某國六柴油機堇青石DPF選型分析

王再興

摘要：重型柴油國六排放法規(guī)新增顆粒物數(shù)目PN限值要求，DPF的使用成為必然。DPF的選型尤為重要，其一，是排氣背壓的重要來源，可能影響到柴油機動力性能;其二，過濾能力直接關(guān)系PM和PN排放性能，本文以某柴油機國六開發(fā)展開選型工作，以找出最優(yōu)DPF方案。

關(guān)鍵詞：柴油機;堇青石;顆粒物;排氣背壓;過濾能力

0? 引言

柴油發(fā)動機尾氣主要的排放污染物是氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM），其中顆粒物排放占我國汽車排放總量的99%以上，是機動車顆粒物排放最為主要的來源，也是大氣灰霾的重要成因。

為改善大氣環(huán)境，近些年我國政府陸續(xù)出臺了越來越嚴格的法規(guī)，其中對于尾氣排放的限值有大幅度加嚴。重型柴油車國Ⅴ標準相對國Ⅳ階段顆粒物質(zhì)量（PM）排放進一步下降80%;2018年6月22日生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，在國Ⅴ標準基礎上進一步下降50%的顆粒物質(zhì)量（PM）排放，同時新增了顆粒物數(shù)量（PN）限值規(guī)定，將于2021年7月1日全面執(zhí)行。

顆粒物捕集器DPF是目前公認的降低柴油機顆粒物排放的最有效手段，壁流式DPF對于顆粒物的過濾效率能夠達到95%左右，因此廣泛應用于道路車用、非道路機械的柴油機排放標準升級需求。

1? DPF過濾機理

DPF是由材料制成的特定結(jié)構(gòu)過濾體，發(fā)動機排氣流過過濾體，顆粒物PM被截留在過濾體內(nèi)而氣體排出，從而實現(xiàn)顆粒物PM的凈化效果。其工作原理如圖1所示，排氣從一個過濾孔道流入后再穿過多孔性壁面從相鄰孔道排出，顆粒物PM無法穿越孔道而沉積在孔道壁面上。其對顆粒物的捕集機理主要有慣性碰撞、攔截和擴散幾種。

DPF載體主要有3種材質(zhì)，分別為堇青石、碳化硅和鈦酸鋁，不同的材質(zhì)有不同的特性，影響到最大累碳量、再生溫度控制等方面。如表1所示，不同載體的相關(guān)特性。

2? 試驗情況

在某四缸柴油發(fā)動機上對不同方案DPF背壓特性和顆粒物數(shù)目PN過濾能力做試驗選型，擇最優(yōu)方案滿足國六開發(fā)要求。發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

發(fā)動機臺架布置如圖2，采用的是DOC+DPF+SCR+ASC配置，尾排能夠滿足重型柴油國六b排放限值。

選擇了不同技術(shù)參數(shù)的堇青石載體DPF，驗證其壓降特性和顆粒物數(shù)目PN的過濾能力。主要信息如表3所示。

針對DPF選型，項目開發(fā)有兩個主要指標，第一，后處理系統(tǒng)總成背壓應不超過25kPa;第二，加裝DPF后尾排顆粒物數(shù)目PN排放應滿足法規(guī)限值要求，并留有20%以上裕度。根據(jù)這兩個指標，我們進行了以下兩組選型試驗。

2.1 排氣背壓

在DPF進氣和出氣端分別布置壓力測點，以發(fā)動機額定工況作為評價試驗點，記錄額定工況下排氣背壓值。如圖3給出了各個方案DPF在額定工況下的排氣背壓情況。

該項目預期開發(fā)目標總體排氣背壓不超過25kPa，case1、case2、case4均滿足目標要求。從數(shù)據(jù)看，額定工況下case3背壓最高，經(jīng)分析與其較小的中值孔徑、以及小中值孔徑的催化劑涂覆工藝控制有關(guān)，否則可能更加造成背壓超高。

2.2 PN過濾能力

重型柴油機國六標準對顆粒物質(zhì)量（PM）與數(shù)目PN限值要求如表4所示。

為滿足標準PN限值要求，需要對柴油機排放顆粒物粒徑做分析，然后再匹配合適的DPF。如圖4為典型柴油機的顆粒物粒徑分布特性，由圖4可知核模態(tài)顆粒對其數(shù)量排放貢獻較大，但柴油機質(zhì)量排放主要由積聚模態(tài)顆粒所決定。數(shù)量加權(quán)下的粒度特性呈單峰對數(shù)正態(tài)分布，峰值落在核模態(tài)顆粒范圍之內(nèi)，而質(zhì)量加權(quán)下的粒度特性同樣呈對數(shù)正態(tài)分布模式，除積聚模態(tài)中出現(xiàn)的較大峰值外，在核模態(tài)與粗粒子模態(tài)還各有一個較小的峰值。

新鮮涂覆后的DPF一般需要一個預處理過程，可以讓部分排放顆粒填充到DPF內(nèi)部壁面上，PM過濾效率能夠從初始85%左右提高到95%左右，典型的PN過濾效果如圖5所示尾排PN數(shù)量趨勢。

如圖5顯示，初始狀態(tài)DPF的尾排PN結(jié)果很高，隨著WHTC循環(huán)的預處理后，前3個WHTC循環(huán)的PN呈指數(shù)下降，到10個WHTC循環(huán)后PN基本呈現(xiàn)小幅下降穩(wěn)定趨勢。

經(jīng)過相同預處理后，我們對不同方案的DPF進行標準循環(huán)WHTC試驗，結(jié)果如表5。

結(jié)果顯示，4個DPF方案經(jīng)過預處理后，case1方案的尾排PN仍然超出法規(guī)6.0×1011 #/kWh限值要求，其他3個方案均滿足限值要求，其中case3方案能夠達到10次方水平。

綜合評估各方案排氣背壓和尾排PN水平，如表6所示。

case4的排氣背壓滿足設計目標，尾排PN排放有足夠裕度，是最優(yōu)方案。

3? 總結(jié)

根據(jù)柴油國六新增的PN排放限值要求，需要對堇青石DPF技術(shù)參數(shù)做選型匹配，根據(jù)DPF的參數(shù)做催化劑涂覆工藝也是非常重要的一環(huán)，排氣背壓和PN排放有一個蹺蹺板效應，需要綜合考慮，從而選出最優(yōu)方案。

參考文獻：

[1]李新令，黃震，王嘉松，等.柴油機排氣顆粒濃度和粒徑分布特征試驗研究[J].內(nèi)燃機學報，2007（2）.

[2]鄒建國，鐘秦.柴油機排放顆粒物組成分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2006（3）.

[3]劉麗萍，田茂誠，肖福明，等.柴油機排氣微粒燃燒特性的試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2010（2）.