選擇性催化還原過(guò)濾器背壓驟增現(xiàn)象的研究

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0 前言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，但相關(guān)排放零部件的維修成本高。柴油顆粒過(guò)濾器(DPF)是這些高成本零部件中的其中之一，其在柴油車輛上作為排放控制裝置被廣泛使用。DPF的功能是捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)排出的顆粒并定期地通過(guò)燃燒再生，再生的觸發(fā)信號(hào)包括行駛里程、燃油消耗、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、碳煙仿真模型和壓力傳感器[2]等。

研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用基于壓力傳感器的方法預(yù)測(cè)DPF中碳煙質(zhì)量，并將其作為再生觸發(fā)信號(hào)時(shí)，出現(xiàn)了DPF中碳煙質(zhì)量和壓力傳感器讀取值不一致的情況。通過(guò)破壞性分析研究發(fā)現(xiàn)了碳煙坍塌現(xiàn)象，這造成了背壓驟增。這種失效模式會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈點(diǎn)亮，可能造成高成本DPF的不必要更換。

Rui[3]等人曾仿真過(guò)一款商用發(fā)動(dòng)機(jī)和DPF上的背壓驟增現(xiàn)象，通過(guò)準(zhǔn)時(shí)/實(shí)時(shí)觀察和在線視頻/離線纖維內(nèi)窺鏡圖像的可視化方法，成功再現(xiàn)了這一現(xiàn)象。其研究確認(rèn)了碳煙層的坍塌堵塞了DPF通道從而引起了背壓驟增，碳煙坍塌現(xiàn)象出現(xiàn)在多個(gè)位置。

為了避免碳煙坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，首先提出假設(shè)、對(duì)該物理現(xiàn)象開(kāi)展研究顯得尤為重要。

如前期研究[1]中所述，碳煙結(jié)構(gòu)的坍塌導(dǎo)致背壓驟增，這是眾多因素綜合所致。在長(zhǎng)途高速行駛過(guò)程中，由于涂覆的DPF產(chǎn)生的實(shí)時(shí)原位NO2，碳煙被動(dòng)再生時(shí)會(huì)在碳煙層和DPF通道壁上產(chǎn)生間隙。如果DPF上的碳載量非常高，接近于再生觸發(fā)點(diǎn)，同時(shí)車輛在高濕度環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間浸置，碳煙可能由于吸附水而變?yōu)榘夹?。車輛浸置后再進(jìn)行急加速行駛，碳煙會(huì)坍塌并引起DPF背壓驟增。壓力反饋到發(fā)動(dòng)機(jī)控制器時(shí)，會(huì)被識(shí)別為過(guò)濾器上有非常高的碳載量的信號(hào)，以致于使發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈點(diǎn)亮。

因?yàn)檫x擇性催化還原過(guò)濾器(SCRF)技術(shù)是一種能夠有效減少氮氧化物(NOx)排放的技術(shù)路線，因此研究了該過(guò)濾器出現(xiàn)背壓驟增現(xiàn)象的可能性?；谇捌谘芯?，如果NO2來(lái)源于上游，而不是實(shí)時(shí)原位NO2，利用SCRF技術(shù)可以阻止原位NOx的生成，接下來(lái)被動(dòng)再生也不會(huì)引起碳煙坍塌。其他條件如車輛浸置和急加速行駛模式保持一致，因?yàn)橄鄬?duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，這些是不可控的參數(shù)。

因此，就背壓驟增現(xiàn)象而言，既不需要鉑系金屬(PGM)[4-5]，實(shí)時(shí)原位NO2功能也能被抑制，這將是SCRF的優(yōu)勢(shì)所在。

選擇性催化還原(SCR)是一種借助于催化器將NOx轉(zhuǎn)化為雙原子氮(N2)和H2O的技術(shù)。氣體還原器，通常是無(wú)水氨、氨水或尿素，被加入到煙道或排氣氣體中，并被吸附到催化器上。當(dāng)尿素作為還原器時(shí)，碳氧化物CO2是其中一種反應(yīng)產(chǎn)物[6-9]。

SCRF技術(shù)集兩種催化器于一體，同時(shí)提供NOx還原和顆粒物過(guò)濾，并有潛力減小催化器尺寸和降低成本。由于像鉑這樣的貴金屬可能氧化NH3，阻止了NH3和NOx發(fā)生反應(yīng)，于是SCRF的涂層上沒(méi)有鉑系金屬。這排除了在SCRF上生成實(shí)時(shí)原位NO2的可能性。

1 設(shè)備和搭建

1.1 樣件狀態(tài)

