柴油机DOC+CDPF系统的过滤和再生性能试验研究

张靖， 孟忠伟， 刘苗， 陈秋宇， 张川

(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汽车关键零部件协同创新中心， 四川 成都 610039)



柴油机DOC+CDPF系统的过滤和再生性能试验研究

张靖， 孟忠伟， 刘苗， 陈秋宇， 张川

(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汽车关键零部件协同创新中心， 四川 成都 610039)

基于氧化催化转化器(DOC)+催化型颗粒捕集器(CDPF)系统开展了发动机台架试验，对比系统前后的颗粒物粒径分布，获得了系统的过滤效率，同时也测量了该系统在各稳态工况下的再生效率。研究结果表明：该系统对颗粒物的过滤效率在发动机的各个工况均能达到95%以上；系统前的颗粒物数量浓度呈单峰分布，主要为核模态；系统后颗粒物数量浓度呈双峰分布，峰值分别在10 nm和150 nm左右，且10 nm左右波峰峰值最大；再生效率随着再生温度的升高呈上升趋势，测试系统的起燃温度在250 ℃以下；再生效率均随着再生时间的增加而增加，但在再生后期明显变缓；在较高的再生温度时，颗粒担载量增大将有利于提高再生速率。

柴油机； 颗粒捕集器； 过滤性能； 粒径分布； 再生效率； 再生速率

近年来汽车尾气对环境的影响日益明显，其中柴油机排放的颗粒物越来越受到人们的关注[1-2]。柴油机颗粒捕集器(DPF)是目前公认的有效脱除柴油机颗粒物的方式之一，它对于颗粒物的净化效率可达90%以上。目前，由于国内再生技术尚不成熟，使得DPF的应用受到限制，因此，DPF的再生性能成为了研究热点[3]。而氧化催化转化器(DOC)+催化型颗粒捕集器(CDPF)系统能够在较低的温度下实现再生，能够显著地减少发动机主动再生频率，对发动机经济性影响较小，具有较好的研究和应用价值[4-6]。Chio，Koltsakis等人研究了CDPF再生过程中废气成分和再生完成后颗粒物的形态[7-8]；楼狄明、谭丕强等人研究了DOC+CDPF系统对颗粒物粒径及数量的影响[9-12]；陈朝辉，Lee等人研究了不同条件下(载体材料、催化剂、排温等)DOC+CDPF系统的NOx转化效率和PM捕集效率[7，13-14]。目前针对DOC+CDPF系统已开展了大量的研究，但针对该系统前后的颗粒物数量浓度特性以及该系统的稳态再生性能研究尚不完善。本研究针对某一匹配关系的DOC和CDPF系统开展试验测试，研究了该系统对颗粒物的过滤特性以及系统在不同颗粒担载量下的稳态再生性能，为进一步了解该系统的工作特性提供试验依据，同时也为该系统的优化设计提供有力的指导。

1 试验系统及方法

1.1 试验系统

本研究所采用的试验系统见图1。

发动机为YN38CRD2高压共轨、增压中冷柴油机，排量为3.8 L，最大功率为85 kW，最大功率转速为3 000 r/min，最大扭矩为325 N·m，最大扭矩转速为1 600～2 400 r/min。试验所用燃油为市售国四标准0号柴油。DOC和CDPF催化剂材料采用高比表面积(150 m2/g)TM型Al2O3，其中DOC贵金属Pt负载量为0.353 g/L，CDPF贵金属Pt负载量为0.141 g/L。DOC载体的直径为190.5 mm，长度为101.6 mm，CDPF载体的直径为190.5 mm，长度为203 mm，两种载体的孔密度皆为47 孔/cm2。试验系统中，使用NI数据采集卡对系统的温度、压力等信号进行采集。

1.2 试验方法

过滤性能试验：所使用的DOC和CDPF载体是经过几次大负荷工况(高排温)再生后近似洁净的载体(残余物担载量小于0.2 g/L)。使用DMS500粒径分析仪测量系统前后的颗粒物粒径分布并进行对比，获得系统的过滤效率。为了获得不同的发动机原始排放浓度进行过滤试验，试验选用低、中、高3种扭矩，分别是50 N·m，150 N·m和250 N·m。同时，为了对比不同转速时的排放特性，选取了一个中低转速1 600 r/min和一个高转速2 800 r/min开展试验。

