國六重型柴油機后處理裝置再生驗證試驗研究

鄭巍,朱啟濤,程建康,張昌盛,王兆文

(1.襄陽達安汽車檢測中心有限公司,湖北 襄陽 441004;2.華中科技大學能源與動力工程學院,湖北 武漢 430074)

節(jié)能減排是發(fā)動機行業(yè)發(fā)展的迫切需求和必由之路。國六柴油機排放后處理裝置的主流配置有EGR+DOC+DPF+SCR+ASC和DOC+DPF+ SCR+ASC兩類[1-2],其中顆粒捕集器(DPF)是降低柴油機排氣中炭煙顆粒物(PM)的必備后處理裝置[3-4],其基本原理是利用過濾介質(zhì)把排氣中的PM分離并沉積下來。柴油機排氣中的PM粒徑分布范圍極廣,根據(jù)過濾介質(zhì)孔隙大小的差別,DPF分離可分為表面過濾和深床過濾[5]。表面過濾采用微孔直徑小于PM粒徑的過濾介質(zhì),使排氣中的PM分離,當排氣通過過濾介質(zhì)時,排氣中的PM被截留在過濾介質(zhì)的一側(cè),此種過濾方式主要處理粗顆粒態(tài)排放物。深床過濾是指過濾介質(zhì)的微孔直徑大于排氣中部分PM的粒徑,排氣通過過濾介質(zhì)時,該部分PM不易被過濾介質(zhì)截留,當柴油機尾氣通過過濾介質(zhì)時,伴隨過濾介質(zhì)的厚度增加,排氣中PM被截留在過濾介質(zhì)內(nèi)部微孔中的數(shù)量增加,對PM同樣有過濾的功能,該過濾方式主要處理聚集態(tài)和成核態(tài)顆粒排放物。實際柴油機DPF過濾時,同時存在表面過濾和深床過濾,其總體捕集效率可達95%以上[6-7]。DPF的高效捕捉會在較短時間內(nèi)積累大量的顆粒物,引起發(fā)動機排氣背壓升高,使發(fā)動機燃油經(jīng)濟性、排放惡化,需要有效的再生技術將捕集的顆粒物及時轉(zhuǎn)化掉[8-9]。

國六排放法規(guī)定義了DPF再生的兩種類型[10-11]:連續(xù)再生,指熱態(tài)WHTC(world harmonized transient cycle)試驗中至少發(fā)生一次再生的排氣后處理系統(tǒng)再生過程[12-13];周期性再生,指排放控制裝置不超過100 h便周期性發(fā)生的再生過程[14-15]。在汽車排放檢測中,企業(yè)申報后處理再生類型,由型式核準機構進行再生驗證。由于國六發(fā)動機后處理型式復雜,驗證過程中,不恰當?shù)脑偕炞C試驗方法會產(chǎn)生以下3個問題,導致錯誤的試驗結(jié)果。

1) 連續(xù)再生驗證過程中DPF發(fā)生主動再生,相比于正常狀態(tài),主動再生時發(fā)動機的NOx和PN排放均不滿足國六排放法規(guī)要求[16],從而誤導再生驗證判定;其次,連續(xù)再生型發(fā)動機和周期性再生型發(fā)動機的排放規(guī)律在短期內(nèi)很相似,也容易產(chǎn)生混淆或者誤判。

2) 周期性再生型柴油機中,運行一個完整的再生周期去區(qū)分再生類型耗時太久,造成資源浪費,增加企業(yè)負擔。

3) 周期性再生驗證過程中確認再生因子的試驗方法亦是難點。

針對目前存在的上述三個問題,本研究通過組織柴油機再生驗證試驗研究,先獲得連續(xù)再生型發(fā)動機和周期性再生型發(fā)動機的普遍排放規(guī)律。隨后,在周期性再生型發(fā)動機的再生驗證過程中,針對試驗周期長的問題,創(chuàng)新性地采用部分試驗結(jié)果去近似代替整個周期結(jié)果的驗證方法,獲得計算再生因子的工程經(jīng)驗方法,優(yōu)化了周期性再生驗證試驗流程,提出了較優(yōu)的再生驗證試驗方案。

