CDPF再生性能的试验研究

李路， 孟忠伟， 陈超， 张川， 闫妍， 柏威廉

(1. 西华大学汽车与交通学院汽车测控与安全四川省重点实验室， 四川 成都 610039；2. 浙江通源材料有限公司， 浙江 温岭 317500)



CDPF再生性能的试验研究

李路1， 孟忠伟1， 陈超1， 张川1， 闫妍1， 柏威廉2

(1. 西华大学汽车与交通学院汽车测控与安全四川省重点实验室， 四川 成都 610039；2. 浙江通源材料有限公司， 浙江 温岭 317500)

基于外加热源再生性能测试台架，研究了来流参数和灰沉积对催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)再生性能的影响规律，并比较了DPF和CDPF在再生性能上的差异。结果表明：随着来流温度的增加，载体的最高温度和最大温度梯度先保持不变，后迅速增大，再生效率和效能比也逐渐增大；随着来流温度脉冲持续时间的增长，载体的最高温度基本保持不变，最大温度梯度略有增大，再生效率逐渐增大，但效能比却逐渐降低；随着灰沉积量的逐渐增大，载体的最高温度和最大温度梯度基本保持不变，再生效率和效能比却逐渐降低；在来流温度为475 ℃时，相较于DPF内碳黑基本不发生反应，CDPF内碳黑发生剧烈氧化，最高温度和最大温度梯度升高，再生效率和效能比也随之升高。

来流参数； 灰沉积； 催化型柴油机颗粒捕集器； 再生

柴油机以燃油经济性好、CO2排放低和性能可靠备受关注，但其PM排放是同排量汽油机的30～80倍[1-2]，严重制约其应用。目前，壁流式颗粒捕集器是公认的降低PM排放最有效的装置之一[3]，其捕集效率可达95%以上[4-5]。但随PM在捕集器内部的沉积，DPF两端压降会逐渐升高，影响发动机性能，因此需要对沉积的颗粒物进行清除[6-8]。当前，催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)由于催化剂作用而使炭烟具有较低的起燃温度，因而备受各主机厂青睐，诸多学者也对CDPF进行了相关研究。楼狄明等[9-10]研究了CDPF对柴油机颗粒物数量浓度的影响和CDPF在公交车实际道路上的颗粒物数量、质量排放，但以上研究均未涉及CDPF内部再生性能；Kiyoshi Yamazaki 等[11]研究了两种灰沉积对催化剂催化效果的影响，结果表明，随着灰颗粒层厚度的逐渐增大，活化能逐渐增大，但该结果是基于单通道试验，与整个CDPF沉积时相差较大，有必要开展整个载体的再生情况。本研究利用外加热源再生性能测试台架，研究了来流参数及灰沉积对CDPF再生性能的影响规律，并比较了DPF和CDPF在再生性能上的差异，为CDPF的再生优化和控制策略制订提供试验基础。

1 试验设备及试验方法

1.1 试验台架

借鉴并改进文献[12]中的加载方法，搭建了颗粒/灰加载装置(见图1)。装置包括三部分：颗粒发生段、加载主体段和抽吸段。空气压缩机提供高压干燥空气，在流量调节阀的调节下，空气进入颗粒发生器，将碳黑扬起，形成气溶胶；在工业吸尘器的抽吸下，气溶胶进入加载主体段，使得颗粒在DPF内沉积，实现颗粒的加载。采用该加载方式，颗粒的沉积与DPF实际使用确实存在差异，但本研究仅针对CDPF内部再生性能，暂不考虑加载方式的影响。因此利用本加载方法，既能实现快速便捷的颗粒加载，又能保证试验的重复性。

试验搭建的外加热源再生台架见图2。主要包括流量控制系统、加热系统、再生主体段、数据采集系统四部分。空气压缩机提供的压缩干燥空气，在质量流量计精确控制下，经加热器加热后，进入DPF再生主体段加热载体，后排入大气。载体内部温度场变化由温度传感器测量，通过数据采集卡和LabView软件采集，能在线显示和存储数据。再生试验中，对加热器及再生主体段进行了保温，以减少热量损失，降低测量误差。

1.2 试验材料

本试验采用被广泛用以模拟柴油机颗粒的商用碳黑Printex-U[13]，其主要参数见表1。同时，由于灰是由长时间循环再生时颗粒中无法燃烧的部分累积而来，担载真实灰则需要大量的工作，因此选用直径与真实灰相近的飞灰来模拟真实灰，其主要参数见表2。

