降怠速工況DPF再生溫度及排放特性研究

吳撼明,李振國,邵元凱,王懋譞,張旺,蔡之洲

(1.中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300;2.移動源污染排放控制技術國家工程實驗室,天津 300300;3.武漢理工大學,湖北 武漢 430070)

柴油發(fā)動機因熱效率和燃油經(jīng)濟性高的優(yōu)點,成為輕、重型柴油車等道路移動源及農(nóng)用機械、工程機械等非道路移動源的主要動力裝置,在交通運輸領域發(fā)揮著重要的作用[1]。然而,柴油機的原始顆粒物(particulate matter,PM)排放和氮氧化物(nitrous oxides,NOx)排放對環(huán)境和人體健康的危害較大[2-3]。柴油顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)是一種有效降低顆粒物排放的方法,隨著排放法規(guī)不斷加嚴,DPF系統(tǒng)將是國六標準實施階段柴油機后處理的必然選擇[4]。DPF收集的炭煙顆粒會使發(fā)動機背壓上升,造成動力性、經(jīng)濟性和耐久性嚴重損失,因此必須通過再生及時去除[5-6]。

DPF主動再生溫度極易受到排氣溫度和排氣流量的影響[7]。極端情況下,發(fā)動機轉(zhuǎn)速可能會急降怠速(drop to idle,DTI),此時若進行主動再生,DPF會遭受嚴重熱應力,從而導致熔融和開裂。因此,有效控制主動再生過程溫度至關重要,國內(nèi)外研究者對DPF主動再生過程進行了廣泛研究。Yu等[8]研究了炭煙層厚度、DPF載體設計和進口流量參數(shù)對DPF溫度的影響,結果表明,拓寬傳熱前表面可以顯著降低峰值溫度,但只考慮了部分穩(wěn)定工況,未涉及DTI等強瞬態(tài)過程,缺乏擴大工況范圍對結論的支撐。Meng等[9]探討了載體材料對DPF再生性能的影響,結果表明,隨著排氣溫度的增加,DPF再生的峰值溫度和最大溫度梯度呈先緩慢后急劇增加的趨勢,但其采用的商業(yè)炭黑再生系統(tǒng),與實際柴油機顆粒演變過程難以完美吻合。劉琦等[10]進行了相關的選型試驗,以降低排氣阻力油耗,提高再生性能。李青等[11]進行了催化型顆粒捕集器(catalytic diesel particulate filter,CDPF)平衡點溫度試驗,研究了入口溫度對CDPF主被動再生的影響,但對再生階段的顆粒物排放特性研究尚有不足。Rodríguez-Fernández等[12]分析了在控制溫度-進氣條件下炭煙的氧化行為,并研究了燃燒過程對炭煙氧化性能的影響。Singh等[13]對主動再生過程中的PM和氣體排放進行了評估,結果表明,更高的CDPF入口溫度和PM負荷有利于CDPF的再生。黃鐵雄等[14]基于DTI再生探討了一種確定DPF安全再生溫度的試驗方法并得到安全再生溫度曲線,但未進一步討論排放性能可靠性判定。祁金柱等[15]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),DPF主動再生時進入DTI時間越早,最高溫度和最大溫度梯度越高,出現(xiàn)時刻也越早。

總體而言,研究人員以仿真或試驗以及二者相結合的方式對DPF再生過程進行了研究,然而,受制于主動再生化學反應動力學的復雜性、仿真建模的復雜性和工況適應性、試驗設備及系統(tǒng)布局完整性等條件,對DPF主動再生的研究仍然存在仿真結果工況適應性差,試驗數(shù)據(jù)難以全面表征再生特性等問題,尤其對柴油機DTI后的主動再生溫度特性及排放特性的綜合分析及評價仍有不足。對此,本研究利用發(fā)動機測功臺架研究了堇青石DPF在不同碳載量下的溫度和排放特性,對DTI條件下堇青石載體的過濾性能進行了定性和定量評價,為確定極限碳載量、制定安全再生策略提供參考。

1 試驗裝置及方法

1.1 發(fā)動機臺架及測試設備

試驗所使用的柴油機臺架試驗系統(tǒng)如圖1所示。發(fā)動機的相關技術參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)

