駐車再生DPF的周期排放測試及評(píng)價(jià)方法研究

張 琳 翟學(xué)超 李騰騰 康 輝 景曉軍 付鐵強(qiáng)

（1-中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300 2-中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司）

引言

面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染危機(jī)，更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和政策法規(guī)對(duì)車用柴油機(jī)的污染物排放水平提出了更高的要求。對(duì)于重型車用柴油機(jī)而言，盡管采用高壓共軌燃油噴射和燃燒優(yōu)化技術(shù)并加裝選擇性催化還原后處理系統(tǒng)（SCR）能夠滿足目前正在實(shí)施的國五排放標(biāo)準(zhǔn)要求，但是一些城市對(duì)于在用車和新增車輛采取了更加嚴(yán)格的排放限制措施，要求加裝壁流式顆粒捕集器（DPF）以進(jìn)一步確保柴油車輛的顆粒物排放能夠維持在很低的限值[1-3]。

DPF再生期間會(huì)引起污染物排放水平的惡化，因此對(duì)于安裝周期性再生DPF的發(fā)動(dòng)機(jī)，需要綜合考量非再生狀態(tài)和再生狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的加權(quán)周期排放。DPF再生方法和策略是影響DPF性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素[4-7]。目前主動(dòng)再生方法主要包括利用外部熱源加熱再生的方法和利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱能進(jìn)行再生的方法。

現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛運(yùn)行時(shí)能夠進(jìn)行再生的DPF的排放測試方法，可參考標(biāo)準(zhǔn)GB 17691-2005中相關(guān)要求[8]。但是一些采用外部能源加熱進(jìn)行再生的DPF需要在駐車狀態(tài)下接入外部能源來進(jìn)行周期性再生。由于再生期間無法進(jìn)行瞬態(tài)循環(huán)（ETC）排放測試，因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法對(duì)此類DPF并不適用。采用何種方法來評(píng)價(jià)安裝此類DPF的車用發(fā)動(dòng)機(jī)污染物周期排放水平，對(duì)于考量DPF性能和有效進(jìn)行形式核準(zhǔn)試驗(yàn)具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

基于一款通過駐車電加熱進(jìn)行再生的DPF，模擬全流稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）采樣原理，搭建了駐車再生期間排氣污染物采樣系統(tǒng)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)再生周期排放測試及評(píng)價(jià)方法，并基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)和方法，分析了再生期間的排放特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備和測試方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)于安裝周期再生DPF的發(fā)動(dòng)機(jī)，將再生結(jié)束的時(shí)刻到下一次再生結(jié)束前的時(shí)間段定義為一個(gè)再生周期，發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)的周期排放評(píng)價(jià)，基于一個(gè)再生周期期間產(chǎn)生的總污染物排放量和總有效功。每個(gè)再生周期包含非再生過程和再生過程2個(gè)階段。非再生過程中的排放評(píng)價(jià)基于GB 17691-2005中規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)ETC循環(huán)測試，此測試需要使用如圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物測試系統(tǒng)[9]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物測試系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括交流電力測功機(jī)、CVS全流稀釋系統(tǒng)、顆粒物取樣系統(tǒng)、氣態(tài)污染物分析儀和信息采集系統(tǒng)。利用本系統(tǒng)可以精確測定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量以及排氣中的CO2、CO、HC、NOx等組分，也可以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的顆粒物質(zhì)量排放水平。

DPF再生過程中的排氣污染物采樣及測量基于圖2所示的再生期間排氣污染物采樣系統(tǒng)。對(duì)于駐車再生DPF的再生污染物測量，需要將DPF拆下并安裝到本系統(tǒng)進(jìn)行。

圖2 DPF再生期間排氣污染物采樣測量系統(tǒng)

