CDPF被动再生特性及再生平衡条件研究*

2020-01-04褚国良王国仰祁金柱帅石金

汽车工程 2019年12期

褚国良，王国仰，祁金柱，杨波，帅石金

（1.潍柴动力股份有限公司，内燃机可靠性国家重点实验室，潍坊 261061； 2.山东大学能源与动力工程学院，济南 250061；3.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）

前言

颗粒物（particulate matter，PM）排放是柴油机的主要污染物之一，世界各地都制定了相应的排放法规来限制柴油机的颗粒物排放［1］。壁流式柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）能够有效降低柴油机的颗粒物排放，也是目前唯一能使柴油机颗粒物排放满足未来排放法规的技术手段［2］。

DPF主要通过物理过滤的方式来降低柴油机的颗粒物排放。随着颗粒物在DPF孔道中的累积，DPF的压降会越来越大，导致发动机排气背压增大，降低发动机的动力性和经济性，甚至会直接堵塞排气管，导致发动机损坏［3］。因此，在DPF的使用过程中，须经常将DPF中累积的颗粒物去除，以实现DPF的再生。再生技术类型可根据再生能量的来源分为主动再生和被动再生两大类。主动再生一般是利用外加热源（可燃物、电加热等）将DPF入口温度提升到较高的水平（一般高于550℃），使DPF中的碳烟与尾气中的O2发生快速的氧化还原反应，即使碳烟氧化，从而快速减少DPF中累积的碳烟。被动再生则是在催化剂的作用下利用发动机排气中NO2在相对较低的温度下将碳烟氧化。主动再生和被动再生各有不同的优劣势。主动再生的再生速率远高于被动再生，可进行主动再生的工况范围更广等。而与主动再生相比，被动再生则具有以下优势：一是该技术无需外加热源和额外控制系统，在柴油机排气温度范围内即可完成再生，系统复杂性低，成本低廉；二是燃油经济性较好，避免主动再生油耗损失；三是催化再生过程中，再生温度较低，过滤体受到的热负荷和热应力都较小，在一定程度上提高了过滤体的使用寿命；四是对于SCR布置在DPF后的后处理系统构型来说，避免了主动再生高温对SCR催化器性能的影响［4-5］。

催化型颗粒捕集器（catalyzed diesel particulate filter，CDPF）通过在DPF过滤体内部涂覆催化剂，可以同时具备颗粒捕集和催化再生两大功能，降低碳烟的被动再生所需温度。CDPF被动再生不能在全工况下进行，需要研究CDPF被动再生影响因素，确定被动再生的适用工况及再生平衡条件。CDPF被动再生影响因素已在国内外得到广泛研究，但研究多为小样试验，难以直接用于确定发动机被动再生适用的发动机工况［6-7］。清华大学唐韬等［8］以CDPF下游颗粒数量浓度保持恒定作为再生平衡点的判断依据，进而确定CDPF的再生平衡点，但通过发动机台架试验的方法来确定CDPF被动再生适用的发动机工况和再生平衡条件须进行大量的试验标定工作。Kotrba等［9］通过发动机台架试验，研究了稳态和瞬态条件下催化剂涂覆量、有无柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyser，DOC）、碳载量和温度等对被动再生速率的影响，但对CDPF被动再生平衡点温度及被动再生发动机适用工况研究较少。

因此，本研究拟通过建立CDPF被动再生模型，对CDPF被动再生影响因素进行研究，确定CDPF被动再生平衡条件及适用的发动机工况范围。

1 试验装置

试验台架总体布置如图1所示，其中试验所用发动机为一台电控高压共轨、增压中冷、无废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）的直列式六缸重型柴油机，其主要技术参数如表1所示，催化器参数如表2所示。

图1 发动机试验台架示意图

表1 发动机主要参数

表2 催化器主要参数

2 CDPF被动再生模型建立

2.1 被动再生反应速率模型

被动再生过程中，CDPF中的碳烟会与排气中的NO2发生持续的氧化还原反应：

研究［10］表明，在CDPF下游CO浓度非常低，在被动再生过程中式（1）化学反应占主导地位，因此，忽略式（2）反应。根据质量作用定律，CDPF中碳烟被动再生反应的速率为

式中：d m／d t为CDPF中NO2氧化碳烟的反应速率；k为式（1）反应的反应速率常数；CNO2为CDPF中参与被动再生的NO2浓度；α和β为式（1）反应的反应级数；m为CDPF中的碳载量。

图2为CDPF入口和出口NOx浓度对比。试验工况点数据见表3。由图2中可见，CDPF入口和出口总NOx浓度基本一致，同时NO2浓度也基本没有发生变化。这主要是因为，CDPF具有催化氧化能力，在CDPF中的NO还会发生如式（4）所示的氧化反应，即排气中的碳烟被NO2氧化后生成的NO还会被CDPF重新氧化为NO2，从而使CDPF入口和出口处NO2浓度基本没有发生变化。

图2 CDPF入口和出口NO x浓度对比

表3 工况点A，B，C，D和E试验数据

因为CDPF对NO具有催化氧化功能，CDPF中参与被动再生NO2量与CDPF入口的NO2量并不相等。因此，为简化模型，可以用CDPF入口NOx浓度替代NO2浓度来计算CDPF被动再生反应速率，同时减少了DOC对试验结果分析的影响，更容易得到被动再生反应速率与发动机工况之间的关系。以NOx浓度来计算CDPF被动再生速率的方程为