圖1 試驗系統(tǒng)示意

試驗使用的測試設備如表2所示。使用AVL MSS-483微炭煙分析儀和AVL 489顆粒物計數(shù)器分別測量發(fā)動機DPF上游和DPF下游PM和PN的濃度,并以其過濾效率來評估載體DTI再生后的過濾性能;在DPF內(nèi)部布置熱電偶以測量載體內(nèi)部溫度場分布;使用高精度電子天平進行DPF的稱重。

表2 測試設備信息

1.2 后處理系統(tǒng)

試驗采用耦合柴油氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油顆粒捕集器DPF及選擇性催化還原器(selective catalytic reduction,SCR)的后處理裝置,其中DOC和DPF的相關技術參數(shù)如表3所示。在DOC上游、DPF上游均布置了溫度傳感器以判定再生條件和再生時機,在DPF兩端布置了壓差傳感器以測量DPF壓降。

表3 后處理系統(tǒng)技術參數(shù)

1.3 溫度傳感器布置

試驗采用熱電偶測量DPF載體內(nèi)的溫度分布,將9個鎧裝熱電偶分別布置在DPF入口、中部以及出口的各個位置。熱電偶的測量范圍為0～1 400 ℃,誤差在±0.4%以內(nèi)。具體的熱電偶安裝布置情況如圖2所示,其中,T1,T2和T3獲取DPF軸心溫度,T4,T6和T8獲取DPF中環(huán)溫度,T5,T7和T9獲取DPF外環(huán)溫度。

圖2 DPF內(nèi)部熱電偶布置示意

1.4 試驗方法

基于試驗臺架進行DPF的DTI再生試驗。DPF主動再生過程中,利用高壓共軌系統(tǒng)實現(xiàn)缸內(nèi)后噴,使未燃THC在DOC內(nèi)部發(fā)生氧化放熱反應,從而加熱排氣,使DPF入口溫度達到預設的再生溫度。為了探究DPF主動再生過程中進入DTI工況后的溫度特性、排放特性,確定安全再生極限碳載量,本研究設計了不同碳載量下的DTI再生試驗,試驗流程如圖3所示。首先對后處理系統(tǒng)催化器進行預處理,在450 ℃排氣溫度下恒溫活化4 h。預處理完成后,按下列步驟進行試驗:

圖3 試驗流程示意

1) 進行一次熱態(tài)全球統(tǒng)一瞬態(tài)試驗循環(huán)(world harmonized transient cycle,WHTC),得到發(fā)動機原始排放及DPF出口處PM和PN排放,并與國六限值對比;

2) 多次運行WHTC循環(huán),進行DPF的累碳,每5次循環(huán)后停機,拆卸DPF,稱重并計算碳載量,重復以上過程,直至達到目標碳載量;

3) 調(diào)節(jié)發(fā)動機工況至轉(zhuǎn)速1 100 r/min和扭矩200 N·m,保持工況穩(wěn)定,待排氣溫度達到200 ℃后,開啟計時器,自0 s開始計時,并啟動后噴進入主動再生階段;隨著燃油中THC催化氧化反應的進行,排氣溫度及DPF上游溫度不斷上升;

4) 當DPF上游溫度達到DTI預設溫度620 ℃時,由于DPF內(nèi)炭煙顆粒的燃燒,DPF兩端壓差會持續(xù)下降,在檢測到DPF壓差下降5%后,記錄此時刻計時器示數(shù),并立即使發(fā)動機降到怠速800 r/min,進入DTI階段,并持續(xù)記錄熱電偶和壓差傳感器數(shù)值,怠速穩(wěn)定15 min;

5) 噴油再生清除DPF剩余積碳,停機檢查DPF。

重復以上步驟,完成碳載量4 g/L,5 g/L,6 g/L,7 g/L下的DPF降怠速再生試驗,試驗結束后,獲取DPF載體溫度分布,并由式(1)至式(3)計算溫度梯度和PM、PN的過濾效率。在安全再生前提下,結合國六法規(guī)要求,評估炭煙過濾性能,并確定DPF的極限碳載量。

(1)

(2)

(3)

式中:Ti和Tj為第i和第j個熱電偶測點的溫度值;di-j為兩個測點間的距離;cPM1,cPM2,cPN1,cPN2分別為DPF入口和出口處的PM和PN濃度。具體的穩(wěn)態(tài)試驗工況如表4所示。

