國六重型柴油車DPF再生排放特性研究

高忠明，許丹丹，楊誠瀟，王 飛

國六重型柴油車DPF再生排放特性研究

高忠明1，許丹丹1，楊誠瀟2，王 飛2

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中國重型汽車集團(tuán)有限公司汽車研究總院，山東 濟(jì)南 250101）

基于大量國六重型柴油車實(shí)際道路排放測(cè)試數(shù)據(jù)，文章選取了四輛測(cè)試過程中DPF（柴油機(jī)顆粒捕集器）主動(dòng)再生的樣車。樣車DPF主動(dòng)再生完畢后，進(jìn)行正常狀態(tài)下的實(shí)際道路排放測(cè)試。對(duì)比樣車DPF主動(dòng)再生與正常狀態(tài)下的排放測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，相比于正常狀態(tài)，樣車DPF主動(dòng)再生時(shí)，NOX和PN均不滿足國六排放法規(guī)要求，NOX升高了5.8～29.4倍；PN升高了14.0～7 148.9倍；CO沒有一致的變化趨勢(shì)；CO2升高了6.3%～24.2%；油耗升高了16.2%～32.8%；動(dòng)力性不變。

DPF主動(dòng)再生；CO；NOX；PN；油耗；動(dòng)力性

前言

柴油機(jī)具備動(dòng)力性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性較高、良好可靠性的優(yōu)點(diǎn)，因而備受青睞[1]，但重型柴油車是機(jī)動(dòng)車大氣污染排放的主要貢獻(xiàn)者，柴油機(jī)顆粒物（Particu- late matter, PM）排放是相同排量汽油機(jī)的30～80倍[2-3]。柴油車NOX排放接近汽車排放總量的80%，PM排放更是超過90%[4]，隨著排放法規(guī)的日益加嚴(yán)，顆粒物數(shù)量納入監(jiān)管范圍，在GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法》（中國第六階段）[5]中，重型柴油車顆粒物數(shù)量比排放限值為1.2E+ 12#/kWh。

目前壁流式柴油機(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[6]。DPF的結(jié)構(gòu)一般為壁流式，交叉堵孔結(jié)構(gòu)，通過過濾的方式來降低排氣中的顆粒物。DPF中積碳的增加有助于提高DPF的過濾效率，但隨著顆粒物的持續(xù)累積，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓增大，排氣不暢，進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)殘余廢氣量增加，燃燒速率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能惡化[7]，因此DPF積碳達(dá)到一定量時(shí)，需要進(jìn)行DPF再生。目前DPF再生的方法主要分為被動(dòng)再生和主動(dòng)再生。DPF被動(dòng)再生主要依靠排氣中的NO2對(duì)DPF中被捕集的顆粒物進(jìn)行連續(xù)的氧化再生，再生效率較低。DPF主動(dòng)再生通常采用缸內(nèi)后噴或排氣管噴油的方式來著增加排氣中未燃HC的含量，利用排氣溫度和氧化性催化轉(zhuǎn)化器DOC的氧化功能，使未燃HC發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，提高排氣溫度，氧化沉積在DPF表面上的碳顆粒，使其完全氧化燃燒，從而完成再生，再生過程中溫度和含氧量是影響DPF再生效率的主要因素[8]。

DPF技術(shù)的日益成熟使得重型柴油車PN滿足國六排放法規(guī)的相關(guān)要求，但相關(guān)DPF主動(dòng)再生時(shí)的PN排放研究卻相對(duì)較少，DPF主動(dòng)再生時(shí)的PN、NOX、燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性聯(lián)合研究更是罕有涉及。本文基于四組DPF主動(dòng)再生與正常狀態(tài)的車載排放測(cè)試數(shù)據(jù)，研究車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)DPF主動(dòng)再生的排放、燃油經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性情況。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