反应速率常数k根据Arrhenius方程可以表示为）

式中：A为指前因子；Ea为活化能；R为摩尔气体常数；T为CDPF床温。

发动机排气中氧气及水蒸气对式（5）中的反应级数和反应速率常数k都会产生一定的影响［11］，通过发动机台架试验来确定反应级数、指前因子以及反应活化能。根据试验数据所得Arrhenius图如图3所示，标定后的反应方程参数如表4所示。

2.2 被动再生反应速率模型验证

选取5个稳态工况点对被动再生反应速率模型进行验证，验证工况点试验参数如表3所示。5个稳态工况点下，碳烟氧化速率的试验结果和计算结果如图4所示。被动再生过程中，发动机也会产生一定量的碳烟，CDPF中碳烟的变化等于NO2氧化的碳烟量减去CDPF从排气中捕集到的碳烟量。将试验过程中发动机排出的碳烟也计入到被动再生反应速率中，所得碳烟氧化速率的试验测量结果分别为3.95，4.58，12.61，19.59和16.83 g／h；碳烟氧化速率的计算结果分别为4.08，4.16，13.64，19.15和18.34 g／h；计算结果与试验测量结果误差分别为3.29%，9.17%，8.17%，2.25%和8.97%，平均误差为6.37%；造成误差的主要原因是因为CDPF中温度分布不均匀，用平均温度来代表整个CDPF中的温度计算碳烟氧化速率会产生一定的误差。

图3 CDPF被动再生Arrhenius图

表4 标定后反应方程参数

图4 碳烟氧化速率试验结果与计算结果对比

3 结果分析

3.1 CDPF初始碳载量的影响

CDPF床温为320℃、NOx含量约为730×10-6时，CDPF中不同碳载量对碳烟氧化速率的影响如图5所示。从图中可以看出，随初始碳载量的增大，碳烟氧化速率增大，碳烟氧化速率与CDPF中碳载量具有明显的线性关系。若CDPF床温和排气中NOx含量一定时，CDPF会逐渐累积碳烟，直到CDPF捕集的碳烟量与被动再生消耗的碳烟量相等时，CDPF中的碳载量不再变化，即达到了再生平衡状态。通常来说，再生平衡点碳载量不能过高，否则CDPF背压过大，影响发动机的动力性和经济性。

图5 CDPF碳载量对碳烟氧化速率的影响

3.2 CDPF床温的影响

CDPF初始碳载量约为3.8 g／L、NOx含量约为550×10-6时，CDPF床温对碳烟氧化速率的影响如图6所示。从图中可以看出，碳烟氧化速率随CDPF床温的增加而增加，碳烟氧化速率与温度呈明显的指数关系。

图6 CDPF床温对碳烟氧化速率的影响

CDPF处于再生平衡状态时的床温称为被动再生平衡温度。CDPF初始碳载量约为3.8 g／L、NOx含量为550×10-6时，不同床温对CDPF中碳烟量变化速率的影响如图7所示。从图中可看出，此工况下，CDPF的被动再生平衡温度约为283℃。

图7 床温对CDPF中碳烟量变化率的影响

被动再生平衡温度是柴油机能否实现纯被动再生的一个关键参数。重型柴油车发动机排气温度低，若被动再生平衡温度较高，发动机排气温度无法达到被动再生平衡温度时，则CDPF中的碳载量会逐渐累积超过预设碳载量，增大发动机的排气背压，发动机动力性和经济性恶化，需要进行主动再生才能使CDPF中的碳载量低于预设碳载量。

3.3 NO x浓度的影响

CDPF床温为265℃、CDPF初始碳载量约为3.8 g／L时，不同NOx排放量对被动再生的影响如图8所示。

图8 NO x排放量对碳烟氧化速率的影响

由于试验所使用的发动机为无EGR发动机，尾气中的NOx排放较难调节。从图8中可以看出，CDPF床温为265℃时，发动机NOx排放约为550 g／h，NOx排放变化范围较小，试验结果无法反映NOx排放对CDPF被动再生的影响。从计算结果来看，碳烟氧化速率随NOx排放的增大而增大，提高NOx排放可以促进CDPF被动再生进行，降低被动再生平衡点碳载量和平衡温度。

3.4 被动再生适用的发动机工况

发动机台架试验所有试验结果和再生平衡曲线如图9所示。从图中可以看出，被动再生速率大于CDPF捕集碳烟速率的点主要分布在图的右上角，而被动再生速率小于CDPF捕集碳烟速率的点主要分布在图的左下角。当排气中的NOx／soot比一定时，CDPF温度越高，被动再生速率越大，越容易实现纯被动再生。被动再生区域与主动再生区域的交界线即为CDPF被动再生平衡曲线。CDPF被动再生平衡曲线由被动再生模型所得，当发动机运行工况位于再生平衡曲线上方时，则认为可以实现纯被动再生；而当发动机运行工况位于再生平衡曲线下方时，发动机中的碳载量会逐渐累积，超过预设值，需要通过主动再生才能使CDPF中碳载量低于预设值。再生平衡曲线与预设碳载量有关，再生平衡曲线随预设碳载量的增大而下移，也就是说CDPF预设碳载量越大，纯被动再生区域越广。