颗粒物担载：为了减少载体的颗粒担载时间，选取排温较低但颗粒物排放浓度较高的工况进行试验。根据前期的试验，所选工况为转速1 500 r/min，扭矩70 N·m。根据《QCT829—2010柴油车排气后处理装置试验方法》的要求，选取的颗粒担载量为3 g/L和6 g/L。

再生试验：在完成载体的颗粒物担载后，在空速为40 000 h-1的条件下(对应的发动机转速为2 200 r/min)，在某一固定排气温度进行稳态再生试验，获得再生效率及再生速率。再生试验时，在2 200 r/min的转速下，选取4个发动机扭矩，分别对应4种排气温度，排温约为250 ℃，300 ℃，330 ℃和400 ℃。4个工况的排气氧体积分数在13.5%～16%的范围内，NOx体积分数在430×10-6～510×10-6的范围内变化。尽管这两种排放物在不同工况存在一定的差异，但相对变化率较小，可以近似认为排气温度是各工况的主要区别。

2 试验结果与分析

2.1 DOC+CDPF系统的过滤性能

2.1.1 系统前后的粒径分布

图2和图3分别示出了在两个转速下DOC+CDPF系统前后的颗粒物粒径分布曲线。由图2可知：各工况下系统前颗粒物的数量浓度均呈单峰分布，以核模态为主；随着负荷的增加，数量浓度的波峰峰值呈下降趋势。由图3可知：系统后的颗粒物数量浓度与系统前相比减少了约两个数量级；系统后颗粒物粒径呈双峰分布，峰值分别在10 nm和150 nm左右，且10 nm左右波峰峰值最大。说明10 nm左右颗粒物的穿透能力最强，这主要是由CDPF本身微孔结构所致。而对于150 nm左右颗粒的逃逸，则可能是由于沉积在CDPF微孔内的颗粒物在压差和气流黏性力作用下脱离CDPF孔道壁面所致。系统后颗粒直接排入大气，容易对人体造成危害，因此，减少10 nm左右的颗粒排放将成为另一个迫切需要关注的问题。

2.1.2 系统的过滤效率

将各工况下系统前后的颗粒物粒径分布曲线积分，分别得出系统前后的颗粒物数量总浓度(该功能由DMS500配套软件自动计算得出)，从而获得系统的过滤效率(见图4)。由图可知，尽管各工况条件下的过滤效率存在一定的差别，但对颗粒物的过滤效率均能达到95%以上。相比前人的研究结果，与真正洁净的DPF载体不同，具有一定残留物的近似洁净CDPF载体不会出现在过滤初期过滤效率下降到90%以下的情况[15]。

2.2 DOC+CDPF系统的再生性能

2.2.1 再生效率

图5和图6分别示出了担载量为3 g/L和6 g/L时的CDPF再生效率。

由图5可知，再生效率随着再生温度的升高呈明显的上升趋势。在250 ℃时，再生0.5 h，可以达到约23%的再生效率，说明该系统的起燃发生在250 ℃以下。在400 ℃时，再生0.5 h再生效率接近80%。继续进行稳态再生至1 h，再生效率均有提高，但提高幅度不大。由图6可知，随着担载量的增加，CDPF的稳态再生效率明显下降，但在400 ℃再生1 h，CDPF的再生效率仍然可达63%，表现出了较好的稳态再生性能。从两种担载量的试验结果来看，再生效率随再生时间的增加并不呈现出翻倍增加的现象。主要原因有：1)CDPF再生时可能存在再生分区的现象，即CDPF载体内部某些区域沉积的颗粒容易氧化，在一定时间内可以较快地实现再生，而其他区域的剩余颗粒则不易氧化再生，这与这些区域内的温度和催化剂的涂覆情况有关；2)所沉积的颗粒由于粒径和组分的差别，存在氧化难易程度的差别，导致容易氧化的颗粒及其组分容易再生，而残余部分在相同的再生温度条件下不能随着时间的增加而继续氧化，需要继续提高温度才能实现再生。

