DPF降怠速再生溫度場及碳載量分析

侯澤坤,陶建忠,郁錢,湯嘉立

(1.江蘇理工學院機械工程學院,江蘇 常州 213001;2.無錫威孚力達催化凈化器有限責任公司,江蘇 無錫 214000;3.江蘇理工學院計算機工程學院,江蘇 常州 213001)

柴油機以其熱效率高、動力性強等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各類交通運載工具中,但其對環(huán)境的污染也不容忽視。在大氣環(huán)境污染物中,超過90%的顆粒物、60%的氮氧化合物均由柴油機排放產(chǎn)生[1]。為了更好地處理柴油機排放問題,我國推出了車機第六階段排放法規(guī)以及非道路第四階段排放法規(guī)。最新的法規(guī)對PM、PN有了更嚴格的限制,因此后處理系統(tǒng)中的柴油顆粒捕集器(DPF)技術(shù)尤為關(guān)鍵[2-3]。

DPF進出氣口兩端采用交替堵孔的方式,允許氣流通過載體壁面上的多孔介質(zhì)流出,而將炭煙等固態(tài)顆粒物截流下來,以達到凈化排氣的目的。但是捕集的顆粒物不會消失,隨著運行時間的增長,顆粒物會在DPF中形成積聚,影響排氣背壓,長此以往甚至會導致柴油機動力不足而熄火。因此,每隔一段時間就需要DPF進行周期性再生,通過提升柴油機功率來提高排氣溫度,在一定溫度下DPF中的顆粒就會發(fā)生氧化反應(yīng)燃燒,達到清除顆粒物的目的[4-7]。但是超過一定的再生溫度DPF會有燒壞的可能,尤其是主動再生剛發(fā)生時,如果柴油機突然降至怠速(Drop to Idle,DTI),此時氧化反應(yīng)已經(jīng)開始,但是排氣流量突然大幅下降,大部分的熱量無法被氣流及時帶走,DPF可能會因高溫出現(xiàn)一定程度的損毀[8-11]。因此,找到DPF的高溫臨界點,使其能在安全條件下長期發(fā)揮作用是尾氣后處理研究的一個重點。唐蛟等[12]通過提升怠速的方法更快送走高溫尾氣,田徑等[13]通過提高碳載量并減少氧氣含量來控制再生速率,Patrick Recker等[14]通過降低DPF進氣端溫度來降低再生速率,以進一步控制再生溫度。

再生過程中出現(xiàn)的DTI現(xiàn)象不容忽視,已引起眾多關(guān)注,本研究在臺架上對DPF載體進行不同碳載量的加載,對比不同碳載量下的DPF各測溫點溫度隨時間變化,并對試驗后的載體進行法規(guī)循環(huán)驗證,確定了載體不被燒蝕損毀情況下的極限碳載量,為DPF再生安全性以及相關(guān)標定試驗提供一定參考。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

試驗發(fā)動機為1臺2.8 L電控柴油機,發(fā)動機主要參數(shù)見表1。

發(fā)動機試驗臺架布置如圖1所示,試驗采用HORIBA HD250測功機來測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩,采用HORIBA FQ2100油耗儀測量發(fā)動機的耗油量,采用HORIBA MEXA-7100D氣體分析儀測量排氣組分,采用HORIBA SPC-2300 顆粒計數(shù)器和AVL 472部分流顆粒分析儀測量PM和PN。

圖1 發(fā)動機試驗臺架示意

試驗對象由DOC、DPF和SCR組成,DOC和DPF參數(shù)見表2。

表2 DOC和DPF參數(shù)

T4傳感器位于DOC前端筒體,T5傳感器位于DPF前端筒體,DOC、DPF和SCR表層焊接隔熱棉。增壓器出口距ATS約150 cm,中間有彎頭連接,且無保溫棉包裹。發(fā)動機試驗臺架實拍見圖2。

