大型柴油机DPF被动再生特性的试验研究

班智博 张 扬 黄豪中 庄继晖 陶泽民 林铁坚

(1. 广西玉柴机器股份有限公司，玉林 537005；2. 广西大学 机械工程学院，南宁 530004；3. 海南大学 机电工程学院， 海口 570228)

原创

大型柴油机DPF被动再生特性的试验研究

班智博1张 扬1黄豪中2庄继晖3陶泽民1林铁坚1

(1. 广西玉柴机器股份有限公司，玉林 537005；2. 广西大学 机械工程学院，南宁 530004；3. 海南大学 机电工程学院， 海口 570228)

通过台架试验研究了不同废气再循环(EGR)率及不同排气节流阀开度对柴油机颗粒过滤器(DPF)被动再生的影响规律，对比了在世界协作瞬态循环(WHTC)工况前900s瞬态工况下开关EGR阀对DPF耐久特性的影响，并研究了驻车再生的效果。试验结果表明，EGR率及排气节流阀开度通过影响排气温度及排气NO2浓度影响DPF被动再生速度；正常WHTC工况前900s耐久循环下DPF碳载量不断增大，关闭EGR阀后进行WHTC工况前900s耐久循环后，DPF碳载量不断减少；驻车再生能够有效降低DPF碳载量。

大型柴油机 排放 DPF 被动再生 EGR 排气节流阀

0 概述

颗粒物(PM)是柴油机的主要有害排放物之一[1-5]，也是国内机动车排放法规严格控制的有害排放物。随着排放法规的不断加严，尤其是到了国5及更高的法规阶段，壁流式柴油机颗粒捕集器(DPF)将逐渐成为柴油机后处理装置中不可或缺的部分[6-7]。

DPF通过捕集柴油机尾气中的PM来净化尾气。随着捕集的进行，DPF中堆积的PM越来越多，将导致柴油机排气背压升高，燃油经济性恶化，因此加装DPF之后需定期清除DPF中的碳粒，称之为再生[8-9]。

DPF再生分为主动再生和被动再生2种方式。主动再生是通过向柴油机尾气中注入额外能量，提升DPF入口排气温度(一般大于550℃)，使DPF中捕集的颗粒物与尾气中的O2发生快速氧化反应，从而减少PM；被动再生指DPF中捕集的PM与尾气中的NO2在较低温度下(500℃以下)发生氧化反应，而减少PM的过程。

和主动再生相比，被动再生具有以下优势[10]: (1) 系统复杂性更低，开发较容易；(2) 燃油经济性较好；(3) 热应力较小；(4) 对于选择性催化还原系统(SCR)布置在DPF后的欧6机型来说，由于SCR入口温度低，避免SCR因高温而出现效率下降。

然而，被动再生再生速度慢、效率低，并且存在一定的堵塞风险，因此在大型柴油车应用中一般不采用纯被动再生的技术路线，而是选择以被动再生为主，主动再生为辅的路线。

本文通过台架试验方法，研究柴油机被动再生特性，包括DPF平衡点特性、不同排气温度管理手段对被动再生的影响、被动再生的耐久性等。

1 研究装置与设备

台架试验采用满足欧6排放标准的玉柴6L-60发动机，其参数如表1所示，主要设备如表2所示。

表1 玉柴6L-60发动机参数列表

表2 主要试验设备列表

2 EGR及排气节流阀对DPF被动再生的影响

2.1 被动再生原理

DPF被动再生的化学反应式如下：

(1)

(2)

化学反应速度是衡量DPF被动再生能力的重要指标，当DPF中积碳再生速率(g/h)大于发动机颗粒的生成速率时，DPF中的碳载量就会下降；当两者相等时，DPF中的碳载量保持不变；当前者小于后者时，碳载量增加。

从式(1)和式(2)得知，影响被动再生反应速度的因素包括排气氮氧化物(NOx)浓度、碳载量、排气温度等。由于EGR会影响NOx排放和排气温度，而排气节流阀也会影响到NOx浓度和排气温度等，因此有必要研究EGR及排气节流阀对DPF被动再生反应特性的影响。

2.2 测试工况

发动机的外特性及世界协同瞬态循环(WHTC)工况点如图1所示。排气节流阀通过提高排温，从而提高DOC转化NO的效率，以实现辅助DPF再生。它的主要作用区域为中、低负荷工况。本文选取WHTC较典型的4个工况进行试验研究： 工况1，转速47%，扭矩17.78%；工况2，转速53.95%，扭矩49.63%；工况3，转速67.91%，扭矩24.81%；工况4，转速67.91%，扭矩49.63%。

图1 排气背压阀及EGR开度优化试验工况点

2.3 结果分析

不同的EGR阀开度、排气背压阀开度会影响DPF入口温度、DPF入口NO2浓度、DPF内PM成分及分布等,本文主要分析对DPF入口温度和DPF入口NO2浓度的影响。4个试验点的试验结果规律接近，因篇幅所限，下文中仅分析工况2。

试验中在不同的EGR阀开度下，逐步关小排气节流阀开度，研究EGR率及排气节流阀对DOC入口温度、DOC入口的NOx浓度、比油耗的影响规律。试验结果如图2～4所示。

图2 不同EGR率下排气节流阀开度对DOC入口温度的影响

图3 不同EGR率下排气节流阀开度对DOC入口NOx排放浓度的影响

图4 不同EGR率下排气节流阀开度对DOC入口NO2排放浓度的影响

如图2所示，随EGR率增加，DOC入口温度呈单调增加的趋势，主要是由于随EGR率的增加，发动机空燃比降低，燃烧恶化，燃烧持续期延长，排气门开启时刻缸内温度升高，从而导致DOC入口温度增加。另外，从图2还可以看出，随排气节流阀开度减小，DOC入口温度同样呈单调增加的趋势，主要原因是随着排气节流阀开度减小，缸内残余废气量增加，燃烧恶化，燃烧持续期延长，排气门开启时刻缸内温度升高，从而导致DOC入口温度增加。