測(cè)試儀器使用HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-ONE車載排放測(cè)試設(shè)備。該儀器主要由主控單元、氣體分析單元、PN計(jì)數(shù)單元、流量測(cè)量單元、GPS及溫濕度傳感器等部件構(gòu)成。CO2與CO采用（非分散紅外法）NDIR的分析原理，NOx采用（化學(xué)發(fā)光法）CLD的分析原理，PN采用CPC（凝聚顆粒計(jì)數(shù)法）的計(jì)數(shù)原理。該儀器可實(shí)時(shí)測(cè)量排氣中CO2、CO、NOx、H2O和PN的濃度，并根據(jù)排氣流量、排氣壓力、排氣溫度、對(duì)應(yīng)gas系數(shù)自動(dòng)計(jì)算排氣中各氣體污染物的質(zhì)量流量以及顆粒物的數(shù)量流量，如公式（1）和（2）。

gas=gas×gas×mew（1）

式中：gas為污染物瞬時(shí)質(zhì)量；gas為排氣組分密度和排氣密度比；gas為排氣組分濃度；mew為瞬時(shí)排氣質(zhì)量流量。

=q×c（2）

式中：為顆粒物瞬時(shí)排放數(shù)量；q為排氣瞬時(shí)體積流量；c為顆粒物瞬時(shí)濃度。

通過OBD接口讀取車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)實(shí)際扭矩百分比、摩擦扭矩百分比、參考扭矩、轉(zhuǎn)速計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率，如公式（3）。

=×ref×（act－fric）/9550 （3）

式中：為瞬時(shí)功率；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；ref為發(fā)動(dòng)機(jī)參考扭矩；act為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩百分比；fric為發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩百分比。

測(cè)試設(shè)備布局見示意圖1。

1—排氣流量溫度壓力采集單元；2—?dú)怏w分析單元；3—顆粒物計(jì)數(shù)單元；4—設(shè)備主機(jī)；5—電源分配模塊；6—電源轉(zhuǎn)換器；7—溫濕度傳感器；8—GPS；9—控制電腦；10—OBD接口；11—流量計(jì)；12—?dú)怏w采樣管；13—PN采樣管；14—排氣流量溫度壓力采集連接管線；15—標(biāo)定氣瓶；16—電源；17—測(cè)試載荷。

1.2 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)車輛為四臺(tái)重型載貨汽車，具體參數(shù)見表1。

表1 樣車參數(shù)

參數(shù)樣車一樣車二樣車三樣車四 滿載質(zhì)量/kg6 5008 50018 00048 935 發(fā)動(dòng)機(jī)排量/L3.03.764.5811.80 缸數(shù)4446 額定功率/kW95115162345 容積壓縮比17:117.2:118±0.5:118.4:1 后處理系統(tǒng)型式DOC+DPF+SCR+ASCDOC+DPF+SCR+ASCDOC+DPF+SCR+ASCDOC+DPF+SCR+ASC DPF主動(dòng)再生方式缸內(nèi)后噴缸內(nèi)后噴缸內(nèi)后噴缸內(nèi)后噴 排放水平國Ⅵ國Ⅵ國Ⅵ國Ⅵ

1.3 試驗(yàn)方案

基于大量國六重型車車載排放測(cè)試試驗(yàn)，將試驗(yàn)過程中發(fā)生DPF主動(dòng)再生的樣車選取出來，樣車再生完畢后，保持相同的載荷百分比、相同的駕駛員、相同的道路，在相似的環(huán)境條件下對(duì)車輛進(jìn)行正常狀態(tài)下的車載排放測(cè)試，對(duì)比車輛DPF主動(dòng)再生與正常狀態(tài)下的各種污染物排放情況及車輛燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性的差異。