圖2 發(fā)動機試驗臺架

DOC和DPF中分別布置4支和16支直徑為0.8 mm的K型熱電偶溫度傳感器,以檢測DOC和DPF載體內(nèi)部實時溫度,DPF安裝點見圖3。

圖3 DPF熱電偶分布

1.2 試驗方法

試驗對象為體積3.54 L的DPF1。試驗開始前,先對后處理系統(tǒng)進行預處理,將發(fā)動機設(shè)為標定點工況運行2 h,之后運行至下一工況點(70%最大排氣流量,DOC前端溫度350～400 ℃),手動開啟POI1,直至DPF前端溫度達到610 ℃,維持30 min。繼續(xù)再生15 min。然后關(guān)閉POI1,運行至降溫工況(高轉(zhuǎn)速/低負荷,DPF前端溫度約200 ℃),運行15 min。重復以上步驟,直至總再生時間達到4.5 h。由于載體會吸附空氣中的水蒸氣,所以稱重前需要將DPF載體放入馬弗爐中加熱,將熱電偶導線放在烤箱外,以300 ℃加熱30 min后取出稱重,獲取零點質(zhì)量。

按照規(guī)范進行法規(guī)循環(huán)(WHTC和WHSC)測試至少各兩次,判斷條件如表3所示。試驗全程未開啟尿素噴射,故NOx值不做參考。

表3 法規(guī)循環(huán)判斷條件

積炭至目標碳載量,選擇法規(guī)循環(huán)和路譜數(shù)據(jù)中DPF上游溫度低于250 ℃的工況,生成新的循環(huán)數(shù)據(jù),積炭24 h,積炭期間若碳載量小于0.8倍目標碳載量,每隔6 h稱重1次,接近目標碳載量后,縮短稱重間隔時間。試驗?zāi)繕颂驾d量分別為9 g/L,10 g/L,11 g/L。

積炭工況涵蓋了所有轉(zhuǎn)速,主要集中在1 800～2 600 r/min的低負荷區(qū)域,此區(qū)域溫度較低,排氣量較大,積炭相對均勻[15]。

DTI試驗過程中,熱機工況要滿足DPF上游溫度小于200 ℃,運行至WHSC第3工況點,進入再生模式。觀察壓差傳感器數(shù)值,當DPF兩端壓差由大變小時,在10 s內(nèi)將發(fā)動機運行至怠速工況,怠速運行10 min,回到NORMAL模式,直至DPF上游溫度低于200 ℃時停機。

DTI后稱重前要將載體放入馬弗爐,升溫時間30 min,上升至200 ℃,加熱1 h后取出稱重。按照規(guī)范進行法規(guī)循環(huán)排放試驗,若試驗結(jié)果滿足法規(guī)要求,表明載體未損壞,增加碳載量,重復上述步驟,直至排放結(jié)果超出法規(guī)限值,即載體損壞。

2 試驗結(jié)果及分析

為了確定發(fā)生DTI時DPF載體的極限碳載量,在WHSC第3工況點(103 N·m@2 017 r/min)進行熱機,待工況穩(wěn)定后,對不同碳載量的DPF載體進行DTI試驗。

2.1 9 g/L碳載量再生DTI溫度分布

9 g/L碳載量條件下的DPF載體溫度分布如圖4所示。在DPF兩端壓差穩(wěn)定后,進入再生模式工況,兩端壓差開始降低,從5.2 kPa降到5.0 kPa時將發(fā)動機在10 s內(nèi)降到怠速(再生模式),10 min后將發(fā)動機調(diào)回NORMAL模式,并進行降溫。

在進入怠速的短暫時間內(nèi),由于排氣量的驟降,導致DPF內(nèi)溫度急速上升,加之氧含量變大,燃燒速率快速增大,載體溫度隨之快速升高,最后緩慢下降。在再生模式下的怠速工況,溫度逐步緩慢提升并保持穩(wěn)定。

截面A的各溫度點對比如圖4a所示,處于中心點的T1溫度最高,高達903 ℃,最高溫差292 ℃,溫度梯度37.9 ℃/cm;圖4b中示出了截面B的各溫度點對比,T7溫度最高,最高溫度高達799 ℃,最大溫差165 ℃,溫度梯度22.6 ℃/cm;由圖4c可見,截面C的中心溫度為778 ℃。截面D的試驗數(shù)據(jù)異常,疑傳感器在試驗中發(fā)生損壞,此處不進行分析研究。

