某柴油機(jī)顆粒捕集器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗(yàn)研究

王蘭 李光輝 祁同暉

摘要： 柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）是目前降低柴油機(jī)顆粒物排放最有效的后處理裝置，本文對(duì)某柴油機(jī)的顆粒捕集器載體尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)研究了優(yōu)化后的顆粒捕集器的捕集效率以及對(duì)柴油機(jī)排氣背壓、燃油經(jīng)濟(jì)性、壓降特性等影響。結(jié)果表明，優(yōu)化后的顆粒捕集器使柴油機(jī)的排氣背壓減小了62%，燃油消耗率降低了2%，排放循環(huán)中顆粒捕集器的捕集效率基本無(wú)變化。

Abstract： Diesel Particulate Filter （DPF） was the most effective aftertreatment device to reduce particulate matter （PM） emissions from diesel engine. This paper optimizes the size of Diesel Particulate Filter for a engine. The filtration efficiency， characteristics of fuel economy， pressure drop and exhaust back pressure were studied when DPF was fixed on diesel engine. Results showed that the DPF was optimized， the exhaust back pressure reduced by about 62%， the fuel consumption rate reduced by about 2%， the filtration efficiency almost had no change in the emission test cycle.

關(guān)鍵詞： 顆粒捕集器;捕集效率;燃油經(jīng)濟(jì)性;試驗(yàn)研究

Key words： diesel particulate filter;filtration efficiency;fuel economy;experimental study

中圖分類(lèi)號(hào)：TK422? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0005-02

0? 引言

顆粒捕集技術(shù)是目前普遍采用的最為有效的顆粒凈化技術(shù)，顆粒捕集器安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)渦后排氣管中，當(dāng)排氣通過(guò)顆粒捕集器時(shí)，PM顆粒被其捕集，整個(gè)捕集過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生額外的二次污染物。顆粒捕集器的捕集效率主要受到顆粒粒徑、排氣流速及溫度、過(guò)濾體的特性等因素影響。隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，過(guò)濾體內(nèi)堆積的顆粒增多，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓上升，須采用燃燒等方法將這些顆粒除去，即過(guò)濾體的再生。

本文以某4L滿足歐VI排放的柴油機(jī)為例，對(duì)載體尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)后，并通過(guò)試驗(yàn)手段研究了優(yōu)化后的DPF性能是否滿足使用要求。

1? DPF特性分析

1.1 柴油機(jī)顆粒捕集器工作原理

柴油機(jī)顆粒捕集器是由外部的封裝殼體和內(nèi)部載體及二者之間金屬襯墊構(gòu)成。目前應(yīng)用最為廣泛的DPF過(guò)濾體結(jié)構(gòu)是壁流式多孔性蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)，對(duì)此類(lèi)DPF而言，通常采用堇青石、碳化硅和碳酸鋁等作為載體材料[1][2]。三種載體材料的特點(diǎn)見(jiàn)表1所示。

1.2 原顆粒捕集器載體方案

原顆粒捕集器以碳化硅材料為載體，顆粒捕集器和DOC集成在一起布置。DPF載體尺寸為直徑8in，長(zhǎng)度10in;柴油機(jī)在標(biāo)定點(diǎn)時(shí)排氣背壓達(dá)到37kPa，排氣背壓較大，燃油經(jīng)濟(jì)性受到影響，排氣背壓高的主要原因是DPF載體尺寸設(shè)計(jì)不合理，所以需對(duì)載體尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)研究表明[3]，基于載體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力損失的影響，本文所研究的載體只對(duì)其長(zhǎng)度和直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，壁厚等其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，綜合考慮車(chē)載空間布置、顆粒沉積等因素，最終選取載體的直徑為9in，長(zhǎng)度為8in，體積和原來(lái)一致。

2? 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

2.1 過(guò)濾效率試驗(yàn)

DPF之所以能凈化柴油車(chē)排氣中的顆粒物，最主要原因是對(duì)顆粒物能起到捕集作用，而捕集效率時(shí)DPF重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。一般要求壁流式顆粒捕集器的捕集效率不得低于85%[4]，過(guò)濾效率試驗(yàn)分為未加載或再生后和已加載顆粒物的DPF過(guò)濾效率試驗(yàn)。