本次研究取用的數(shù)據(jù)為試驗(yàn)過程中DPF主動(dòng)再生時(shí)間段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)正常狀態(tài)下車輛的測(cè)試數(shù)據(jù)。一段時(shí)間內(nèi)某種污染物累積排放質(zhì)量（PN為累積總數(shù)量）與該時(shí)間段內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)累積輸出功的比值為該污染物在這段時(shí)間的比排放，單位為mg/kWh或#/kWh，通過對(duì)比DPF主動(dòng)再生與正常狀態(tài)下的NOx、PN、CO、CO2比排放結(jié)果來分析車輛DPF主動(dòng)再生時(shí)的排放狀況，使用碳平衡的方法計(jì)算車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)比樣車最高轉(zhuǎn)速、最大扭矩、最高車速、最大功率的方法進(jìn)行動(dòng)力性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間與排溫

本次研究排溫的測(cè)量是通過設(shè)備流量計(jì)上的排溫傳感器測(cè)量記錄，其位置距離樣車排氣出口約0.5 m，持續(xù)時(shí)間與排溫結(jié)果見表2。

表2 持續(xù)時(shí)間與排溫

參數(shù)樣車一樣車二樣車三樣車四 DPF主動(dòng)再生正常DPF主動(dòng)再生正常DPF主動(dòng)再生正常DPF主動(dòng)再生正常 持續(xù)時(shí)間/s5055003 8534 0881 864186626462636 平均排溫/℃420.0268.4364.1 203.3 462.9 248.0 406.7 244.9 最高排溫/℃497.0296.0484.1 230.1 599.0 272.4 487.9 289.8 累積功/kWh7.37.138.8 39.6 35.0 31.2 40.2 44.8

由表2可見，相比于正常狀態(tài)下，樣車DPF主動(dòng)再生時(shí)，排溫呈上升的趨勢(shì)。四輛樣車DPF主動(dòng)再生時(shí)，樣車的最高排溫高達(dá)484.1 ℃～599.0 ℃。相比于正常狀態(tài)，樣車一整個(gè)DPF主動(dòng)再生過程平均排溫升高了151.6 ℃，樣車二升高了160.8 ℃，樣車三升高了214.9 ℃，樣車四升高了161.8 ℃。

2.2 NOX

圖2表示樣車DPF主動(dòng)再生與非再生狀態(tài)下NOX比排放。從圖中可以看出樣車DPF再生時(shí)，NOX排放升高，樣車一DPF再生狀態(tài)下NOX平均比排放是非再生狀態(tài)下NOX平均比排放的11.8倍，國六排放標(biāo)準(zhǔn)限值的2.77倍；樣車二為30.4倍，國六排放標(biāo)準(zhǔn)限值的1.68倍；樣車三為11.4倍，國六排放標(biāo)準(zhǔn)限值的2.51倍；樣車四為6.8倍，國六排放標(biāo)準(zhǔn)限值的2.14倍；分析原因，樣車DPF主動(dòng)再生采用缸內(nèi)后噴配合DOC氧化的方式來提高排溫，燃燒積碳，而柴油機(jī)幾乎所有NOX都是在燃燒開始后20°（CA）內(nèi)生成的[9]，缸內(nèi)后噴時(shí)刻相對(duì)較晚，并且此時(shí)缸內(nèi)已經(jīng)不再是高溫富氧的環(huán)境，因此，排除發(fā)動(dòng)機(jī)原排NOX升高的原因。其主要原因是DPF再生時(shí)，含有大量未燃HC的排氣在DOC的作用下升高溫度，高溫排氣超出了SCR系統(tǒng)的高效工作溫度范圍，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化效率降低，同時(shí)，排氣溫度的劇烈升高使得NH3對(duì)O2的選擇性升高，并且排氣中O2含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NOX含量，NH3和O2的接觸機(jī)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NOX，使得SCR轉(zhuǎn)化效率降低[10]，NH3與O2的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定量的NO，進(jìn)一步增加了NOX排放。

