柴油机DPF特性测试评价
2018-12-08胡帅孙泽
胡帅，孙泽
柴油机DPF特性测试评价
胡帅，孙泽
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）
随着汽车排放法规的日趋严格，DPF后处理是柴油机满足国六排放法规的主要技术方案。基于DPF设计基础上，在台架上对DPF压差和极限情况下的碳载量等特性测试评价；累碳初期，压差增加较快，随后缓慢增加；同时在最高温度允许情况下确定最大碳载量，为后期再生标定提供模型输入。在转毂上进行WLTC循环的排放验证试验，结果表明DPF的捕集效率达到92%，颗粒物数量低于排放限值30%，满足实际应用的工程目标。
柴油机颗粒捕集器；压差特性；最大碳载量；过滤效率
前言
随着环境污染的不断加剧，柴油机排放得到越来越多的关注。DPF(柴油机颗粒捕集器)是处理柴油车PM和PN的主流技术，同时该项技术也是欧洲主流技术路线，国六柴油机后处理全部加装此装置。
图1所示为DPF系统的捕集原理：柴油机排放的含有大量碳烟微粒的污染物通过排气管道进入DPF，捕集器内部为蜂窝状结构，其两端一边是敞开，一边是堵塞的通道壁，废气从敞开的一端进入，穿越多孔的蜂窝壁，然后从相邻的通道排出。大部分微粒由于体积过大而无法穿越壁孔，因而被吸附在通道壁上而不会排放到空气中。
图1 捕集原理
本文主要为了满足DPF压差模型和最大碳载量等再生标定的需要，在发动机台架上对DPF压差、极限情况下的碳载量等关键特性测试评价，以及通过转毂WLTC排放循环验证捕集效率，满足标定开发和排放目标的达成的需求。
1 试验设备及方案
1.1 试验装置
尿素结晶试验总体布置如图2所示，试验台架主要包括一台国六柴油发动机、DPF后处理系统、发动机燃油供给及油耗测量系统、测功机及控制系统、排放测试系统等。
图2 台架布置图
试验用发动机主要参数见表1。
表1 发动机参数
1.2 试验方案
1）DPF常规耐久工况
发动机初、复始万有特性烟度偏大，综合考虑后选择1400rpm@100Nm作为累碳点，该点初始烟度为7.174，DPF满载累碳时间约1h。再生时DPF前温度保持在650℃左右，进行350次。
2）DTI工况
DTI试验降怠速时刻以再生时DPF内部温度650℃作为触发条件，进入再生后，发动机进入怠速工况。
2 DPF特性测试评价
DPF的压差特性和极限情况下（DTI）的碳载量是评价DPF性能的关键指标，为了准确的反应DPF性能，设计相应的试验方法进行测试评价。
2.1 不同碳载量的压差特性
准确测试评价GPF捕集的碳烟产生压差，对后期的标定具有重要意义，而发动机气流通过GPF压差包括过滤壁压差、灰分产生的压差、碳烟产生的压差之和，即
其中，△P总为总压差；△P过滤为过滤壁的压差；△P总灰分为灰分的压差；△P碳烟为碳烟的压差；为流量；碳烟、灰分、碳烟为计算因子；在GPF初始状态的情况下，灰分累积的量较少，可以忽略对压差的影响。
在压力传感器测试总压差、和计算排气量通过过滤壁的压差，即计算碳烟产生的压差。结果如下：
图2 不同碳载量下的DPF压差
如图2所示，在累碳初期，压差增加较快，斜率比较大；主要原因是开始累积的碳进入DPF过滤孔道内，这时产生的压差较大；随着累碳量的增加，压差增加变缓，斜率变小，主要因为碳累积覆盖在DPF过滤壁表面，形成蛋糕层，累碳量增加、压差增加，基本上形成正相关的关系。
2.2 循环下的DPF压差特性
图3所示为试验初始阶段再生循环过程中DPF前后压力变化曲线，从图中可以看出，随着DPF碳载量不断增加其前后压差在不断变大，当DPF满载时，其前后压差达到7kPa左右，随即进入再生工况，压差减小，再生完全后（即空载）DPF前后压差保持在2.5kPa左右。
图3 初始10次DPF循环压差曲线
图4所示为试验结束阶段最后10次再生循环过程中DPF前后压力变化曲线，和图4相比，DPF满载时前后压差基本一致，都保持在7kPa左右，但在试验结束阶段DPF空载时压差约3kPa左右，比初始阶段压差增大0.3～0.5kPa；说明经过350h试验后，DPF内储存了一定量的灰分（从称重结果来看，灰分约7.3g）。
图4 最后10次DPF循环压差曲线
2.3 极限工况下的碳载量
降怠速极限情况下（DTI）的碳载量，通过试验测试不同温度、碳载量情况下的再生最高温度，考虑DPF的允许载碳量6~7g，按照该目标进行相关的试验，确定最大累碳量，作为后期标定的输入。
图3 DPF中心温度传感器布置简图
图4和图5所示为DTI试验过程中DPF中心温度变化曲线。6g/L碳载量DTI试验进入DTI时刻为DPF中心温度达650℃，DPF前温度达到620℃（再生温度）距DTI时刻约36S；DPF中心温度最高达955℃，在安全范围内。7g/L碳载量DTI试验进入DTI时刻为DPF中心温度达650℃，DPF前温度达到620℃（再生温度）距DTI时刻约36S；DPF中心温度最高达1067℃，小于碳化硅载体最高耐受温度1200℃，在安全范围内。建议最大碳载量标定在7g/L。