本文使用碳化硅型式的不對(duì)稱單元結(jié)構(gòu)的過(guò)濾器來(lái)研究SCRF上碳煙間隙的生成。過(guò)濾器的直徑是177.8 mm，長(zhǎng)度是150.5 mm，涂層是銅沸石，見(jiàn)表1。SCRF系統(tǒng)布置在距離渦輪增壓器較近的位置(圖1)。

表1 SCRF樣件信息

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)工況和掃描電子顯微鏡(SEM)分析的取樣點(diǎn)

SCRF布置在排氣管路中最遠(yuǎn)的下游(圖2)，選擇碳煙生成速率高，且被動(dòng)再生時(shí)溫度不利于NO2及O2發(fā)生反應(yīng)的試驗(yàn)工況下進(jìn)行碳煙加載，如表2。

為了確認(rèn)被動(dòng)再生效應(yīng)的后果，嘗試再現(xiàn)SCRF上背壓驟增的現(xiàn)象，催化器布置在離發(fā)動(dòng)機(jī)比較近的位置，如圖2(b)所示。被動(dòng)再生時(shí)確認(rèn)SCRF入口氣體溫度和NOx濃度影響的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況見(jiàn)表3。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)布局

項(xiàng)目參數(shù)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)3 000(3 089)3 000(3 064)扭矩/(N·m)50(49.6)50(48.6)SCRF的入口氣體溫度/℃210(210.0)210(209.7)入口氣體流量/(kg·h-1)200(200.0)200(202.9)SCRF上的碳煙質(zhì)量/(g·L-1)8.610.0車用尿素(DEF)噴射/(g·s-1)無(wú)無(wú)

表3 被動(dòng)再生的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況

使用發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)研究了在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況下SCRF是否也將出現(xiàn)背壓驟增現(xiàn)象(圖3)。如前文所提到的，涂覆DPF的背壓驟增現(xiàn)象出現(xiàn)在NO2增多的被動(dòng)再生工況下。因此，試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)選擇在被動(dòng)再生工況時(shí)運(yùn)行，隨后進(jìn)行24 h浸置。

為了研究浸置時(shí)濕度的影響，當(dāng)催化器還在試驗(yàn)箱內(nèi)時(shí)，在SCRF入口處用噴槍噴入150 g H2O，過(guò)程如圖4所示。浸置完成后，將零部件重新裝回試驗(yàn)臺(tái)架，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)在瞬態(tài)工況下運(yùn)行以模擬急加速狀態(tài)。

圖4 在高濕度試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行水暴露和24 h浸置[1]

圖5 SEM分析的取樣點(diǎn)

使用有損探傷法和掃描SEM對(duì)試驗(yàn)后的SCRF進(jìn)行分析以確認(rèn)碳煙積累型式。在23個(gè)取樣點(diǎn)中，第一輪試驗(yàn)中①、②和③點(diǎn)、第二輪試驗(yàn)中①、②、③、④和⑤點(diǎn)被取出用于SEM分析。如圖5所示，相對(duì)于SCRF入口面，測(cè)量點(diǎn)分別位于15 mm、75 mm和135 mm。

2 結(jié)果和討論

2.1 SCRF被動(dòng)再生的第一輪試驗(yàn)

第一步為了確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)在試驗(yàn)工況下是否正常工作，進(jìn)行第一輪試驗(yàn)以確認(rèn)碳煙積累以及碳煙被動(dòng)再生的特性。被動(dòng)再生時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況、發(fā)動(dòng)機(jī)出口NOx濃度和排氣溫度如圖6所示，并在表3中進(jìn)行了總結(jié)。

圖6 第一輪試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況和SCRF被動(dòng)再生的出現(xiàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)大約運(yùn)行30 min，背壓從7.4 kPa降低到5.9 kPa(-20%)，基于過(guò)濾器質(zhì)量的被動(dòng)再生效率約為11.3%。

SEM分析圖片見(jiàn)圖7。結(jié)果表明碳煙層厚度在排氣流方向上遞增。距離入口側(cè)15 mm的測(cè)量點(diǎn)碳煙層厚度為30～50 μm，距離入口側(cè)135 mm的測(cè)量點(diǎn)碳煙層最厚，約為170～225 μm，如圖8所示。這種碳煙層厚度的梯度現(xiàn)象可能是由于碳煙加載時(shí)的沉積物生產(chǎn)和NO2帶來(lái)的碳煙被動(dòng)氧化共同造成的。