當(dāng)DPF開始再生后，再生供氣泵將一定流量的新鮮空氣送入DPF。電加熱裝置加熱后的新鮮空氣流經(jīng)DPF載體將載體表面附著的顆粒物氧化為氣態(tài)組分，進(jìn)而將再生產(chǎn)生的污染物帶入稀釋通道，利用流量泵1和流量泵2控制總稀釋流量。其中流量泵2采集的樣氣經(jīng)過減壓后進(jìn)入AMA i60氣態(tài)污染物分析儀，得到 CO2、CO、HC、NOx的濃度；流量泵 1 采集的樣氣進(jìn)入顆粒物采樣通道，SPC472顆粒物采樣系統(tǒng)由此通道定量采集一部分樣氣并通過濾紙采集DPF再生過程中產(chǎn)生的顆粒物，剩余的氣體經(jīng)由通道末端的排氣孔進(jìn)入大氣中。為了模擬CVS系統(tǒng)，采樣過程中需保證稀釋通道中的總流量保持一定，因此需控制流量泵1的流量Q1和流量泵2的流量Q2。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)和DPF參數(shù)

測試選取了一臺(tái)安裝了SCR系統(tǒng)且滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)的共軌直噴柴油機(jī)；測試用DPF為一款基于駐車電加熱進(jìn)行再生的壁流式顆粒補(bǔ)集器。發(fā)動(dòng)機(jī)和DPF主要參數(shù)如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)排放測試過程中，將DPF安裝在SCR系統(tǒng)下游0.5 m處。

1.3 周期排放測試和評(píng)價(jià)方法

周期排放測試流程框圖如圖3所示，主要分為2部分，首先是非再生期間的排放測試。根據(jù)DPF特性參數(shù)，2次再生期間，發(fā)動(dòng)機(jī)可進(jìn)行的ETC循環(huán)為120次。首先主動(dòng)觸發(fā)DPF進(jìn)行再生，再生完成后，測試發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行ETC循環(huán)的排氣污染物比排放e1。將發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行120個(gè)ETC循環(huán)，使得DPF到達(dá)再生臨界點(diǎn)，此時(shí)再次測試發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行ETC循環(huán)的排氣污染物比排放e120。將這2次排放測試結(jié)果的算數(shù)平均值作為非再生期間的發(fā)動(dòng)機(jī)污染物平均比排放eˉ?；趀ˉ和非再生過程中運(yùn)行ETC的總循環(huán)功得到非再生過程的污染物排放總量。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)和DPF主要參數(shù)

圖3 周期排放測試流程框圖

其次是再生期間的排放測試。由于再生過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)行，沒有產(chǎn)生有效功。利用再生期間排氣污染物采樣系統(tǒng)獲得再生期間的排氣污染物總排放量Er?；谠偕芷谄陂g的排氣污染物總排放量和非再生期間的發(fā)動(dòng)機(jī)總有效功Wp，得到再生周期污染物比排放ew。再生周期污染物加權(quán)比排放ew的計(jì)算如公式（1）。

式中：e1為再生后的首次ETC排放結(jié)果；en為再生前的最后一次ETC排放結(jié)果，對(duì)于本次使用的DPF，n值為120；Wp為n次ETC的循環(huán)功總和。

為了評(píng)價(jià)DPF再生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響程度，定義再生因子fr，其計(jì)算方法如公式（2）。fr越大，表明DPF再生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放惡化的作用越大。

DPF再生污染物測量過程中，設(shè)定流量泵1的流量Q1為120 g/min，流量泵2的流量Q2為36g/min。SPC 472系統(tǒng)的采樣流量Q3為30 g/min，采樣時(shí)間t為300 min。采樣和分析結(jié)束后，按照公式（3）計(jì)算再生過程中產(chǎn)生的氣態(tài)污染物總量。

式中：GASmass代表 NOx、CO、THC 的總質(zhì)量，α 為轉(zhuǎn)換系數(shù)（對(duì) NOx、CO、THC 分別為 0.001 587、0.000 966、0.000 479），GASconc代表因再生生成 NOx、CO、THC 的平均濃度，MTOTW為流經(jīng)稀釋通道的總氣體質(zhì)量。依據(jù)公式（4）和公式（5）分別得到GASconc和 MTOTW。