2.2.2 再生速率

图7示出了在不同稳态再生温度下，该系统在单位时间内的再生速率。由图可知，再生速率随着再生温度的升高呈升高的趋势，这是因为高温有利于氧化反应的进行，使得系统的再生速率增大。再生0.5 h，当再生温度小于330 ℃时，担载量为6 g/L的再生速率小于担载量为3 g/L的再生速率；但当再生温度大于330 ℃后，6 g/L的再生速率将大于3 g/L。主要原因是高温再生时，若颗粒的担载量大，颗粒层的氧化放热量也增大，容易导致其相邻区域的颗粒层进行再生，使得再生速率增大。此外，两种担载量条件下，前0.5 h再生速率都明显高于后0.5 h的再生速率，再次说明了CDPF的再生存在分区或沉积颗粒再生难易的问题。

3 结论

a) DOC+CDPF系统前的颗粒物数量浓度呈单峰分布，以核模态为主；系统后颗粒物数量浓度呈现双峰分布，峰值分别在10 nm和150 nm左右，且10 nm左右波峰峰值最大;

b) 具有少量残留物的近似洁净CDPF载体的过滤效率能达到95%以上;

c) DOC+CDPF系统的再生效率随着再生温度的升高呈上升的趋势，该系统的起燃温度在250 ℃以下；随着担载量的增加，CDPF的稳态再生效率明显下降；随着再生时间的增加，再生效率逐渐增加，但增长趋势明显变缓;

d) 再生速率随着再生温度的升高也呈逐渐升高的趋势；存在一个临界温度，高于临界温度CDPF再生时，大担载量的再生速率将大于小担载量的再生速率。

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[2] 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,2012,34(2):109-115.

[3] 杨士超.柴油机CPF捕集主动再生性能的数值模拟研究[D].天津：天津大学,2013：12.

[4] 张文斐.柴油机催化型DPF碳烟捕集再生的数值模拟与实验研究[D].天津：天津大学,2011：12.

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[10] 冯谦,楼狄明,谭丕强,等.催化型DPF对车用柴油机气态污染物的影响研究[J].燃料化学学报,2014,42(12):1513-1521.

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[编辑： 姜晓博]

Experimental Study on Filtration and Regeneration Performance of DOC+CDPF System for Diesel Engine

ZHANG Jing, MENG Zhongwei, LIU Miao, CHEN Qiuyu, ZHANG Chuan

(Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province, School of Automotive and Transportation of Xihua University, Sichuan Collaborative Innovation Center for Automotive Key Components, Chengdu 610039, China)

The particle size distribution before and after the diesel oxidation converter (DOC) and catalyzed diesel particle filter (CDPF ) system were measured and compared to obtain the filtration efficiency of particle on a test bench, and the system regeneration efficiency was also measured under the steady conditions of different loads. The results show that the filtration efficiency of particle is beyond 95% at each condition. The particle number concentration distribution before DOC+CDPF system shows a single peak distribution with the nuclear particle mode and that after DOC+CDPF system showed a double peak distribution at the size of 10 nm with a large value and 150 nm. The regeneration efficiency increases with the increase of regeneration temperature and regeneration time, the ignition temperature of test system is below 250 ℃ and the regeneration becomes slow during the late phase. At a high regeneration temperature, the increase of soot loading will promote the regeneration rate.

diesel engine; diesel particle filter(DPF); filtration performance; particle size distribution; regeneration efficiency; regeneration rate

2015-12-28；

2016-02-02

国家自然科学基金资助项目(51106130);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);四川省教育厅青年基金项目(12ZB138);西华大学重点科研基金项目(Z1120319);四川省重点科技项目(2011JYZ014);西华大学研究生创新基金项目(ycjj2015040)

张靖(1991—)，男，硕士，主要研究方向为柴油机颗粒物捕集器；zhangjing1991@foxmail.com。

孟忠伟(1980—)，男，博士，教授，主要研究方向为柴油机颗粒物捕集器；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.011

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0062-04