CDPF被動再生特性及再生平衡條件研究*

褚國良，王國仰，祁金柱，楊 波，帥石金

（1.濰柴動力股份有限公司，內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261061； 2.山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；3.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

顆粒物（particulate matter，PM）排放是柴油機(jī)的主要污染物之一，世界各地都制定了相應(yīng)的排放法規(guī)來限制柴油機(jī)的顆粒物排放［1］。壁流式柴油機(jī)顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）能夠有效降低柴油機(jī)的顆粒物排放，也是目前唯一能使柴油機(jī)顆粒物排放滿足未來排放法規(guī)的技術(shù)手段［2］。

DPF主要通過物理過濾的方式來降低柴油機(jī)的顆粒物排放。隨著顆粒物在DPF孔道中的累積，DPF的壓降會越來越大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)排氣背壓增大，降低發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，甚至?xí)苯佣氯艢夤?，?dǎo)致發(fā)動機(jī)損壞［3］。因此，在DPF的使用過程中，須經(jīng)常將DPF中累積的顆粒物去除，以實(shí)現(xiàn)DPF的再生。再生技術(shù)類型可根據(jù)再生能量的來源分為主動再生和被動再生兩大類。主動再生一般是利用外加熱源（可燃物、電加熱等）將DPF入口溫度提升到較高的水平（一般高于550℃），使DPF中的碳煙與尾氣中的O2發(fā)生快速的氧化還原反應(yīng)，即使碳煙氧化，從而快速減少DPF中累積的碳煙。被動再生則是在催化劑的作用下利用發(fā)動機(jī)排氣中NO2在相對較低的溫度下將碳煙氧化。主動再生和被動再生各有不同的優(yōu)劣勢。主動再生的再生速率遠(yuǎn)高于被動再生，可進(jìn)行主動再生的工況范圍更廣等。而與主動再生相比，被動再生則具有以下優(yōu)勢：一是該技術(shù)無需外加熱源和額外控制系統(tǒng)，在柴油機(jī)排氣溫度范圍內(nèi)即可完成再生，系統(tǒng)復(fù)雜性低，成本低廉；二是燃油經(jīng)濟(jì)性較好，避免主動再生油耗損失；三是催化再生過程中，再生溫度較低，過濾體受到的熱負(fù)荷和熱應(yīng)力都較小，在一定程度上提高了過濾體的使用壽命；四是對于SCR布置在DPF后的后處理系統(tǒng)構(gòu)型來說，避免了主動再生高溫對SCR催化器性能的影響［4-5］。

催化型顆粒捕集器（catalyzed diesel particulate filter，CDPF）通過在DPF過濾體內(nèi)部涂覆催化劑，可以同時(shí)具備顆粒捕集和催化再生兩大功能，降低碳煙的被動再生所需溫度。CDPF被動再生不能在全工況下進(jìn)行，需要研究CDPF被動再生影響因素，確定被動再生的適用工況及再生平衡條件。CDPF被動再生影響因素已在國內(nèi)外得到廣泛研究，但研究多為小樣試驗(yàn)，難以直接用于確定發(fā)動機(jī)被動再生適用的發(fā)動機(jī)工況［6-7］。清華大學(xué)唐韜等［8］以CDPF下游顆粒數(shù)量濃度保持恒定作為再生平衡點(diǎn)的判斷依據(jù)，進(jìn)而確定CDPF的再生平衡點(diǎn)，但通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)的方法來確定CDPF被動再生適用的發(fā)動機(jī)工況和再生平衡條件須進(jìn)行大量的試驗(yàn)標(biāo)定工作。Kotrba等［9］通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，研究了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下催化劑涂覆量、有無柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyser，DOC）、碳載量和溫度等對被動再生速率的影響，但對CDPF被動再生平衡點(diǎn)溫度及被動再生發(fā)動機(jī)適用工況研究較少。

因此，本研究擬通過建立CDPF被動再生模型，對CDPF被動再生影響因素進(jìn)行研究，確定CDPF被動再生平衡條件及適用的發(fā)動機(jī)工況范圍。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)臺架總體布置如圖1所示，其中試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)為一臺電控高壓共軌、增壓中冷、無廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）的直列式六缸重型柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，催化器參數(shù)如表2所示。

圖1 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架示意圖

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

表2 催化器主要參數(shù)

2 CDPF被動再生模型建立

2.1 被動再生反應(yīng)速率模型

被動再生過程中，CDPF中的碳煙會與排氣中的NO2發(fā)生持續(xù)的氧化還原反應(yīng)：

研究［10］表明，在CDPF下游CO濃度非常低，在被動再生過程中式（1）化學(xué)反應(yīng)占主導(dǎo)地位，因此，忽略式（2）反應(yīng)。根據(jù)質(zhì)量作用定律，CDPF中碳煙被動再生反應(yīng)的速率為