表1 碳黑主要参数

表2 灰主要参数

试验选用的DPF载体为国产堇青石壁流式非催化型载体(直径144 mm，长度152 mm，孔目数15.5 孔/cm2)，催化剂采用高比表面积(150 m2/g)TM型Al2O3，贵金属Pt负载量为0.177 g/dm3。

1.3 试验方法

本研究利用加载台架进行碳黑加载，并利用外加热源再生性能测试台架开展再生试验。根据来流参数对DPF再生性能影响的试验结果选择如下的试验条件：碳黑担载量5 g/L，来流流量16.8 g/s，来流氧体积分数21%，来流温度脉冲持续时间500 s，1 000 s，2 000 s，来流温度范围425～475 ℃[14]；根据文献[11]及灰沉积对压降的影响综合考虑，灰担载量选择为1 g/L和5 g/L。

载体内的温度测点分布见图3，总共布置14个测点，分别在CDPF轴心布置5个测点，外圈径向入口、中部及出口位置均布置3个测点。其中，为了评价再生性能而定义了如下参数：1)Tmax，载体内部达到的最高温度；2)温度梯度(dT/dx)，以轴向相邻测点中后点温度减去前点温度，并除以两测点间距，温度梯度最大值为(dT/dx)max；3)再生效率η，利用称重法得到再生前后的质量差，即可得到整个再生过程的再生效率η；4)效能比ε，利用该参数可以评价能量利用率，其计算公式为

式中：cp为定压比热容；qm为来流质量流量；T1为DPF入口温度；T0为来流初始温度；t为加热器加热时间。

2 试验结果与分析

2.1 来流温度对CDPF再生性能的影响

来流温度对CDPF再生性能的影响规律见图4和图5，试验条件为碳担载量5 g/L，来流流量16.8 g/s，来流氧体积分数21%，来流温度脉冲持续时间1 000 s。由图4可知：随着来流温度的增加，再生最高温度和最大温度梯度先基本保持不变，后迅速增大，存在来流温度敏感区域(来流温度大于450 ℃)。分析其原因：来流温度较低时，CDPF内碳黑在催化剂的作用下发生缓慢氧化反应，反应速率低；随着来流温度的升高，碳黑在催化剂的作用下发生剧烈的氧化反应，反应速率迅速增大，载体的最高温度和最大温度梯度迅速上升。由图5可知：随着来流温度的增加，CDPF的再生效率和效能比逐渐增加，且在来流温度为425 ℃时已具有13%的再生效率。其原因是在催化条件下，来流温度的升高有利于碳黑氧化反应的进行。

2.2 来流温度脉冲持续时间对CDPF再生性能的影响

来流温度脉冲持续时间对CDPF再生性能的影响规律见图6和图7，试验条件为碳担载量5 g/L，来流流量16.8 g/s，来流温度450 ℃，来流氧体积分数21%。由图6可知：随着来流温度脉冲持续时间的增长，最高温度基本保持不变，最大温度梯度略有增大。分析其原因：温度脉冲持续时间的增

长对碳黑反应速率影响不大，但会使整个反应过程中载体吸收的热量增加。由图7可知：随着来流温度脉冲持续时间的增长，再生效率逐渐增大，但效能比逐渐降低。分析其原因：随着来流温度脉冲时间的增长，碳黑的反应时间增长，其再生总量增加，而温度脉冲持续时间的增长造成了较大的能耗增加，其能量利用率下降。通过增长来流温度脉冲持续时间来提高再生效率是一种不经济的方式。

2.3 灰沉积对CDPF再生性能的影响

灰沉积对CDPF再生性能的影响规律见图8和图9，试验条件为碳担载量5 g/L，来流流量16.8 g/s，来流温度450 ℃，来流氧体积分数21%，来流温度脉冲持续时间1 000 s。由图8可知：随着灰沉积量的逐渐增大，最高温度和最大温度梯度保持不变。分析其原因：碳黑在CDPF内缓慢氧化，氧化释放的热量被来流迅速带走，最高温度和温度梯度主要受来流温度的影响。由图9可知：随着灰沉积量的逐渐增大，再生效率和效能比均逐渐降低；再生效率最大降幅为14%，根据再生效率拟合公式计算得，当灰担载量13 g/L时，再生效率为0。分

析其原因：CDPF内碳黑的氧化是一个固(催化剂涂层)—气(氧气)—固(碳黑)反应，而灰沉积在CDPF催化剂涂层上，形成灰颗粒层，阻碍了催化剂涂层和碳黑的直接接触，增大了活性氧原子的移动距离，反应速率下降，再生效率和效能比逐渐降低。灰沉积在一定程度上降低再生性能，有必要定期清灰。