1 試驗臺架及設備

再生驗證試驗主要測試設備包含測功機及測控系統(tǒng)、氣體分析儀、顆粒物采樣系統(tǒng)、全流稀釋系統(tǒng),本研究所用上述設備均為AVL產(chǎn)品,設備精度均滿足國六排放法規(guī)要求。所有試驗設備及測試系統(tǒng)均在校準檢定有效期內(nèi),主要設備及其參數(shù)見表1。

表1 設備及其參數(shù)

研究對象為發(fā)動機A和發(fā)動機B,兩發(fā)動機均為重型車用柴油機。發(fā)動機A裝備了連續(xù)再生后處理裝置,發(fā)動機B裝備了周期再生后處理裝置,其基本參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機參數(shù)

再生驗證試驗中,按國六標準的要求進行柴油機臺架準備、試驗室環(huán)境條件調(diào)試。柴油機運行時的邊界條件(如進氣阻力、排氣背壓、中冷后溫度等)根據(jù)柴油機生產(chǎn)廠家要求進行調(diào)整。

2 連續(xù)再生驗證試驗研究

試驗按照國六標準C.6.2.1規(guī)定的WHTC循環(huán)來進行,發(fā)動機進行熱態(tài)WHTC試驗循環(huán)前,按照第C.6.4.1條要求進行熱機,根據(jù)第C.6.6.3條要求進行熱浸。

按國六標準對連續(xù)再生的定義,對連續(xù)再生過程進行驗證,至少進行3次連續(xù)的熱態(tài)WHTC循環(huán)。如果試驗證明了生產(chǎn)企業(yè)說明的再生發(fā)生條件,且3次熱態(tài)WHTC試驗顆粒物質(zhì)量的比排放結(jié)果偏差在±25%以內(nèi)或小于0.005 g/(kW·h)(兩者中的大者),則認為排氣后處理系統(tǒng)是連續(xù)再生的。

連續(xù)再生型后處理系統(tǒng)應采用被動再生技術,WHTC試驗循環(huán)內(nèi)應發(fā)生再生反應,消耗發(fā)動機產(chǎn)生的PM,保證后處理裝置碳載量處于穩(wěn)定狀態(tài),并且后處理裝置的溫度和壓力不出現(xiàn)因主動再生而導致的突變。

申報為連續(xù)再生的發(fā)動機后處理系統(tǒng)主要采用被動再生技術。當發(fā)動機排氣溫度達到250～450 ℃、 NO2與PM 濃度比值大于12、 DOC氧化NO到NO2的性能較好時,DPF被動再生就自動發(fā)生。DPF中的碳載量、NO2濃度、影響化學反應時間的空速、DPF溫度、環(huán)境溫度5個因素是影響被動再生發(fā)生的主要因素。在再生驗證試驗中,由于驗證循環(huán)是固定的,NO2濃度、空速、DPF排氣溫度基本為恒定數(shù)值,因此主要研究碳載量和環(huán)境溫度對連續(xù)再生驗證結(jié)果的影響。

2.1 碳載量對連續(xù)再生驗證結(jié)果的影響

在DPF空載狀態(tài)下,對發(fā)動機A進行連續(xù)10 h的WHTC試驗,試驗過程中記錄后處理裝置前后溫度、排氣背壓。溫度和壓力測點示意見圖1,測量獲得的溫度及壓力數(shù)據(jù)見圖2。

圖1 后處理前后溫度、排氣壓力測點示意圖

圖2 后處理裝置前后溫度、排氣壓力的測試數(shù)據(jù)