表4 DTI試驗工況

2 試驗結果與分析

2.1 碳載量4 g/L時的 DPF溫度特性

完成了初始碳載量在4 g/L時的DTI再生試驗,試驗過程中DPF的內(nèi)部溫度分布如圖4a所示。由圖可見,隨著燃油的注入,DOC內(nèi)發(fā)生THC的氧化反應,排氣溫度上升,DPF內(nèi)各測點的溫度也逐漸上升。發(fā)動機在905 s進入怠速,此后,由于排氣流量急劇下降,PM燃燒產(chǎn)生的熱量大量積累在DPF內(nèi)部而無法及時被排氣帶走,各測點溫度呈失控狀急劇升高,到達峰值后,在600 s逐漸下降到穩(wěn)定值。軸向上,位于DPF入口軸心處的T1于908 s到達峰值648.2 ℃,在DPF中部軸心處的T2于948 s達到峰值722.2 ℃,在DPF出口軸心處的T3于952 s達到峰值1 014.3 ℃。一方面,在炭煙的積累過程中,受排氣運動作用,DPF后端堆積的炭煙顆粒更多,另一方面,沿氣流方向的傳熱傳質(zhì)導致DPF后端堆積更多熱量,二者共同作用,進一步促進了炭煙顆粒的劇烈燃燒,導致DPF后端的高溫。徑向上,溫度分布從軸心到載體中環(huán)到外側(cè)呈先升高再降低的趨勢,最高溫度出現(xiàn)在DPF中環(huán)附近,后端中環(huán)處的T8于958 s達到峰值1 054.3 ℃。這是排氣徑向傳熱以及DPF外殼軸向熱對流共同作用導致的。此外,DPF內(nèi)徑向和軸向的溫度分布極不均勻,外側(cè)的溫差顯著高于內(nèi)側(cè),中后段的溫差顯著高于中前段。

圖4 DPF碳載量4 g/L時的溫度分布

圖4b示出碳載量為4 g/L時的DPF內(nèi)部溫度梯度。為了便于觀察,在軸向和徑向上僅選取最大溫度梯度出現(xiàn)處的測點進行溫度梯度分析,本組試驗中為DPF外側(cè)的軸向梯度G5-7,G5-9,G7-9和靠近出口端面的徑向梯度G3-8,G3-9,G8-9。軸向上,再生初期對軸向溫度梯度的影響相對較小,各溫度梯度幾乎為0,溫度分布在軸向上保持較好的均勻性;進入DTI后,G5-7在1 046 s達到峰值-10.6 ℃/cm,G5-9和G7-9在1 011 s分別達到峰值-10.4 ℃/cm和-11.5 ℃/cm,表明前端的溫度均勻性較好,而后端由于放熱反應劇烈,溫升速率較大,溫度不均勻性較顯著。徑向上,再生前期升溫階段,存在一個初始溫度梯度,這是排氣與DPF外表面的輻射與對流換熱造成的,進入DTI后,由于DPF軸心處炭煙堆積燃燒產(chǎn)生的熱量向外表面不斷傳遞,測點之間的溫度大小關系發(fā)生轉(zhuǎn)變,溫度梯度曲線因此存在兩個峰值,G3-8在949 s達到第一個峰值33.2 ℃/cm,在968 s達到第二個峰值-15.2 ℃/cm;G3-9在951 s達到第一個峰值38.8 ℃/cm,在980 s達到第二個峰值-11.1 ℃/cm;外環(huán)溫度梯度G8-9在956 s達到了第一個峰值72.0 ℃/cm,在982 s達到第二個峰值-9.7 ℃/cm。中外環(huán)的最大溫度梯度幾乎是內(nèi)環(huán)的兩倍,表明DPF后端外側(cè)的熱量損耗更為明顯,載體受熱沖擊影響也更大。

2.2 碳載量5 g/L時的 DPF溫度特性

圖5a示出碳載量為5 g/L時的DPF內(nèi)部溫度分布。發(fā)動機在967 s進入怠速,與圖4a類似,峰值溫度沿DPF軸線由前端向后端逐漸增加,最高溫度于1 009 s出現(xiàn)在后端中環(huán)T8處,達到了1 167.7 ℃。堇青石載體在此溫度下可能已經(jīng)發(fā)生部分微孔熔化,導致DPF過濾性能下降。