2.4 DPF与CDPF再生性能差异比较

DPF与CDPF在起燃温度上相差较大，其再生性能亦有较大差异。选择CDPF主动再生温度(475 ℃)比较了DPF与CDPF再生性能差异，结果见图10和图11，试验条件为碳担载量5 g/L，来流流量16.8 g/s，来流温度450 ℃，来流氧体积分数21%，来流温度脉冲持续时间1 000 s。由图10可知：DPF再生最高温度和温度梯度均低于CDPF，且DPF的最高温度基本等于来流温度。分析其原因：DPF内的碳黑在475 ℃时基本不发生氧化反应；而CDPF由于具有催化剂的作用，使得碳黑在较低的来流温度下就能发生反应，且475 ℃接近于CDPF主动再生的来流温度，CDPF内的碳黑剧烈反应，最高温度和最大温度梯度迅速增大。由图11可知：DPF内的碳黑再生效率低，效能比低；而CDPF内碳黑剧烈再生，再生效率激增至50%，效能比也随之升高。其原因是CDPF在催化剂的作用下碳黑的起燃温度低，再生过程容易发生。与DPF相比，CDPF具有较低的起燃温度，亦能降低主动再生时的升温压力。

3 结论

a) 随着来流温度的增加，载体的最高温度和最大温度梯度先保持不变，后迅速增大，存在快速升高区域(来流温度大于450 ℃)；再生效率逐渐增大，效能比也逐渐增加；

b) 随着来流温度脉冲持续时间的增长，载体的最高温度基本保持不变，最大温度梯度略有增大；再生效率逐渐增大，但效能比却逐渐降低；通过增长来流温度脉冲持续时间来提高再生效率是一种不经济的方法；

c) 随着灰沉积量的逐渐增大，最高温度和最大温度梯度保持不变，再生效率和效能比逐渐降低；灰沉积在一定程度上影响DPF再生性能，有必要定期对其进行清灰处理；

d) 在来流温度接近CDPF主动再生温度(475 ℃)下，DPF内碳黑基本不发生氧化反应，CDPF内碳黑发生剧烈氧化，最高温度和最大温度梯度升高，再生效率激增至50%，效能比亦升高；与DPF相比，CDPF具有较低的起燃温度，亦能降低主动再生时的升温压力。

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[编辑： 袁晓燕]

Experimental Investigation on CDPF Regeneration Performance

LI Lu1, MENG Zhongwei2, CHEN Chao1, ZHANG Chuan1, YAN Yan1, BAI Weilian2

(1. Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province, School of Automobile and Transportation, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. Zhejiang Tong Yuan Material Tech., Ltd., Wenling 317500, China)

Based on the regeneration test bench with additional heater, the influences of incoming flow parameter and deposited ash on the regeneration performance of catalytic diesel particulate filter (CDPF) were investigated and the regeneration performance between DPF and CDPF was compared. The results showed that the maximum temperature and maximum temperature gradient of carrier kept constant firstly and then increased rapidly and the regeneration efficiency and the regeneration performance ratio increased with the increase of incoming flow temperature. With the duration of incoming flow temperature pulse, the maximum temperature kept constantly, the temperature gradient increased slightly, the regeneration efficiency increased, but the regeneration performance ratio decreased. With the increase of deposited ash, the maximum temperature and maximum temperature gradient of carrier kept constantly and the regeneration efficiency and regeneration performance ratio decreased. Compared with DPF, the carbon black of CDPF oxidized severely at 475 ℃, the maximum temperature and maximum temperature gradient of carrier increased, and the regeneration efficiency and the regeneration performance ratio increased.

incoming flow parameter; ash deposit; catalytic diesel particulate filter; regeneration

2015-07-10；

2015-09-15

教育部“春晖计划”合作科研项目(Z2014058)；发动机燃料电控系统及尾气后处理系统产业集群项目(成财教[2013]265)；四川省重点科技项目(2011JYZ014)；西华大学重点科研基金项目(Z1120319)；西华大学研究生创新基金(ycjj2015040)

李路(1991—)，男，硕士，主要从事柴油机颗粒捕集器再生方面的研究； liluxhu@foxmail.com。

孟忠伟(1980—)，男，教授，博士，主要从事柴油机颗粒物捕集器方面的研究；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.010

TK424.5

B

1001-2222(2015)05-0050-05