圖4 9 g/L碳載量下各測試點溫度隨時間變化

對比各截面溫度點最高溫度以及溫度梯度可以看出,DPF載體中心溫度高于邊緣溫度,后端溫度高于前端溫度,這是因為載體中心更不容易散熱,同時碳載量更多積累在DPF后端,在進入怠速后和氧氣充分反應(yīng)溫度會得到較大提升。

9 g/L試驗結(jié)束后拆除DPF載體,載體前端中心區(qū)域表面潔凈,邊緣存在少量顆粒物,后端表面整體潔凈,且前后端均無明顯燒蝕損壞的跡象,稱重得出DPF載體上還有2.57 g炭殘留。

9 g/L試驗后進行兩次法規(guī)循環(huán),結(jié)果如表4所示,PM和PN排放均滿足法規(guī)要求,且法規(guī)循環(huán)排放結(jié)果基本一致,可以判斷DPF沒有燒蝕損壞。

表4 9 g/L再生后法規(guī)循環(huán)測試結(jié)果

2.2 10 g/L碳載量再生DTI溫度分布

在試驗前將D截面的三個傳感器重新布置。10 g/L碳載量條件下的DPF載體溫度分布如圖5所示。在DPF兩端壓差穩(wěn)定后,進入再生模式工況,兩端壓差開始降低,從6.2 kPa降到6 kPa時將發(fā)動機在10 s內(nèi)降到怠速(再生模式),10 min后將發(fā)動機調(diào)回NORMAL模式,并進行降溫。

圖5a中示出了截面A的各溫度點對比,處于中心點的T1溫度最高,高達971 ℃,最大溫差385 ℃,溫度梯度50 ℃/cm;圖5b示出了截面B的各溫度點對比,T7溫度最高,最高溫度為907 ℃,最大溫差251 ℃,溫度梯度34.4 ℃/cm;圖5c示出了截面C的中心溫度,為868 ℃;圖5d示出了截面D的各溫度點對比,處于中心點的T14溫度最高,為770 ℃。截面D的T16傳感器在試驗中發(fā)生損壞,試驗數(shù)據(jù)不作處理。

10 g/L試驗結(jié)束后拆除DPF載體,載體前端中心區(qū)域表面潔凈,邊緣存在少量顆粒物,后端表面整體潔凈,且前后端均無明顯燒蝕損壞的跡象,稱重得出DPF載體上還有1.9 g炭殘留。

圖5 10 g/L碳載量下各測試點溫度隨時間變化

10 g/L試驗后進行兩次法規(guī)循環(huán),結(jié)果如表5所示,PM和PN排放均滿足法規(guī)要求,且法規(guī)循環(huán)排放結(jié)果基本一致,可以判斷DPF沒有燒蝕損壞。

2.3 11 g/L碳載量再生DTI溫度分布

11 g/L碳載量條件下的DPF載體溫度分布如圖6所示。在DPF兩端壓差穩(wěn)定后,進入再生模式工況,兩端壓差開始降低,從7.2 kPa降到7.0 kPa時將發(fā)動機在10 s內(nèi)降到怠速(再生模式),10 min后將發(fā)動機調(diào)回NORMAL模式,并進行降溫。

圖6a示出了截面A的各溫度點對比,處于中心點的T1溫度最高達到1 171 ℃,最大溫差576 ℃,溫度梯度74.8 ℃/cm;圖6b示出了截面B的各溫度點對比,T7溫度最高,最高溫度高達1 054 ℃,最大溫差402 ℃,溫度梯度55.1 ℃/cm;圖6c示出了截面C的中心溫度為1 006 ℃;圖6d示出了截面D的各溫度點對比,處于中心點的T14溫度最高,達到780 ℃,最大溫差173 ℃,溫度梯度69.2 ℃/cm。

圖6 11 g/L碳載量下各測試點溫度隨時間變化

11 g/L試驗結(jié)束后拆除DPF載體,載體前端中心區(qū)域表面潔凈,邊緣存在少量顆粒物,且無明顯燒蝕損壞的跡象,后端表面整體潔凈,但出現(xiàn)輕微裂痕,稱重得出DPF載體上還有0.5 g炭殘留。

