柴油机排气后处理DPF失效对发动机性能的影响

姚广涛，伍 恒，刘宏威，张卫锋

(军事交通学院军用车辆系，天津300161)

柴油机颗粒物(particulate matter，PM)排放直接威胁人们健康。欧美国家经过研究发现，吸附在碳粒表面的多种排放物具有诱变作用，在这些诱变物中有大于90%的部分可能导致癌变，还可能产生心血管疾病［1－2］。

减少柴油机颗粒物排放最有效的措施是在柴油机排气系统上加装颗粒物过滤器(diesel particulate filter，DPF)。但随柴油机运行，过滤器内捕集的颗粒物不断增加，如果不及时进行DPF的再生，势必会增加柴油机的排气阻力，从而影响柴油机的性能［3］。胡俊等［4］在发动机台架开展了不同转速与负荷下柴油机加装DPF后排气阻力变化规律以及对排气性能影响试验研究，结果表明:柴油机加装DPF造成排气阻力的增加，使排气温度提高，油耗上升，但未开展不同颗粒物负载量对发动机性能影响研究。

DPF颗粒物负载量过大不仅影响发动机性能，还可能引起DPF非可控再生，导致 DPF载体的烧损、裂解和催化剂的失效［5］。此外，在使用过程中的震动、冲击也会造成DPF破损、断裂，严重时造成DPF过滤效率下降，PM排放超标［6］。康宁公司［7］、密西根理工大学［8］、都灵理工大学［9］、吉林大学［10］等研究机构都进行过相关试验研究，但未开展不同破损程度对PM过滤效率影响研究。

随排放法规的日益严格，发动机排气后处理系统在线故障诊断(on－board diagnostics，OBD)要求越来越高，在发动机运行过程中，有效确定后处理DPF装置的失效状态与程度，对DPF－OBD致关重要［11］，有必要针对DPF不同失效状态与程度对发动机性能的影响开展研究。

1 DPF堵塞对发动机性能的影响

为了分析DPF颗粒物不同负载量对发动机动力性和经济性评价指标——发动机转矩与燃油消耗率的影响，在北汽福田BJ493ZLQ4增压发动机(参数见表1)排气系统上加装DPF(SiC材料)，分别研究 1 800、2 200、2 600、3 200 r/min 等 4 种转速条件下，负荷率分别是32%、70%和100%时，发动机转矩变化率和油耗变化率随PM负载量的变化关系，测试台架采用奥地利AVL测试系统，具体组成与型号见表2。不同转速下发动机转矩变化率和油耗变化率随PM负载量的变化关系如图1—2所示。

由图1可见，发动机转矩的总体变化趋势是随着PM负载量的增加而不断减小，而且由于PM负载量的增加引起动力性能的下降，在发动机中高速全负荷工况下下降幅度较小，2 200、2 600 r/min全负荷工况下甚至还会出现转矩的增加。与此同时，在各个负荷率下，发动机转矩下降的幅度在中高转速下随着发动机转速的提高而逐渐减小。在1 800r/min不同负荷工况下，当PM负载量达到8 g/L时，转矩减少量就已经达到5%左右，相比之下，在2 600 r/min不同负荷工况下，当PM负载量为12 g/L时，转矩减少量才能达到5%左右;但发动机处于额定转速3 200 r/min工况时，由于发动机排气阻力与转速平方成正比，随颗粒物负载量的增加，负荷越高转矩下降越快，当DPF颗粒物负载量超过8 g/L时，发动机动力性会迅速恶化。

表1 发动机参数

表2 台架测试系统

PM负载量的增加将导致排气阻力的增大，这不仅使发动机的泵气损失增加，还增大了残余废气系数，以上这些因素都会使发动机动力性能下降。与此同时，PM负载量的增加还会降低发动机进气量，尤其是在大负荷工况下。但在发动机中高转速下，混合气适当变浓会在一定程度上增加发动机功率的输出，但是在低速大负荷和高速工况下则会引起燃烧的恶化，因此，在低转速大负荷和高转速条件下，发动机动力性能的变化对PM负载量的增加更为敏感。