圖7 第一輪試驗(yàn)被動(dòng)再生后SCRF的SEM分析結(jié)果

圖8 第一輪試驗(yàn)SCRF每個(gè)位置(A、B、C)的碳煙層厚度

研究中碳煙層和SCRF通道壁上沒(méi)有觀察到間隙或分離，可能是由于SCRF上沒(méi)有生成實(shí)時(shí)原位NO2。這與前期研究中未經(jīng)涂覆處理的DPF所觀察的現(xiàn)象類似。由于沒(méi)有在高濕度環(huán)境下浸置，通道內(nèi)的碳煙層保持吸管狀，沒(méi)有出現(xiàn)凹形。涂覆鉑/鈀催化劑的DPF和SCRF的基于NO2被動(dòng)碳煙氧化的對(duì)比如圖9所示?？梢钥闯鯯CRF的氧化水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于涂覆的DPF。在第一輪試驗(yàn)中，確認(rèn)了被動(dòng)再生效果，在第二輪試驗(yàn)中以仿真手段模擬背壓驟增。

圖9 SCRF和涂覆Pt/Pd催化劑的DPF的間隙生成情況[1]

2.2 SCRF背壓驟增仿真的第二輪試驗(yàn)

為了研究背壓驟增現(xiàn)象，按照?qǐng)D3所示進(jìn)行第二輪試驗(yàn)。被動(dòng)再生時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)出口NOx濃度和排氣溫度如圖10所示，并在表3中進(jìn)行總結(jié)。噴水后進(jìn)行浸置，最后進(jìn)行急加速試驗(yàn)。

圖10 第二輪試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況和SCRF被動(dòng)再生的出現(xiàn)

為了研究SCRF通道壁上碳煙坍塌，對(duì)多個(gè)測(cè)量截面上眾多取樣點(diǎn)進(jìn)行SEM分析，如圖11所示。有損探傷結(jié)果顯示出碳煙層厚度在排氣流方向上越來(lái)越厚，這與第一輪試驗(yàn)的結(jié)果相同，同時(shí)在SCRF通道壁上沒(méi)有出現(xiàn)碳煙層分離，在通道內(nèi)也沒(méi)有凹形碳煙生成。另外急加速不能造成過(guò)濾器通道內(nèi)的碳煙坍塌。

圖11 第二輪試驗(yàn)急加速后SCRF的SEM分析結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)前期研究[1]，認(rèn)為使用PGM涂層技術(shù)的DPF背壓驟增是由以下3個(gè)步驟綜合引起的(圖12)：

圖12 涂覆Pt/Pd催化劑的DPF背壓驟增假設(shè)的描述

(1)碳煙的被動(dòng)再生(與NO2反應(yīng))通常發(fā)生在高速行駛時(shí)。在涂覆的DPF上，由于實(shí)時(shí)原位NO2的存在，使這種被動(dòng)再生引起碳煙局部燃燒，在碳煙層和DPF壁之間產(chǎn)生間隙。

(2)具有較高碳載量的車輛浸置12 h后，碳煙吸附H2O生成凹形碳煙。除了存在的間隙導(dǎo)致DPF通道壁不能支撐碳煙層之外，H2O的吸附也導(dǎo)致碳煙層質(zhì)量增加。

(3)帶有急加速的冷起動(dòng)容易引起碳煙層坍塌，這會(huì)引起DPF通道的氣體流動(dòng)限制，從而造成傳感器讀取的涂覆DPF背壓增大。

通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)了，如果上述條件中的任何一條無(wú)法滿足，就可以防止碳煙坍塌現(xiàn)象的出現(xiàn)。研究的焦點(diǎn)是SCRF技術(shù)，以及該技術(shù)是否會(huì)出現(xiàn)背壓增大現(xiàn)象。試驗(yàn)確認(rèn)了被動(dòng)再生期間未生成間隙以及急加速時(shí)無(wú)碳煙坍塌現(xiàn)象的發(fā)生?？赡苁且?yàn)槿鄙俪渥愕膶?shí)時(shí)原位NO2，這是產(chǎn)生背壓驟增現(xiàn)象的必要條件。

對(duì)于汽車制造廠商而言，設(shè)計(jì)階段唯一有效的控制因素是盡量減少或者消除碳煙層和DPF通道壁之間的間隙。高速行駛、高濕度環(huán)境下浸置，以及急加速行駛屬于用戶行為，制造商無(wú)法控制。因此為了解決背壓驟增現(xiàn)象，SCRF成為了一種潛在措施。對(duì)于涂覆鉑系金屬的DPF而言，另外一種潛在措施是不對(duì)其進(jìn)行涂覆處理以避免不必要的DPF售后更換，但是這會(huì)帶來(lái)其他不理想的性能問(wèn)題。因?yàn)镾CRF沒(méi)有表現(xiàn)出背壓驟增問(wèn)題，對(duì)于這種技術(shù)無(wú)需采用特殊的標(biāo)定策

略。從硬件的角度考慮，研究認(rèn)為使用不涂覆或只涂覆鈀或者基礎(chǔ)金屬的DPF可能是減少或者避免背壓驟增，從而導(dǎo)致DPF不必要的售后更換問(wèn)題的最理想解決方案。