試驗結(jié)束后,可從記錄的測試數(shù)據(jù)分析發(fā)動機A后處理裝置的再生發(fā)生情況。單個WHTC試驗中,發(fā)動機A的PM產(chǎn)生速率為2 g/h,系統(tǒng)排放速率0.06 g/h,再生速率約1.94 g/h。發(fā)動機A的DPF載體體積為9.3 L,最大PM載荷為6 g/L,最大載荷量為55.8 g,假設該DPF未發(fā)生再生,通過運行WHTC達到滿載需要27.9 h,DPF載體前后的壓差會逐漸增大到34 kPa。由圖2可知,DPF入口平均溫度為265 ℃,出口平均溫度為262 ℃,入口平均壓力為4.7 kPa,出口平均壓力為3.1 kPa,發(fā)動機A在10 h運行過程中,DPF前后溫度和壓力均未出現(xiàn)大幅波動現(xiàn)象,因此,可認為發(fā)動機A在WHTC試驗過程中發(fā)生了連續(xù)再生。

在DPF空載狀態(tài)、滿載狀態(tài)下分別進行6次WHTC排放測試,空載狀態(tài)下的柴油機NOx、PM、PN排放見圖3,滿載狀態(tài)下的柴油機NOx、PM、PN排放見圖4。

圖3 DPF空載狀態(tài)下的熱態(tài)WHTC排放結(jié)果

圖4 DPF滿載狀態(tài)下的熱態(tài)WHTC排放結(jié)果

由圖3可知,第一次熱態(tài)WHTC的PM結(jié)果要比后五次的平均結(jié)果高2.7倍,隨著試驗次數(shù)的增加,PM數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定;第一次熱態(tài)WHTC的PN數(shù)是后5次平均結(jié)果的2.2倍,甚至超過了標準限值,隨著試驗次數(shù)的增加PN數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定;NOx排放結(jié)果小幅波動,較為穩(wěn)定。這種現(xiàn)象是由DPF炭煙捕捉特性導致,DPF要達到最大的PM捕捉效率,需要表面過濾和深床過濾同時作用?？蛰d的DPF只有表面過濾而深床過濾未起作用,只有在吸附了一定數(shù)量的大粒徑PM后,DPF的捕捉效率才會逐漸提升,從而減少PM和PN。發(fā)動機A由于采用了較小孔隙率的DPF,排氣中PM被截留在過濾介質(zhì)內(nèi)部微孔中的數(shù)量增加得較多,因此在經(jīng)過了一個熱態(tài)WHTC后,DPF的捕捉效率才由90%提高到了97%。

由圖4可知,當DPF處于滿載狀態(tài)時,會觸發(fā)主動再生。主動再生前一次熱態(tài)WHTC排放結(jié)果中,滿載DPF的PN結(jié)果是空載后5次PN平均結(jié)果的63.4%。這是由于滿載狀態(tài)下DPF的深床過濾效率較高,DPF對PN有較好的過濾效果。第二次熱態(tài)WHTC時,滿載的后處理裝置發(fā)生主動再生,即發(fā)動機A通過后噴柴油的方式使得DOC的溫度迅速上升,發(fā)生清除DPF中炭煙的化學反應,第二次熱態(tài)WHTC的NOx排放是標準限值的2.2倍,PN是標準限值的1.4倍,PM是標準限值的1.5倍。在主動再生完成后的第3次熱態(tài)WHTC測試中,NOx排放是標準限值的1.05倍,PN是標準限值的1.98倍,PM是標準限值的0.6倍。在第4個熱態(tài)WHTC之后各項排放結(jié)果低于標準限值并趨于穩(wěn)定。這是由于在主動再生時,額外噴射的燃料在DOC和DPF中發(fā)生了劇烈的化學反應,使得發(fā)動機排放超出了后處理系統(tǒng)當前的處理能力,而發(fā)生再生后的第一個WHTC試驗跟空載的結(jié)果有相似性,由于DPF的碳載量大幅降低,DPF的深床過濾還未起作用。對于發(fā)動機A,主動再生完成后一個WHTC循環(huán)便能建立起較高的DPF捕捉效率,類似于空載狀態(tài)。