式中：d m／d t為CDPF中NO2氧化碳煙的反應(yīng)速率；k為式（1）反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)；CNO2為CDPF中參與被動再生的NO2濃度；α和β為式（1）反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)；m為CDPF中的碳載量。

圖2為CDPF入口和出口NOx濃度對比。試驗(yàn)工況點(diǎn)數(shù)據(jù)見表3。由圖2中可見，CDPF入口和出口總NOx濃度基本一致，同時(shí)NO2濃度也基本沒有發(fā)生變化。這主要是因?yàn)?，CDPF具有催化氧化能力，在CDPF中的NO還會發(fā)生如式（4）所示的氧化反應(yīng)，即排氣中的碳煙被NO2氧化后生成的NO還會被CDPF重新氧化為NO2，從而使CDPF入口和出口處NO2濃度基本沒有發(fā)生變化。

圖2 CDPF入口和出口NO x濃度對比

表3 工況點(diǎn)A，B，C，D和E試驗(yàn)數(shù)據(jù)

因?yàn)镃DPF對NO具有催化氧化功能，CDPF中參與被動再生NO2量與CDPF入口的NO2量并不相等。因此，為簡化模型，可以用CDPF入口NOx濃度替代NO2濃度來計(jì)算CDPF被動再生反應(yīng)速率，同時(shí)減少了DOC對試驗(yàn)結(jié)果分析的影響，更容易得到被動再生反應(yīng)速率與發(fā)動機(jī)工況之間的關(guān)系。以NOx濃度來計(jì)算CDPF被動再生速率的方程為

反應(yīng)速率常數(shù)k根據(jù)Arrhenius方程可以表示為）

式中：A為指前因子；Ea為活化能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為CDPF床溫。

發(fā)動機(jī)排氣中氧氣及水蒸氣對式（5）中的反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)k都會產(chǎn)生一定的影響［11］，通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)來確定反應(yīng)級數(shù)、指前因子以及反應(yīng)活化能。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得Arrhenius圖如圖3所示，標(biāo)定后的反應(yīng)方程參數(shù)如表4所示。

2.2 被動再生反應(yīng)速率模型驗(yàn)證

選取5個(gè)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)對被動再生反應(yīng)速率模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證工況點(diǎn)試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。5個(gè)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)下，碳煙氧化速率的試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果如圖4所示。被動再生過程中，發(fā)動機(jī)也會產(chǎn)生一定量的碳煙，CDPF中碳煙的變化等于NO2氧化的碳煙量減去CDPF從排氣中捕集到的碳煙量。將試驗(yàn)過程中發(fā)動機(jī)排出的碳煙也計(jì)入到被動再生反應(yīng)速率中，所得碳煙氧化速率的試驗(yàn)測量結(jié)果分別為3.95，4.58，12.61，19.59和16.83 g／h；碳煙氧化速率的計(jì)算結(jié)果分別為4.08，4.16，13.64，19.15和18.34 g／h；計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果誤差分別為3.29%，9.17%，8.17%，2.25%和8.97%，平均誤差為6.37%；造成誤差的主要原因是因?yàn)镃DPF中溫度分布不均勻，用平均溫度來代表整個(gè)CDPF中的溫度計(jì)算碳煙氧化速率會產(chǎn)生一定的誤差。

圖3 CDPF被動再生Arrhenius圖

表4 標(biāo)定后反應(yīng)方程參數(shù)

圖4 碳煙氧化速率試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比

3 結(jié)果分析

3.1 CDPF初始碳載量的影響

CDPF床溫為320℃、NOx含量約為730×10-6時(shí)，CDPF中不同碳載量對碳煙氧化速率的影響如圖5所示。從圖中可以看出，隨初始碳載量的增大，碳煙氧化速率增大，碳煙氧化速率與CDPF中碳載量具有明顯的線性關(guān)系。若CDPF床溫和排氣中NOx含量一定時(shí)，CDPF會逐漸累積碳煙，直到CDPF捕集的碳煙量與被動再生消耗的碳煙量相等時(shí)，CDPF中的碳載量不再變化，即達(dá)到了再生平衡狀態(tài)。通常來說，再生平衡點(diǎn)碳載量不能過高，否則CDPF背壓過大，影響發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