圖2 NOX排放

2.3 PN

圖3 PN排放

圖3表示樣車DPF主動(dòng)再生與非再生狀態(tài)下PN比排放。從圖中可以看出樣車DPF再生時(shí)，PN比排放嚴(yán)重惡化，樣車一DPF主動(dòng)再生狀態(tài)下PN比排放是非再生狀態(tài)PN比排放的15.0倍，國六排放標(biāo)準(zhǔn)限值的23.7倍；樣車二為162.9倍，國六排放標(biāo)準(zhǔn)限值的6.36倍；樣車三為7 149.9倍，國六排放標(biāo)準(zhǔn)限值的45倍；樣車四為31.2倍，國六排放標(biāo)準(zhǔn)限值的1.66倍；分析原因，樣車主動(dòng)再生時(shí)，缸內(nèi)后噴的燃油由于燃燒不充分，產(chǎn)生大量未燃顆粒物，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)原排顆粒大量增加，在 DOC氧化升溫的作用下，DPF中的積碳氧化燃燒為粒徑較小的顆粒，逃離DPF增加了顆粒物排放，同時(shí)，積碳的氧化燃燒導(dǎo)致DPF碳載量的減少，導(dǎo)致了DPF過濾效率的降低，進(jìn)而使得顆粒物排放增加。

2.4 CO

圖4表示樣車DPF主動(dòng)再生與非再生狀態(tài)下CO比排放。從圖中可以看出樣車一與樣車四相比于非再生狀態(tài)下，DPF主動(dòng)再生時(shí)CO比排放分別降低了76.5%和82.5%。樣車二在兩種狀態(tài)下CO比排放均較低，且差別不大。樣車三DPF主動(dòng)再生狀態(tài)下CO比排放是非再生狀態(tài)下的2.2倍。從結(jié)果可以看出，相比于非再生狀態(tài)，樣車DPF主動(dòng)再生時(shí)，CO比排放并沒有統(tǒng)一的變化趨勢(shì)。樣車DPF主動(dòng)再生時(shí)，雖然缸內(nèi)后噴和DPF積碳氧化會(huì)造成CO的升高，但排溫升高提高了DOC和ASC的氧化效率，因此相比于非再生狀態(tài)，DPF主動(dòng)再生時(shí)CO并沒有統(tǒng)一的變化趨勢(shì)。

圖4 CO排放

2.5 CO2

圖5表示樣車DPF主動(dòng)再生與非再生狀態(tài)下CO2比排放。從圖中可以看出樣車再生時(shí)，CO2的比排放升高。相比于非再生狀態(tài)，樣車一CO2比排放升高了14.8%，樣車二CO2比排放升高了22.1%，樣車三CO2比排放升高了6.3%，樣車四CO2比排放升高了24.2%。主要原因?yàn)闃榆嚢l(fā)生再生時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞的下行階段后噴燃油用以提高排氣中未燃碳?xì)涞臐舛?，這部分燃油混合氣在缸內(nèi)并未來得及燃燒推動(dòng)活塞做功或只做了極少的功，就進(jìn)入尾氣管中，在DOC的氧化作用下，提高排溫、生成CO2，進(jìn)而增加了CO2的比排放，同時(shí)DPF中積碳氧化產(chǎn)生CO2也是CO2比排放升高的原因。

圖5 CO2排放

2.6 燃油消耗量

圖6表示樣車DPF主動(dòng)再生與非再生狀態(tài)下燃油消耗量。從圖中看出樣車發(fā)生DPF主動(dòng)再生時(shí)，燃油消耗增加，相比于非再生狀態(tài)，樣車一油耗增加了16.5%，樣車二油耗增加了32.8%，樣車三增加了23.1%，樣車四增加了16.2%，主要原因?yàn)闃榆嚢l(fā)生再生時(shí)，需要額外的燃油用于提高排氣溫度，這部分燃油并未用于提供車輛動(dòng)力，因此增加了燃油消耗量。