图1 颗粒物负载量对发动机转矩的影响

图2 颗粒物负载量对发动机燃油消耗率的影响

由图2可见，发动机的燃油消耗率的总体变化趋势是随着DPF颗粒物负载量的增加而不断增加的，其中，发动机中高转速下中等负荷增加较大，高速工况随负荷增加油耗增加较大。在发动机中高速、中等负荷时，原机的废气再循环量较大，颗粒物负载量的增加导致排气阻力的增大，进一步增加了发动机的废气再循环量，使燃烧恶化，燃油消耗率增加，动力性下降，从而导致中等负荷油耗增加较快。高速工况下排气阻力大幅增加，使发动机进气量明显减少，造成混合气过浓，性能下降，油耗增加。

综合以上分析，针对柴油机后处理DPF从PM负载量对发动机性能影响考虑，再结合PM负载量对再生过程、再生效率和再生能耗等方面影响［12］，对于选用的SiC过滤体，采用热再生合适的PM负载量为8 g/L。

2 DPF破损对PM过滤效率的影响

DPF在使用过程中由于热冲击、机械冲击等原因容易造成DPF出现泄漏故障，导致捕集功能下降或失效，从而使排放恶化。针对发动机原机，完好过滤体、破损率分别为 4.5%、9.1%、13.4%的过滤体，在不同工况下，通过不透光烟度计采集不同破损程度过滤体在不同工况下的PM排放值，计算出相应的过滤体对PM过滤效率。

图3—5分别为过滤体完好、破损9.1%和破损13.4%时，不同工况下DPF对PM的过滤效率曲线。

图3 完好DPF不同工况下的过滤效率

图4 破损9.1%DPF不同工况下的过滤效率

可以看出，发动机不同的运行工况对DPF的过滤效率会产生一定的影响。同一种破损形式的过滤体，在同一转速下，DPF的过滤效率会随着发动机的负荷增大而有所下降。这是由于发动机负荷的增大使得排气中PM的含量增加，同时排气温度有显著提升，这就使得排气通过DPF多孔介质时受热不一样，载体热膨胀的微孔增大致使颗粒物通过速率有所增大，过滤体过滤效率有所降低。此外，同一种破损形式的过滤体，在相同负荷下，DPF的过滤效率会随着转速的增加明显下降。这是由于转速的增加使得排气的流动速率加快，也就使得单位时间内流过DPF的PM量增加，从而使DPF的过滤效率有所下降。

图5 破损13.4%DPF不同工况下的过滤效率

图6为相同工况下，DPF的过滤效率随DPF不同破损程度的变化关系。

图6 相同工况下不同故障形式DPF的过滤效率

可以看出，DPF对PM的过滤效率与DPF的不同破损程度密切相关，DPF的破损程度越大，过滤效率越低。

通过DPF不同破损程度对柴油机PM排放过滤效率影响的研究，可以根据原机排放以及加装DPF后目标排放，确定满足排放法规要求的DPF破损率边界，为柴油车后处理OBD－DPF故障诊断提供技术支持。

3 结论

(1)发动机转矩随着过滤体PM负载量的增加而不断减小，在中高转速全负荷工况下，下降幅度较小，甚至还会出现转矩的增加;但在低转速和高转速时，PM负载量的增加更容易加剧动力性能的下降。

(2)发动机的燃油消耗率随DPF颗粒物负载量的增加而不断增加，中高转速下中等负荷增加较大，高转速下随负荷增加油耗增加较快。

(3)柴油机后处理DPF从PM负载量对发动机性能影响考虑，再结合PM负载量对再生过程、再生效率和再生能耗等方面影响，对于选用的SiC过滤体，采用热再生合适的PM负载量为8 g/L。

(4)同一种破损形式的过滤体，在同一转速下，DPF的过滤效率会随着发动机的负荷增大而有所下降;在相同负荷下，DPF的过滤效率会随着转速的增加明显下降;DPF的破损程度越大，过滤效率越低。

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［12］ 姜大海，宁智，姚广涛，等.柴油机颗粒捕集器再生时机的研究［J］.汽车工程，2012(2):109-115.