2.2 環(huán)境因素對再生驗證結(jié)果的影響

由于發(fā)動機A的后處理系統(tǒng)處于試驗室環(huán)境,環(huán)境溫度會影響DPF的入口溫度,20～30 ℃為國六柴油機臺架試驗標準要求溫度。本研究通過全室空調(diào)將環(huán)境溫度分別設置為20 ℃,25 ℃,30 ℃,對發(fā)動機A進行熱態(tài)WHTC試驗,以分析環(huán)境因素對再生驗證結(jié)果的影響。試驗結(jié)果見圖5。

圖5 發(fā)動機A在不同環(huán)境溫度下的熱態(tài)WHTC試驗結(jié)果

由圖5可知,三次熱態(tài)WHTC的試驗結(jié)果均能滿足標準要求,排放結(jié)果并未隨環(huán)境溫度變化呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。發(fā)動機A具有進氣節(jié)流閥和排氣背壓閥等熱管理裝置,當發(fā)動機端監(jiān)測到后處理裝置溫度不足時,會通過調(diào)節(jié)進氣節(jié)流閥開度和噴油策略來減少進氣量,升高排氣溫度以達到快速提高DPF載體溫度的目的,使DPF保持較高的連續(xù)再生能力。由此可知,在規(guī)定的試驗室環(huán)境范圍內(nèi),環(huán)境因素對再生驗證結(jié)果影響較小。

3 周期性再生驗證試驗研究

申報為周期性再生的發(fā)動機后處理裝置主要采用了主動再生技術,當發(fā)動機滿足運行時間/里程要求時,通過主動噴射燃油/缸內(nèi)后噴技術使DPF溫度達到550～650 ℃以清除PM。從再生條件分析,設定的運行時間為主要觸發(fā)條件,而碳載量是次要觸發(fā)條件。

3.1 時間/碳載量對周期性再生驗證的影響

圖6為周期性再生的影響邏輯圖。由圖6知,裝有周期再生后處理系統(tǒng)的發(fā)動機根據(jù)運轉(zhuǎn)時間或是碳載量自動執(zhí)行再生功能,各判定條件互不沖突,滿足其中一個條件即執(zhí)行。根據(jù)運轉(zhuǎn)時間執(zhí)行再生:計數(shù)器累計運轉(zhuǎn)設定的TIME1小時后執(zhí)行自動再生,再生成功后計數(shù)器清零;計數(shù)器累計運轉(zhuǎn)TIME2小時后,觸發(fā)手動再生要求,再生成功后計數(shù)器清零;計數(shù)器累計運轉(zhuǎn)TIME3小時后,進入再生禁止狀態(tài),并且故障燈點亮。根據(jù)累碳量執(zhí)行再生:根據(jù)壓差傳感器計算的碳載量,當判斷其達到滿載狀態(tài)后,執(zhí)行自動再生,再生成功后計數(shù)器清零;根據(jù)壓差傳感器計算碳載量,當判斷其達到滿載以上的碳載量后,觸發(fā)手動再生要求,再生成功后計數(shù)器清零;根據(jù)壓差傳感器計算累碳量,當判斷其達到裝載極限后,進入再生禁止狀態(tài),并且故障燈點亮。

