DPF載體環(huán)裂故障分析

楊海龍，辛欣，鄭志強，楊永春，劉斌，劉陽，劉波

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

發(fā)動機排氣污染物是空氣污染的源頭之一，為減輕環(huán)境污染，國家對發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn)要求日趨嚴(yán)格[1-4]。為滿足排放法規(guī)的要求，柴油機排氣后處理技術(shù)日漸增多，主要包括柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)、選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)等[5-10]。

DOC使柴油機尾氣中的HC、CO和可溶性有機物(soluble organic fraction，SOF)與O2在低溫條件下進(jìn)行氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，并將尾氣中的NO氧化為NO2[11-13]，可提高SCR的轉(zhuǎn)化效率，同時為DPF被動再生提供足夠的NO2，提高DPF的被動再生效率；DOC還可以氧化缸內(nèi)后噴燃油，提高出口的排氣溫度，使DPF內(nèi)部發(fā)生主動再生，清除DPF內(nèi)的積碳[14-16]。

柴油機尾氣流經(jīng)DPF時，尾氣中的顆粒物(particulate matter，PM)被捕集留在過濾體上，較清潔的尾氣排入SCR進(jìn)一步凈化，DPF的捕集效率超過95%[17-18]。DPF捕集到一定數(shù)量的PM后，排氣背壓高，影響發(fā)動機的動力，因此需清除PM，保持排氣管的暢通。消除DPF內(nèi)累積PM的過程稱為DPF再生，再生方式分主動再生和被動再生：主動再生是控制發(fā)動機后噴燃油，燃油在DOC的作用下氧化放熱，為DPF主動再生提供所需熱量，主動再生的溫度為560～650 ℃，高溫將DPF內(nèi)的積碳氧化為CO2；被動再生是尾氣中的NO在DOC的作用下氧化為NO2，DPF將NO2作為氧化劑氧化PM生成CO2，NO2又被還原為NO[19-20]。

DPF再生過程中過高的再生溫度或熱疲勞均將導(dǎo)致DPF載體產(chǎn)生裂紋，使DPF的過濾性下降甚至失效。DPF載體裂紋是柴油機后處理技術(shù)面臨的一個較大問題，在實際配機使用過程中，出現(xiàn)過DPF載體環(huán)裂、面裂、燒熔等故障。本文通過臺架試驗研究DPF載體環(huán)裂現(xiàn)象，分析DPF載體環(huán)裂的影響因素，明確故障原因，提出解決方案，提高DPF使用的可靠性。

1 研究對象

1.1 試驗對象

采用某重型柴油機試驗臺架，因耐久試驗周期較長，采用A、B 2臺柴油機對DPF載體環(huán)裂現(xiàn)象進(jìn)行試驗分析，2臺柴油機中均裝配DOC、DPF和SCR后處理系統(tǒng)，試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 DPF載體環(huán)裂試驗裝置示意圖

1.2 故障現(xiàn)象

對柴油機A的后處理系統(tǒng)進(jìn)行再生耐久試驗?；谌蚪y(tǒng)一瞬態(tài)試驗循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)工況循環(huán)積碳至碳載量為4 g/L時進(jìn)行穩(wěn)態(tài)點再生，測得DPF內(nèi)部溫度峰值為1140 ℃，對DPF進(jìn)行透光檢查，發(fā)現(xiàn)透光，切割DPF后發(fā)現(xiàn)載體環(huán)裂。

對柴油機B進(jìn)行DPF載體冷熱沖擊試驗。DPF運行160 h后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)點再生和80次冷熱沖擊試驗，對DPF進(jìn)行透光檢查，發(fā)現(xiàn)透光，切割DPF后發(fā)現(xiàn)載體環(huán)裂。柴油機A、B的DPF載體環(huán)裂故障現(xiàn)象如圖2所示。

a)柴油機A b)柴油機B

分析柴油機A、B的DPF載體環(huán)裂故障的原因，需復(fù)現(xiàn)圖2中的故障現(xiàn)象，制作帶熱電偶的DPF-1、DPF-2、DPF-3測量再生過程中DPF內(nèi)部的溫度分布及溫度梯度，分析DPF載體環(huán)裂的原因。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 柴油機A的DPF載體環(huán)裂原因

2.1.1 WHTC工況下積碳再生試驗

DPF-1的熱電偶布置如圖3所示。由圖3可知：DPF-1內(nèi)部共布置10個測點，編號為5～14，測點5、6、7、8、13均勻布置在載體中軸線上，測點5、13分別布置在前、后端面，測點6、8分別布置在離前、后端面10 cm處，測點7在中心位置，測點9、10、11、12和14布置在測點8的徑向位置。其中，測點8、9、10、11之間間距為1 cm，測點12、14間隔1 cm。

a)DPF-1前端 b)DPF-1剖視圖 c)DPF-1后端

柴油機A在WHTC工況進(jìn)行積碳，當(dāng)模型碳載量為3.5 g/L時，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)點強制再生。再生過程中，DPF-1內(nèi)部各熱電偶的溫度測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：沿DPF-1中軸線從前端到后端各測點溫度依次升高，測點13溫度最高，為725 ℃；測點9～12、14溫度均較高，且外環(huán)溫度高于中心溫度，最高為750 ℃。在試驗過程中，監(jiān)測到DOC后端面HC的體積分?jǐn)?shù)為0.02%，低于設(shè)計要求(≤0.15%)，可知再生時HC泄漏量較少不會導(dǎo)致DPF內(nèi)部產(chǎn)生高溫現(xiàn)象，高溫主要由積碳燃燒引起，且越靠近后端溫度越高。