圖6 燃油消耗量

2.7 H2O

圖7表示樣車DPF主動(dòng)再生與正常狀態(tài)下排氣中H2O濃度，從圖中可以看出，樣車發(fā)生DPF主動(dòng)再生時(shí)，排氣中的H2O濃度增加，相比于正常狀態(tài)，樣車一H2O含量增加了31.6%，樣車二增加了30.8%，樣車三增加了39.1%，樣車四增加了50.3%。主要原因?yàn)闃榆嚢l(fā)生再生時(shí)，后噴的燃油氧化燃燒后產(chǎn)生了一定的H2O，同時(shí)，排氣溫度的升高加強(qiáng)了DOC、ASC的氧化作用，使得排氣中的碳?xì)浠衔锖臀捶磻?yīng)的NH3被氧化生成H2O，因此增加了H2O的排放量。

圖7 H2O含量

2.8 樣車動(dòng)力性

圖8給出了樣車DPF主動(dòng)再生與正常狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)速、最大扭矩、最高車速、最大輸出功率的對(duì)比情況。

由圖8可知，樣車在DPF主動(dòng)再生過程中，其動(dòng)力性并未受到限制，其最大轉(zhuǎn)速、最大扭矩、最高車速、最大輸出功率與樣車正常狀態(tài)下相差不大。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

相比于正常狀態(tài)，DPF主動(dòng)再生時(shí)，排溫劇烈升高，NOX、PN、CO2、H2O排放均為升高的趨勢(shì)，其中PN排放劇烈升高，且主動(dòng)再生階段NOX、PN比排放均高于國六排放法規(guī)，CO排放沒有明顯的變化趨勢(shì)。

相比于正常狀態(tài)，DPF主動(dòng)再生時(shí)，車輛油耗略有升高。

DPF主動(dòng)再生時(shí)，車輛動(dòng)力性并未受到影響。

3.2 建議

國六重型柴油車DPF主動(dòng)再生時(shí)，NOX、PN排放惡化，尤其是PN排放劇烈升高，在下一階段的重型車排放法規(guī)制定過程中應(yīng)將DPF主動(dòng)再生時(shí)的排放納入監(jiān)管范圍。

開發(fā)新型DPF系統(tǒng)，增強(qiáng)DPF被動(dòng)再生反應(yīng)，減緩DPF積碳速率，增加DPF主動(dòng)再生周期，降低DPF主動(dòng)再生頻率。

開發(fā)新型SCR系統(tǒng)，拓寬其高效工作的溫度范圍，進(jìn)而保證DPF主動(dòng)再生時(shí)可有效的轉(zhuǎn)化NOX。

縮短發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口至后處理系統(tǒng)入口的管道長(zhǎng)度、加裝后處理系統(tǒng)保溫裝置，減少排氣的熱量損失，可適當(dāng)?shù)販p少DPF主動(dòng)再生時(shí)后噴的燃油量，達(dá)到節(jié)油并減少PN原始排放的目的。

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Research on DPF Regeneration Emission Characteristics of China Six-stage Heavy-duty Diesel Vehicle

GAO Zhongming1, XU Dandan1, YANG Chengxiao2, WANG Fei2

( 1.China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300;2.China National Heavy Duty Truck Group Co., Ltd., Automotive Research Institute, Shandong Jinan 250101 )

Based on the real driving emission test data of a lot of CHINA six-stage heavy-duty diesel vehicles, this paper selects four prototype vehicles that had undergone active DPF(diesel engine par- ticulate trap) regeneration during the test. After the DPF active regeneration of the prototype vehicles was completed, the real driving emission tests under normal condition were performed. Comparing the emission test data of the prototype DPF active regeneration with the normal state, the results showed that compared with the normal state, when the prototype DPF actively regenerated, the NOX and PN did not meet the requirement of the CHINA Six-stage emission regulation, and the NOX increased by 5.8-29.4 times; PN increased by 14.0-7148.9 times; CO did not have a consistent change trend; CO2increased by 6.3-24.2%; fuel consumption increased by 16.2-32.8%; dynamic performance remained unchanged.

DPF active regeneration; CO; NOx; PN; Fuel consumption; Power

U467

A

1671-7988(2022)02-96-06

U467

A

1671-7988(2022)02-96-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.022

高忠明，碩士，工程師，就職于中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，研究方向：重型整車排放。