图4 6g/L碳载量极限温度
图5 7g/L碳载量极限温度
3 WLTC排放测试
DPF的捕集效率是测试评价关键指标，也是能否达到工程目标的核心性能指标。因此按照GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测试方法（第六阶段）》要求，进行WLTC循环排放测试，试验三次。试验车使用滑行法加载，匹配计算换档线，试验再CVS-4000型定容采样系统、AMA-4000型气态排放物分析系统以及HORIBA 2000spcsPN计数器，以及METTLER TOLEDO-XP2U（梅特勒-托利多）PM称重设备的转毂试验室进行；经过系统分析后得到PN模态数据和试验结果。
图6 PN循环排放数据
从图6~8 PN模态数据分析，随着试验的进行DPF逐渐提升，主要是累积的碳烟占据过滤壁，提高过滤的效率。
图7 PN循环排放数据
图8 PN循环排放数据
在整车原排PN为3.52×1012的情况下，加装DPF的WLTC测试结果如图9所示。在第一次试验中，对PN的转化效率只达到82%；第三次试验时，PN排放为2.8×1011，转化效率为92%，大于90%设定转化效率，最终排放值低于4.2×1011的工程设计目标。
图9 DPF捕集效率
4 结论
基于国六排放法规对轻型柴油机颗粒物排放的要求，针对某型车的排放开发目标，设计的DPF特性进行测试评价，同时将测试数据提供给标定模型输入。
通过对DPF测试发现：在压差特性方面，累碳初期，压差增加较快；主要原因是开始的碳进入DPF过滤孔道内，阻力迅速增加，产生的压差较大；随着累碳量的增加，压差增加变缓。碳层在壁表面覆盖，形成蛋糕层，基本上形成正相关的关系。测试不同入口温度、载碳量情况下的最高温度，确定最大碳载量。并通过WLTC排放验证，结果表明，转化效率和PN排放满足工程应用目标。
[1] 马标,蒋茂玎,黄伟等.汽油直喷发动机颗粒捕集器技术应用研究[J].内燃机与动力装置,2017 (2):13-17.
[2] GB18352.6-201.轻型汽车污染物排放限值及其检测方法:中国Ⅵ阶段[S].北京:中国标准出版社，2016.
[3] 资新运,张卫锋,徐正飞等. 柴油机颗粒捕集器技术发展现状[J]. 环境科学与技术,2011,34(12):143-147.
Diesel engine DPF characteristic test evaluation
Hu Shuai, Sun Ze
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )
With the increasingly stringent emission regulation, the DPFaftertreatmentsystem is the main technology for the diesel engine to meet the CNⅥregulation. Base on DPF structure was designed. Backpressure and filtration efficiency were tested and evaluated on the test bench, at the beginning of carbon catch, Backpressure of DPF increase quickly and become slow after filter wall filled, The WLTC cycle emission test on a drum test bench was carried out. The results show that the particulate matter conversion efficiency of the DPFis up to 92%, and the particulate number is lower than the emission limit of 30%, the project objectives for practical application are met.
Diesel particulate filter;Backpressure;Mass soot loading;Filtration efficiency
B
1671-7988(2018)22-98-03
U467
B
1671-7988(2018)22-98-03
U467
胡帅，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.034