圖6 時間/碳載量對再生的影響邏輯圖

對發(fā)動機B連續(xù)進行50 h的WHTC試驗,記錄后處理裝置前后溫度、排氣背壓數(shù)據(jù),分析發(fā)動機B后處理裝置的再生發(fā)生情況。圖7示出發(fā)動機B連續(xù)進行50 h的WHTC試驗的后處理裝置溫度和壓力數(shù)據(jù)。由圖7可知,DPF入口平均溫度為285 ℃,DPF出口平均溫度為263 ℃,DPF入口平均壓力為9.2 kPa,DPF出口平均壓力為0.7 kPa。發(fā)動機B單個WHTC試驗的PM產(chǎn)生速率為2.15 g/h,系統(tǒng)排放了0.08 g/h,單個WHTC試驗再生消耗的PM約為2.07 g/h。發(fā)動機B的DPF載體體積為11.3 L,最大載荷為6 g/L,最大載荷量為67.8 g,通過WHTC達到滿載需要32.8 h。在50 h內(nèi),發(fā)動機B的DPF前后溫度和壓力均未出現(xiàn)大幅波動現(xiàn)象,證明發(fā)動機B在WHTC試驗過程中也發(fā)生了被動再生,并且碳載量一直未處于滿載狀態(tài)。在50 h 后(圖中180 000 s處),發(fā)動機B出現(xiàn)了主動再生過程,DPF前后溫度和壓力有較明顯的突變。這表明,對于某些發(fā)動機,碳載量促發(fā)再生的時間可能會先于設定的再生時間,對于此類情況,再生周期應以較短的周期申報。

3.2 周期性再生中再生因子的計算

對接近再生的周期性再生發(fā)動機B連續(xù)進行10次熱態(tài)WHTC試驗,其中第1次為再生發(fā)生前進行,第2次為再生期間進行(一個循環(huán)內(nèi)完成再生過程),第3至第10次為再生發(fā)生后進行,10次排放試驗的NOx、PM、PN 結(jié)果見圖8。

圖8 接近再生的10次WHTC試驗結(jié)果

由圖8可知,發(fā)動機B觸發(fā)主動再生后,排放特性和觸發(fā)了主動再生的連續(xù)再生型后處理裝置很相似,均為發(fā)動機通過后噴柴油的方式使得DOC溫度迅速上升,同時清除DPF中積累的炭煙,此時的NOx、PN、PM排放均超過了標準限值,穩(wěn)定后的排放特性同連續(xù)再生型后處理裝置的排放特性也很相似。

(1)

(2)

(3)

表3 再生因子計算

由表3可知,本研究提出的再生因子計算方法精度較高,能夠替代完整的周期性再生驗證試驗,從而大幅減短驗證時間、減少驗證成本。

4 再生驗證試驗流程

根據(jù)連續(xù)再生驗證試驗研究規(guī)律,制定連續(xù)再生試驗流程(見圖9)。將預處理循環(huán)固定加入到程序中,可以提高試驗的準確性。

圖9 連續(xù)再生驗證試驗流程

根據(jù)周期性再生驗證試驗研究規(guī)律,并基于上述再生因子計算方法,制定周期性再生試驗流程(見圖10)。程序中加入了后處理的穩(wěn)定性判斷,以連續(xù)三次測試結(jié)果偏差在±25%以內(nèi)或小于0.005 g/(kW·h)(兩者中的大者)判定穩(wěn)定。

圖10 周期性再生試驗驗證流程

通過上述驗證流程優(yōu)化,可以通過較少的試驗次數(shù)得到一個精確的周期再生因子的試驗結(jié)果,并準確完成驗證試驗。

5 結(jié)論

a) 空載DPF的捕捉效率尚未達到最佳狀態(tài),進行再生驗證試驗前需要加入預處理循環(huán);

b) 連續(xù)再生型后處理裝置在進行再生驗證過程中,可通過DPF前后溫度、壓力、碳載量等數(shù)據(jù)的變化判斷在再生驗證過程中是否發(fā)生了炭煙再生;

c) 在標準規(guī)定的試驗室環(huán)境下,環(huán)境溫度因素對再生驗證結(jié)果的影響較小;

d) 周期性再生驗證方法中,為了測得兩次再生之間的平均比排放,可采用部分試驗替代完整周期的計算方法,大幅縮短了驗證時間,減少驗證成本。