圖5 CDPF碳載量對碳煙氧化速率的影響

3.2 CDPF床溫的影響

CDPF初始碳載量約為3.8 g／L、NOx含量約為550×10-6時(shí)，CDPF床溫對碳煙氧化速率的影響如圖6所示。從圖中可以看出，碳煙氧化速率隨CDPF床溫的增加而增加，碳煙氧化速率與溫度呈明顯的指數(shù)關(guān)系。

圖6 CDPF床溫對碳煙氧化速率的影響

CDPF處于再生平衡狀態(tài)時(shí)的床溫稱為被動再生平衡溫度。CDPF初始碳載量約為3.8 g／L、NOx含量為550×10-6時(shí)，不同床溫對CDPF中碳煙量變化速率的影響如圖7所示。從圖中可看出，此工況下，CDPF的被動再生平衡溫度約為283℃。

圖7 床溫對CDPF中碳煙量變化率的影響

被動再生平衡溫度是柴油機(jī)能否實(shí)現(xiàn)純被動再生的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。重型柴油車發(fā)動機(jī)排氣溫度低，若被動再生平衡溫度較高，發(fā)動機(jī)排氣溫度無法達(dá)到被動再生平衡溫度時(shí)，則CDPF中的碳載量會逐漸累積超過預(yù)設(shè)碳載量，增大發(fā)動機(jī)的排氣背壓，發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性惡化，需要進(jìn)行主動再生才能使CDPF中的碳載量低于預(yù)設(shè)碳載量。

3.3 NO x濃度的影響

CDPF床溫為265℃、CDPF初始碳載量約為3.8 g／L時(shí)，不同NOx排放量對被動再生的影響如圖8所示。

圖8 NO x排放量對碳煙氧化速率的影響

由于試驗(yàn)所使用的發(fā)動機(jī)為無EGR發(fā)動機(jī)，尾氣中的NOx排放較難調(diào)節(jié)。從圖8中可以看出，CDPF床溫為265℃時(shí)，發(fā)動機(jī)NOx排放約為550 g／h，NOx排放變化范圍較小，試驗(yàn)結(jié)果無法反映NOx排放對CDPF被動再生的影響。從計(jì)算結(jié)果來看，碳煙氧化速率隨NOx排放的增大而增大，提高NOx排放可以促進(jìn)CDPF被動再生進(jìn)行，降低被動再生平衡點(diǎn)碳載量和平衡溫度。

3.4 被動再生適用的發(fā)動機(jī)工況

發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)所有試驗(yàn)結(jié)果和再生平衡曲線如圖9所示。從圖中可以看出，被動再生速率大于CDPF捕集碳煙速率的點(diǎn)主要分布在圖的右上角，而被動再生速率小于CDPF捕集碳煙速率的點(diǎn)主要分布在圖的左下角。當(dāng)排氣中的NOx／soot比一定時(shí)，CDPF溫度越高，被動再生速率越大，越容易實(shí)現(xiàn)純被動再生。被動再生區(qū)域與主動再生區(qū)域的交界線即為CDPF被動再生平衡曲線。CDPF被動再生平衡曲線由被動再生模型所得，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況位于再生平衡曲線上方時(shí)，則認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)純被動再生；而當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況位于再生平衡曲線下方時(shí)，發(fā)動機(jī)中的碳載量會逐漸累積，超過預(yù)設(shè)值，需要通過主動再生才能使CDPF中碳載量低于預(yù)設(shè)值。再生平衡曲線與預(yù)設(shè)碳載量有關(guān)，再生平衡曲線隨預(yù)設(shè)碳載量的增大而下移，也就是說CDPF預(yù)設(shè)碳載量越大，純被動再生區(qū)域越廣。

圖9 被動再生適用工況與再生平衡曲線

4 結(jié)論

（1）隨初始碳載量的增大，碳煙氧化速率增大，碳煙氧化速率與CDPF中碳載量具有明顯的線性關(guān)系。

（2）被動再生速率隨CDPF床溫的增加而增大，碳煙氧化速率與溫度呈明顯的指數(shù)關(guān)系。對于發(fā)動機(jī)部分運(yùn)行工況，CDPF被動再生平衡溫度低于300℃。

（3）碳煙氧化速率隨NOx排放的增大而增大，提高NOx排放可以促進(jìn)CDPF被動再生進(jìn)行，降低被動再生平衡點(diǎn)碳載量和平衡溫度。

（4）發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況位于再生平衡曲線上方時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)純被動再生；而當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況位于再生平衡曲線下方時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)純被動再生，需要進(jìn)行主動再生來降低CDPF中的碳載量；再生平衡曲線與預(yù)設(shè)碳載量有關(guān)，再生平衡曲線隨預(yù)設(shè)碳載量的增大而下移，純被動再生區(qū)域增大。