式中：GASreg表示再生過程中分析儀測得的樣氣中NOx、CO、THC 濃度的算數(shù)平均值，GASair為稀釋空氣中NOx、CO、THC的濃度。按照公式（6）計(jì)算再生過程中生成的顆粒物質(zhì)量PM。

式中：PMfilter為濾紙上采集顆粒物的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

根據(jù)測試結(jié)果，首先分析了再生過程中氣態(tài)污染物的變化規(guī)律，如圖4所示。

DPF加熱系統(tǒng)通電后，氣流溫度逐漸上升，在2 800 s左右，DPF載體表面附著的顆粒開始與空氣反應(yīng)，氣態(tài)污染物濃度開始上升。主體再生過程持續(xù)約6 000 s左右，此后不再顯著生成氣態(tài)污染物。再生過程中NOx、THC的變化均不劇烈，峰值分別可達(dá)25×10-6和70×10-6，但是大量生成CO，峰值可達(dá)10 000×10-6以上?？紤]到當(dāng)DPF裝車再生時(shí)，并無二級(jí)稀釋設(shè)備，再生過程中流出排氣管的氣流CO含量峰值濃度可以達(dá)到30 000×10-6以上。因此，裝車后的DPF在進(jìn)行駐車再生時(shí)，一定要注意車輛周圍的通風(fēng)，且不宜有人員出現(xiàn)在附近，避免出現(xiàn)中毒風(fēng)險(xiǎn)。

按照公式（1）～（6）計(jì)算了再生過程中的污染物生成量和各排氣污染物組分的再生因子，如表2所示。

圖4 再生過程中NO x、CO、THC的濃度

表2 排氣污染物組分的再生因子

DPF未發(fā)生再生的狀態(tài)下，在一個(gè)再生周期中，試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)ETC瞬態(tài)循環(huán)排放能夠很好地滿足國五標(biāo)準(zhǔn)限值。由于再生過程中產(chǎn)生的污染物總質(zhì)量微乎其微，考慮再生后的發(fā)動(dòng)機(jī)周期加權(quán)比排放仍能夠滿足國五排放限值，且其顆粒物比排放僅為限值的6%左右。再生過程中產(chǎn)生的污染物中，只有CO的再生因子為1.02左右，其它污染物組分的再生因子均接近于1，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的周期排放影響很小。

通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)駐車電加熱再生DPF具有一定的優(yōu)勢：不需要發(fā)動(dòng)機(jī)增加燃油后噴或碳?xì)鋰娚湟蕴岣逥PF溫度進(jìn)而引發(fā)再生，降低了油耗且未引入額外的污染源，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)周期排放影響很?。徊恍枰槍?duì)DPF再生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理策略和再生控制進(jìn)行標(biāo)定，節(jié)省了大量研發(fā)成本；再生方式簡單，降低了對(duì)客戶的技術(shù)要求。同時(shí)也存在一定的劣勢：只能駐車狀態(tài)下再生，會(huì)產(chǎn)生一定的電能消耗；額外增加了再生供氣泵和加熱裝置，成本有所提升；由于其構(gòu)造特殊，難以與其它后處理裝置（如DOC、SCR等）封裝在一起，增加了整車布置的難度。

3 結(jié)論

基于一款通過駐車電加熱進(jìn)行再生的DPF，模擬全流稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）采樣原理，搭建了駐車再生期間排氣污染物采樣系統(tǒng)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)再生周期排放測試及評(píng)價(jià)方法，并基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)和方法，結(jié)論如下：

1）基于建立的系統(tǒng)和方法能夠客觀評(píng)價(jià)安裝駐車再生DPF的發(fā)動(dòng)機(jī)的周期排放水平。

2）駐車電加熱再生DPF在再生期間能夠產(chǎn)生大量的CO，CO再生因子可達(dá)1.02左右，其余污染物對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)周期排放的影響很小。

3）滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)并加裝電加熱再生DPF的車用柴油機(jī)，考慮再生期間排放后的加權(quán)排放仍能滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)要求。