圖5 DPF碳載量5 g/L時的溫度分布

圖5b示出碳載量為5 g/L時的DPF內(nèi)部溫度梯度。選取DPF外環(huán)的軸向梯度G5-7,G5-9,G7-9和后端的徑向梯度G3-8,G3-9,G8-9進行分析。軸向上,G5-7在1095 s達到峰值-13.9 ℃/cm,G5-9和G7-9在1 046 s分別達到峰值-49.7 ℃/cm和-88.3 ℃/cm。徑向上,G3-8在1 009 s達到峰值-112.4 ℃/cm,G3-9在1 046 s達到峰值-50.5 ℃/cm,G8-9在1 009 s達到峰值119.5 ℃/cm。徑向上的溫度梯度,尤其是外環(huán)梯度明顯高于軸向,表明DPF若發(fā)生破裂,更可能會以后端的橫向斷裂形式出現(xiàn)。

2.3 碳載量6 g/L時的 DPF溫度特性

圖6a示出碳載量為6 g/L時的DPF內(nèi)部溫度分布。發(fā)動機在980 s進入怠速,最高溫度于1 060 s出現(xiàn)在后端中環(huán)T8處,達到了1 358.3 ℃,這一溫度已經(jīng)接近堇青石材料的熔點1 400 ℃,考慮到DPF中灰分的堿金屬成分(K,Na等)所形成的硅酸鹽會降低載體整體熔點,在這一碳載量下進行DTI試驗,DPF燒融劣化而導致失效的可能性很大,已經(jīng)無法保障工作的可靠性。

圖6 DPF碳載量6 g/L時的溫度分布

圖6b示出碳載量為6 g/L時的DPF內(nèi)部溫度梯度。本組試驗中選擇DPF中環(huán)的軸向梯度G4-6,G4-8,G6-8和中間截面的徑向梯度G2-6,G2-7,G6-7進行分析。軸向上,隨著DTI的進行,DPF后端大量放熱,G4-6在1 045 s達到峰值-77.4 ℃/cm,G4-8在1 061 s達到峰值-68.0 ℃/cm,G6-8在1 073 s達到峰值-105.2 ℃/cm。徑向上,G2-6在1 043 s達到峰值-60.8 ℃/cm,G2-7在1 079 s達到峰值-32.7 ℃/cm,G6-7在1 043 s達到峰值132.61 ℃/cm。與圖5相比,溫度梯度有進一步的提高。此外,考慮到堇青石載體徑向膨脹系數(shù)是軸向膨脹系數(shù)的兩倍,此時已經(jīng)非常容易因受熱不均而發(fā)生熱損壞,造成局部燒融和破裂。

2.4 碳載量7 g/L時的 DPF溫度特性

圖7a示出碳載量為7 g/L時的DPF內(nèi)部溫度分布。發(fā)動機在971 s進入怠速,最高溫度于1 022 s出現(xiàn)在后端中環(huán)T8處,達到了1 394.1 ℃,此時堇青石DPF已發(fā)生嚴重燒融。

圖7 DPF碳載量7 g/L時的溫度分布

圖7b示出碳載量為7 g/L時的DPF內(nèi)部溫度梯度。本組試驗中選擇DPF外側(cè)的軸向梯度G5-7,G5-9,G7-9和靠近出口端面的徑向梯度G3-8,G3-9,G8-9進行分析。軸向上,G5-7在1 051 s達到峰值-52.3 ℃/cm,G5-9在1 050 s達到峰值-66.2 ℃/cm,G7-9在1 043 s達到峰值-91.0 ℃/cm。徑向上,G3-8在1 005 s達到峰值72.7 ℃/cm,G3-9在1 009 s達到峰值57.8 ℃/cm,G8-9在1 022 s達到峰值139.0 ℃/cm?？梢园l(fā)現(xiàn),在7 g/L碳載量時進入DTI,DPF內(nèi)部最大溫度梯度幾乎達到140 ℃/cm,大幅超出堇青石載體的耐受限值,試驗結束后拆卸DPF時發(fā)現(xiàn),致密的多孔陶瓷結構已經(jīng)被破壞,DPF已失去炭煙過濾能力。