11 g/L試驗后進行兩次法規(guī)循環(huán),結(jié)果如表6所示,PM排放無法滿足法規(guī)要求,且DPF后端出現(xiàn)輕微裂痕,PN結(jié)果和新鮮態(tài)排放結(jié)果相比已升高到更高的量級,可見DPF載體內(nèi)部存在燒蝕損壞的情況,試驗終止,此DPF載體最高碳載量為11 g/L。

表6 11 g/L再生后法規(guī)循環(huán)測試結(jié)果

對比不同碳載量再生結(jié)果發(fā)現(xiàn),保持再生目標溫度不變的條件下,DPF載體內(nèi)的最高溫度隨著顆粒物質(zhì)量的增加而升高,且到達最高溫度點所需時間隨著顆粒物的增加而縮短。這是因為隨著碳載量增加,DPF顆粒捕集逐漸由深床過濾過渡為濾餅過濾,捕集效率增加,導熱性變差,這也就導致了中心溫度高于外徑溫度。

再生結(jié)束后炭殘留隨碳載量增加而減少,這是因為NO2在氧化干炭煙時需要大量熱量,碳載量增加會直接提升反應(yīng)溫度,鉑、鈀、銠等貴金屬的活性會隨之提升,最終提升了再生效率,使載體中的炭煙實現(xiàn)更充分的燃燒。

2.4 不同DPF溫度場對比

對4.19 L的DPF進行10 g/L和11 g/L的DTI降怠速再生試驗,溫度測點選擇T1,T6,T7,以便觀察軸線及徑向溫度變化以及最大溫度和最大溫度梯度,其溫度隨時間變化見圖7。

由圖7a可見,10 g/L,11 g/L碳載量下最高溫度均出現(xiàn)在后端軸心處,分別為1 077 ℃,1 319 ℃。相比3.54 L的DPF各點溫度均有明顯提升,這是因為DPF容積提升導致總碳載量提升,并且由于排氣氣流不均勻,炭煙總量提升,導致炭煙分布在中心更多,軸向上炭煙也會先在后端積累,然后逐漸前移,這就導致后端的碳載量會高于中前端。其次,4.19 L的DPF直徑也有一定的變大,本身不易散熱的載體溫度更難向外逸散。另一方面,DPF入口處的溫度是一定的,但隨著排氣帶走前端炭煙燃燒的熱量,與后端炭煙燃燒釋放的熱量疊加,使得后端溫度更高,促進了后端炭煙氧化,并且隨著碳載量提升,后端溫度也會隨之提升。圖7b中示出了T1最高溫度出現(xiàn)在400 s左右,但是之后又出現(xiàn)了一個小波峰,這是因為前端輸送的熱量與后端炭煙達到起燃溫度的時間略有偏差。

圖7 4.19 L DPF各測點溫度隨時間變化

DTI試驗結(jié)束后對其進行法規(guī)循環(huán)測試,結(jié)果如表7和表8所示。10 g/L試驗后,PM和PN排放均滿足法規(guī)要求,且兩種法規(guī)循環(huán)排放結(jié)果基本一致,可以判斷DPF沒有燒蝕損壞。11 g/L試驗后,PM和PN排放均無法滿足法規(guī)要求,且DPF后端出現(xiàn)輕微裂痕,PN結(jié)果和新鮮態(tài)排放結(jié)果相比已升高到更高的量級,可見DPF載體內(nèi)部存在燒蝕損壞的情況。

對比兩個DPF試驗,兩者均在11 g/L碳載量下發(fā)生載體裂變,故建議碳化硅載體DPF碳載量不應(yīng)超過11 g/L。

3 結(jié)論

a) DTI過程是一個溫度急劇升高,達到頂點后緩慢降低的過程;發(fā)生DTI時,DPF載體后端溫度高于前端溫度,中心溫度高于邊緣溫度;

b) 碳載量越高,再生時最高溫度越高,達到最高溫度點所需的時間越短,更高的再生溫度使再生更充分,殘余碳載量隨之減少;試驗中DTI試驗最高溫度達到1 171 ℃,截面最大溫度梯度為74.8 ℃/cm;

c) 當碳載量達到11 g/L時,DPF對PN的捕集效率出現(xiàn)了明顯的變化,表明11 g/L是其上限值,標定時需要確認在任何運行模式下均不應(yīng)超過此限值。