EGR率及排气节流阀开度对DOC入口NOx排放浓度的影响如图3所示。随EGR率的增加及排气节流阀开度的减小，DOC入口NOx排放浓度均下降，这是因为两者均会引起缸内空燃比的下降及燃烧温度的降低，而NOx的生成需要高温富氧的环境，因此DOC入口NOx排放浓度随EGR率增加及排气节流阀开度的减小而降低。

EGR率及排气节流阀开度对DOC入口NO2排放浓度的影响如图4所示。随EGR率的增加及排气节流阀开度的减小，DOC入口NO2排放浓度均下降，这是因为NO2在NOx中所占比例基本不变，因此NO2与图3所示的NOx的变化规律类似。

3 WHTC前900s的DPF被动再生耐久试验研究

WHTC是瞬态的排放认证循环，其测试循环的平均排温比ETC更低，尤其是其前900s的排温更低，如图5所示。

图5 WHTC前900s的排温分布

从图5可以看出: 完整WHTC循环的排气温度较高，大于250℃的比例为78%；WHTC循环前900s的温度较低，大于250℃的比例为59%。因此，采用WHTC循环前900s进行DPF被动再生考核更为苛刻。

在进行耐久试验过程中，为了获得较为准确的稳态数据，完成WHTC循环前900s试验循环后，将发动机在转速2200r/min、扭矩240N·m稳定300s，以此来获得稳态工况下的DPF压差及DPF出口温度。首先带EGR进行了22h的耐久测试，分别选取了5h、15h、20h、22h的试验数据片段，分别绘制DPF压差及DPF出口温度曲线，如图6、图7所示。

图6 带EGR的WHTC前900s耐久考核试验

图7 带EGR的WHTC前900s耐久考核试验

从图6可以看出，随着试验的进行，DPF压差呈现单调增加的趋势，主要原因是发动机颗粒生成速度较快，DPF被动再生速度较慢，DPF碳载量不断堆积。

进行完上述试验后，对DPF进行称重得到此时的碳载量为19.8g/L，随后关掉EGR继续进行耐久测试，结果如图8、图9所示。

图8 不带EGR的WHTC循环前900s耐久考核试验

从图8可以看出，随着耐久试验的进行，DPF的压差逐渐降低，第3h、13h、23h时刻DPF称重的结果分别为19.8g/L、11.2g/L、7.8g/L。这说明不带EGR进行试验过程中，由于发动机原排NOx的增加和碳烟的减少造成DPF被动再生速度较快，其被动再生的速度大于原排产生颗粒的速度，因此DPF碳载量逐渐降低。

图9 不带EGR的WHTC循环前900s耐久考核试验

从图9可以看出，随试验的进行，DPF出口温度逐渐降低。这说明随着DPF被动再生的进行，碳载量不断降低，DPF内部升温减弱，因此DPF出口温度降低。

对比图6～9的结果可知，6L-60发动机带EGR工作时DPF碳载量呈增加趋势，不带EGR工作时由于被动再生加强使碳载量下降。

4 DPF被动再生驻车下的试验验证

虽然在整车运行时被动再生经济性好且开发工作量小，但对于长期运行在较低负荷下的发动机，由于排温较低，被动再生反应缓慢，存在DPF堵塞的风险。

驻车再生是指在车速为零时将发动机置于高怠速状态，以此提高排气温度，促进被动再生反应的进行。图10展示了驻车再生时DPF压差下降的过程。

图10 驻车条件下的DPF被动再生

在驻车再生刚开始时，DPF入口温度大于出口温度；随着再生反应的进行，DPF内部放热速度加快，出口温度大于入口温度，与此同时由于碳载量的减少，DPF压差降低。驻车再生前期DPF压差下降较快，后期则下降缓慢，主要原因是驻车再生后期DPF内部碳载量减少，反应物的减少影响了被动再生反应的进行。

为了验证驻车再生的效果，将DPF加载不同的碳载量水平，然后进行驻车再生。在驻车再生前后对DPF称重，计算再生的效率，试验结果如表3所示。

表3 驻车再生数据

如表3所示，在不同的初始DPF碳载量下，采用驻车的方式对DPF进行再生均能有效降低DPF碳载量，再生效率随着再生时间的增加而增大，更大的初始碳载量需要更长的驻车再生时间。

5 结论

(1) 随着EGR率增大，DOC入口温度升高，会使DPF被动再生速度加快；随着EGR率增大，DOC入口NOx浓度减小，DOC入口NO2浓度减小，会导致DPF被动再生速度减慢。

(2) 随着排气节流阀开度减小，DOC入口温度升高，会使DPF被动再生速度加快；随排气节流阀开度减小，DOC入口NOx浓度减小，DOC入口NOx浓度减小，会导致DPF被动再生速度减慢。

(3) EGR阀正常工作状态下进行WHTC前900s耐久测试，DPF碳载量呈现递增的趋势；关闭EGR阀后进行WHTC前900s耐久测试，DPF碳载量呈现递减的趋势。这说明关闭EGR阀后DPF被动再生速度有较大提升，DPF通过被动再生消耗积碳的速度大于发动机产生颗粒的速度。

(4) 采用驻车再生能够有效降低DPF碳载量，在驻车再生初期DPF压差下降较快，再生后期下降较慢，驻车再生的效率主要受再生时间的影响。

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