不同碳載量下DPF的峰值溫度和最大溫度梯度如圖8所示?？梢钥闯?碳載量為4 g/L,5 g/L,6 g/L和7 g/L時,峰值溫度均大幅超過常規(guī)工況下的再生溫度,會對載體造成巨大的熱損害。碳載量的增加會導致DPF尺寸發(fā)生變化,孔道有效流通面積減小,極大地影響熱量傳輸過程,顯著增大熱通量和溫度梯度,然而,這一增長速率隨著碳載量的增加也有所減緩,這與載體反復遭受熱沖擊后結構損壞、傳熱能力下降有關。

圖8 不同碳載量時的峰值溫度與最大溫度梯度

2.5 DTI對顆粒物排放的影響

從圖8可以看出,隨著碳載量的增加,DPF內(nèi)部溫度和溫度梯度逐漸接近甚至超過堇青石載體的耐受極限。為了判斷DPF是否損壞,在DTI試驗結束后,噴油完成DPF的完全再生,并進行一次熱態(tài)WHTC循環(huán)以測量PM和PN濃度,通過比較各排放數(shù)據(jù)和過濾效率結果來評估DTI后DPF的過濾性能,由此反映DPF的失效程度。排放特性結果如表5所示,當碳載量從0 g/L增加到4 g/L,5 g/L,6 g/L和7 g/L時,PM和PN排放量均有增加,過濾效率有所降低。其中,碳載量在6 g/L以下時,PM排放保持在較低水平,碳載量增加到7 g/L時,PM排放明顯增加,為2.758 mg/(kW·h)。PM的過濾效率也從初始的97.26%下降到60.88%,說明此時載體結構已經(jīng)被破壞,PM捕集能力明顯下降。然而,PM排放始終滿足國六限值,且仍存在42.92%的裕量,說明即使存在一定程度的失效,DPF仍保有可接受的PM質(zhì)量濃度減排能力。而另一方面,隨著碳載量的增加,PN排放急劇增加,甚至出現(xiàn)數(shù)量級的變化。當碳載量為6 g/L時,PN排放量為6.031×1011個/(kW·h),已經(jīng)超過國六限值的6.000×1011個/(kW·h)。當碳載量達到7 g/L時,PN排放量達到6.284×1012個/(kW·h),已超過法規(guī)限值10倍以上,PN過濾效率也下降到50.98%,標志著PN過濾能力完全喪失。因此,根據(jù)表5,堇青石DPF的主動再生推薦碳載量為4～5.5 g/L,同時為了滿足更嚴格的法規(guī)要求,極限碳載量不應超過6 g/L,否則可能導致DPF載體的嚴重損壞和完全失效,嚴重惡化發(fā)動機和后處理系統(tǒng)的可靠性。

表5 WHTC循環(huán)排放特性結果

3 結論

a) 進入DTI后,PM燃燒產(chǎn)生的熱量在DPF內(nèi)積累,由于排氣流量驟減而不能及時排出,促進了炭煙的劇烈燃燒,從而產(chǎn)生了一個溫度峰值,峰值溫度出現(xiàn)在DTI后1 min前后,且始終出現(xiàn)在DPF載體后端中環(huán)處;DPF內(nèi)部的溫度分布極不均勻,外環(huán)的溫度梯度往往是內(nèi)環(huán)的2倍以上;

b) 碳載量由4 g/L增加到5 g/L,6 g/L,7 g/L,峰值溫度從1 053.4 ℃增加到1 167.7 ℃,1 358.3 ℃,和1 394.1 ℃,分別提高10.9%,28.9%和32.3%;最大溫度梯度從72.0 ℃/cm增加到119.5 ℃/cm,132.6 ℃/cm和139.0 ℃/cm,分別提高66.0%,84.2%和91.1%;當超過堇青石陶瓷材料的耐受溫度和溫度梯度極限時,DPF熔化和開裂的可能性很大;

c) 從WHTC瞬態(tài)循環(huán)結果看,DTI試驗后,PM和PN排放以及過濾效率均有所惡化;PM過濾效率隨著碳載量的增加而降低,但PM排放始終保持在較低水平,且始終滿足國六限值要求;隨著碳載量的增加,PN排放量急劇上升,甚至達到國六限值的10倍以上;綜合考慮DPF的再生可靠性和排放性能,堇青石DPF主動再生的推薦碳載量范圍為4～5.5 g/L,為了滿足更嚴格的法規(guī)要求,極限碳載量不應超過6 g/L。