數(shù)據(jù)

如表3所示，在不同的初始DPF碳載量下，采用駐車的方式對DPF進行再生均能有效降低DPF碳載量，再生效率隨著再生時間的增加而增大，更大的初始碳載量需要更長的駐車再生時間。

5 結(jié)論

(1) 隨著EGR率增大，DOC入口溫度升高，會使DPF被動再生速度加快；隨著EGR率增大，DOC入口NOx濃度減小，DOC入口NO2濃度減小，會導(dǎo)致DPF被動再生速度減慢。

(2) 隨著排氣節(jié)流閥開度減小，DOC入口溫度升高，會使DPF被動再生速度加快；隨排氣節(jié)流閥開度減小，DOC入口NOx濃度減小，DOC入口NOx濃度減小，會導(dǎo)致DPF被動再生速度減慢。

(3) EGR閥正常工作狀態(tài)下進行WHTC前900s耐久測試，DPF碳載量呈現(xiàn)遞增的趨勢；關(guān)閉EGR閥后進行WHTC前900s耐久測試，DPF碳載量呈現(xiàn)遞減的趨勢。這說明關(guān)閉EGR閥后DPF被動再生速度有較大提升，DPF通過被動再生消耗積碳的速度大于發(fā)動機產(chǎn)生顆粒的速度。

(4) 采用駐車再生能夠有效降低DPF碳載量，在駐車再生初期DPF壓差下降較快，再生后期下降較慢，駐車再生的效率主要受再生時間的影響。

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