圖4 DPF-1再生過程中各測點溫度

2.1.2 降怠速(drop-to-idle，DTI)再生試驗

DPF-2的熱電偶布置如圖5所示。由圖5可知：DPF-2內(nèi)部共布置13個測點，編號1～13，均布置在載體中軸線上，其中測點5、13分別布置在前、后端面，測點6、8分別布置在離前、后端面10 cm處，測點7在中心位置，測點1～4、9～12布置在測點7前、后，每間隔1 cm布置1個。

a)DPF-2前端 b)DPF-2剖視圖 c)DPF-2后端

柴油機A在WHTC工況下進(jìn)行積碳，當(dāng)模型碳載量為4.5 g/L時，進(jìn)行DTI再生試驗，得到DPF-2各測點溫度如圖6所示。由圖6可知：DTI過程中，DPF-2上游溫度、測點5溫度緩慢下降，DPF-2內(nèi)部溫度快速升高，測點段6～7(DPF前半段)達(dá)到的最高溫度基本一致，測點段8～13(DPF后半段)溫度依次升高，測點13的最高溫度為850 ℃。

圖6 DTI試驗中DPF-2內(nèi)部各測點溫度 圖7 DTI試驗中DPF-2內(nèi)部溫度梯度

DTI試驗中DPF-2內(nèi)部溫度梯度如圖7所示。由圖7可知最大溫度梯度為76.6 ℃/cm。

表1 不同積碳循環(huán)下DPF內(nèi)部最高溫度

柴油機A在不同的積碳循環(huán)下進(jìn)行積碳，當(dāng)碳載量為3.5 g/L時進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況下的再生試驗，DPF內(nèi)部最高溫度如表1所示。由表1可知：不同積碳循環(huán)下達(dá)到同樣的碳載量，再生時DPF內(nèi)部最高溫度不同，說明不同積碳循環(huán)下，DPF的碳載量分布不同。

對柴油機A進(jìn)行同碳載量，不同再生設(shè)定溫度的再生試驗，結(jié)果如表2所示。由表2可知：同碳載量下，不同的再生設(shè)定溫度導(dǎo)致DPF再生最高溫度不同，再生設(shè)定溫度為560 ℃時，DPF可再生成功，再生最高溫度較低。

表2 不同再生設(shè)定溫度下DPF內(nèi)部再生最高溫度

對柴油機A進(jìn)行碳載量為3.3 g/L，DOC溫升速度分別為3、5 ℃/s的再生試驗，發(fā)現(xiàn)DPF再生最高溫度分別為750、721 ℃，可知DOC的溫升速度對DPF再生過程的溫度影響不大。

2.1.3 原因分析

通過分析柴油機A的試驗可知：1)DPF內(nèi)部產(chǎn)生高溫的主要原因是碳載量分布不均勻和再生設(shè)定溫度較高；2)DPF內(nèi)部溫度梯度產(chǎn)生的原因是DPF再生起燃過程和再生結(jié)束后斷油產(chǎn)生溫度梯度。

通過對柴油機A的再生試驗，再生設(shè)定溫度為600 ℃，碳載量控制在3.5 g/L以內(nèi)，在有階梯再生的情況下，最高溫度和溫度梯度均正常；再生溫度設(shè)定為560 ℃時也可再生成功，且再生最高溫度較低，風(fēng)險較小。

2.2 柴油機B的DPF載體環(huán)裂原因分析

2.2.1 熱沖擊試驗

對柴油機B的DPF進(jìn)行80次冷熱沖擊試驗，試驗前、后PM的循環(huán)質(zhì)量和顆粒物數(shù)量(particel number，PN)均滿足法規(guī)要求，剖開后無裂紋產(chǎn)生。

2.2.2 WHTC工況下無積碳再生試驗

DPF-3的熱電偶布置與圖3相同。對柴油機B進(jìn)行WHTC無積碳再生試驗。再生過程中，DPF-3各測點溫度如圖8所示，DPF-3中軸上各測點溫度基本一致，最高溫度為675 ℃，滿足設(shè)計要求。DPF-3無積碳再生徑向溫度梯度如圖9所示，DPF-3徑向溫度梯度變化較小，滿足設(shè)計要求。

圖8 DPF-3無積碳再生過程中各測點溫度 圖9 DPF-3無積碳再生徑向溫度梯度

2.2.3 原因分析

通過分析柴油機B的試驗可知DPF內(nèi)部溫度梯度形成的原因為：1)DPF再生過程中溫度升高；2)DPF再生過程中出現(xiàn)最高溫度，形成溫度梯度；3)再生結(jié)束后斷油，形成溫度梯度；4)行車再生過程中的后噴燃油突斷導(dǎo)致溫度突降，形成溫度梯度。

設(shè)定柴油機B的再生溫度為600 ℃，碳載量控制在4.5 g/L以內(nèi)，在有階梯再生的情況下，最高溫度和梯度均正常，風(fēng)險較小。

3 結(jié)語

基于臺架試驗分析柴油機DPF載體環(huán)裂現(xiàn)象及產(chǎn)生原因，采用帶熱電偶的DPF測試其再生過程中內(nèi)部溫度的變化，探究DPF載體環(huán)裂的原因。柴油機A的DPF出現(xiàn)載體環(huán)裂的主要原因是再生過程中出現(xiàn)高溫，溫度梯度較大，導(dǎo)致DPF載體環(huán)裂；基于排除法，推測柴油機B的DPF出現(xiàn)載體環(huán)裂現(xiàn)象的原因為熱疲勞。

可通過以下方法降低DPF載體環(huán)裂故障率：1)DPF再生起燃過程中控制起燃速度，減小溫度梯度；2)再生結(jié)束后階梯斷油，減小溫度梯度；3)再生溫度由600 ℃降至560 ℃。