本文主要進(jìn)行了再生后和已加載顆粒物的排放循環(huán)的過(guò)濾效率試驗(yàn)，并將載體優(yōu)化前后的過(guò)濾效率進(jìn)行了對(duì)比。由圖1-圖2可知，優(yōu)化前后的DPF過(guò)濾效率基本一致，優(yōu)化后的過(guò)濾效率比優(yōu)化前低1%以內(nèi)，但排放顆粒物都在限值以內(nèi)，滿足排放要求;在相同條件下，DPF再生后的過(guò)濾效率比已加載顆粒物的過(guò)濾效率較低，主要原因是再生后的DPF內(nèi)部幾乎沒(méi)有顆粒物，DPF只能依靠載體過(guò)濾壁面的微孔孔徑來(lái)捕集顆粒物，此時(shí)的過(guò)濾效率較低;隨著顆粒物的不斷累積，過(guò)濾壁面的微孔孔徑逐漸變小，只要DPF不完全堵塞，累積的顆粒物就會(huì)進(jìn)一步加大阻礙排氣中顆粒物的通過(guò)，此時(shí)過(guò)濾效率逐漸提高。

2.2 壓降特性試驗(yàn)

雖然壁流式顆粒過(guò)濾器具有比流通式顆粒過(guò)濾器過(guò)濾效率高的特點(diǎn)，但是它產(chǎn)生的排氣背壓要比流通式的大，如果過(guò)濾器產(chǎn)生的背壓過(guò)高，柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都會(huì)受到影響，因此該性能指標(biāo)為廠家配套選型提供一定的參考依據(jù)。

壓降特性試驗(yàn)是檢測(cè)顆粒過(guò)濾器在不同PM加載水平下，所產(chǎn)生的壓降與排氣流量的關(guān)系。本文主要進(jìn)行了再生后和已加載顆粒物的壓降特性試驗(yàn)，并將載體優(yōu)化前后的壓降進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量范圍應(yīng)覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)流量區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)均勻分布設(shè)定至少6個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并繪制排氣流量和壓降曲線圖，如圖3-圖4所示。由圖可知，不論是再生后的DPF還是加載顆粒物的DPF，其優(yōu)化后的壓降均比優(yōu)化前壓降小很多，最大壓降可降低約71%，大大改善了柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

2.3 再生效率試驗(yàn)

再生效率試驗(yàn)是指柴油機(jī)在正常行駛的排氣溫度下，顆粒捕集器中顆粒物在適當(dāng)?shù)臏囟群痛呋瘎┳饔孟?，利用氧化燃燒且產(chǎn)生的熱量可作為DPF再生過(guò)程中的反應(yīng)溫度。本文所進(jìn)行的再生效率試驗(yàn)是在WHTC排放循環(huán)的后1200s下進(jìn)行的，連續(xù)運(yùn)行10個(gè)循環(huán)，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算再生效率。

顆粒捕集器的再生效率有質(zhì)量再生效率和排氣背壓再生效率兩種。質(zhì)量再生效率主要監(jiān)測(cè)DPF再生過(guò)程中質(zhì)量的減小量，而排氣背壓再生效率主要檢測(cè)DPF再生過(guò)程中的壓降損失量，相比排氣背壓再生效率，質(zhì)量再生效率較準(zhǔn)確一些，所以本文采用質(zhì)量再生效率來(lái)評(píng)價(jià)DPF再生，同時(shí)，再生過(guò)程中DPF的溫度變化也是作為載體優(yōu)化前后的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本文所用柴油機(jī)為輕型機(jī)，其DPF再生噴油方式為缸內(nèi)遠(yuǎn)后噴，載體結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后DPF再生過(guò)程中溫度變化趨勢(shì)基本一致，DPF進(jìn)口溫度和出口溫度都控制在550℃左右。表2是載體結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后DPF再生效率檢測(cè)結(jié)果，由于DOC和DPF為一個(gè)總成結(jié)構(gòu)，所以在進(jìn)行稱(chēng)重時(shí)為總成的重量;由表2所示，結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化前后的再生效率基本一致，大于HJ451-2008《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求? 柴油車(chē)排氣后處理裝置》中規(guī)定的90%，優(yōu)化后的DPF再生效率略有降低，但滿足要求。

3? 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某4L柴油機(jī)用DPF載體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了優(yōu)化后DPF的性能，可得基本結(jié)論如下：①減小DPF的長(zhǎng)徑比，可使排氣背壓降低，DPF壓降比優(yōu)化前最大可降低約71%，大大改善了柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。②優(yōu)化后的DPF過(guò)濾效率比優(yōu)化前低1%以內(nèi)，滿足使用要求。③優(yōu)化后的DPF再生過(guò)程中溫度控制在550℃左右，和優(yōu)化前相比，再生效率基本不變，滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)：

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