DOC+CDPF连续再生性能的试验研究

李鉴松，孟忠伟，罗林，吴泉成，晋兆祥，佘占蛟

(1.南充职业技术学院机电工程系，四川 南充 637131；2.西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039；3.康明斯(中国)投资有限公司，北京 100102)

此外，DOC+CDPF耦合系统能够有效减少尾气中CO和NOx的排放，文献[12]基于一台防爆柴油机研究发现，使用 DOC+CDPF 时，CO，NOx排放分别降低 97.1%，25.5%。文献[13]通过对实车进行中国重型商用车瞬态循环(C-WTVC)，发现加装DOC+CDPF后CO排放因子下降70.36%，THC排放因子下降72.73%，CO2排放因子下降17.00%，NOx排放因子下降7.76%。文献[14]对国Ⅲ重型柴油货车进行道路实测，得出从低速、中速到高速，CO和THC减排比例呈现上升趋势，加装DOC+CDPF会导致NO2在NOx中的占比升高，且从低速、中速到高速涨幅依次增大的结论。上述文献基于发动机台架和道路试验分析了CO和NOx的排放规律，但针对单一变量对DOC+CDPF耦合系统排放影响的研究相对较少，且现有规律尚不明确，因此有必要对单一变量的影响进行详细研究。

本研究采用控制单一变量的方式，重点分析来流温度对再生速率、温度场分布、CO、THC和NOx排放的影响规律，为后处理系统的开发提供支撑。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

试验采用一台电控高压共轨、增压中冷直列4缸发动机和一台WE32水涡流测功机。发动机参数如表1所示，试验所用的DOC、CDPF装置主要参数分别如表2和表3所示。

发动机台架系统示意如图1所示。通过K型热电偶测试CDPF的入口、出口温度，并实时监测CDPF内部的温度分布，CDPF的压降通过压降传感器测试。采用2台相同的HORIBA MEXA-7100DEGR尾气分析仪测试DOC前段、DOC后端和CDPF后端的CO、THC、NOx和NO2浓度。采用精度为0.1 g的电子天平称量CDPF在热态下的质量。

表1 柴油机主要参数

表2 DOC装置主要参数

表3 CDPF装置主要参数

图1 试验台架示意

1.2 试验方法

在该系统中，DOC的主要作用是将部分NO氧化为NO2，为CDPF的连续再生提供氧化剂，并将尾气中的有毒气体CO和THC氧化为CO2和H2O。CDPF连续再生反应涉及的主要化学反应如下[15]：

(1)

(2)

(3)

式中：α1和α2分别为O2、NO2与颗粒物的完全反应系数，取值范围分别为0.55～0.9和1.2～1.8[16]。

颗粒物加载试验中，打开发动机的EGR阀，增大发动机的烟度，提升颗粒物的加载速率。为了准确地达到目标加载量(6 g/L)，试验中对CDPF载体进行了3次加载，每次加载均记录加载时间、加载质量和压降，并计算本次加载的压降差值，最终加载量为5.96 g/L。

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连续再生试验中，关闭发动机的EGR阀，降低发动机的烟度，减小来流尾气中的颗粒物对试验的影响。调整发动机工况，使排气达到CDPF预设空速(3.34×104h-1)；而后通过调节旁通阀冷却尾气，使CDPF入口温度依次达到目标温度(300，350，400 ℃)，且在每个再生温度下测试30 min。

CDPF热电偶布置示意如图2所示。轴向布置：1#T1和1#T3与CDPF入口距离为20 mm，2#T4和2#T6与CDPF入口距离为L/2，3#T7和3#T9与CDPF出口距离为20 mm；径向布置：1#T1，2#T4和3#T7与轴心距离为r/8，1#T3，2#T6和3#T9与轴心距离为7r/8。

图2 CDPF热电偶布置

2 试验数据与结果分析

2.1 颗粒物加载对CDPF压降的影响

试验中将发动机的转速、扭矩分别稳定在1 800 r/min和220 N·m，通过调节旁通阀将CDPF入口温度降低为280 ℃，三次加载后最终加载量为5.96 g/L。

由图3可知，3次颗粒物加载分别所对应的压降曲线上升趋势均近似为线性，但3次加载所对应的压降上升斜率有略微差异，分别为0.197 Pa/s，0.242 Pa/s和0.274 Pa/s。单位质量颗粒物加载的压降上升值分别为60.34 Pa/g，91.56 Pa/g，102.44 Pa/g。即在相同的发动机工况下，随着加载时间的推移，颗粒物在CDPF内部不断累积，加载相同质量的颗粒物，压降上升加快。分析其原因：1)随着加载时间的推移，颗粒物在CDPF内部不断累积，压降随之上升，而发动机的排气背压也不断增加，从而导致排气受阻，使得发动机的残余废气系数增加，缸内氧浓度下降，燃烧愈加恶劣，单位时间生成的颗粒物越多，压降上升越快；2)排气受阻也会导致发动机排温略微增加，压降上升进一步加快。

图3 颗粒物加载对CDPF压降的影响

2.2 连续再生对CDPF压降的影响

试验中空速为3.34×104h-1，调节CDPF的入口温度为300，350，400 ℃，CDPF依次在这3个温度下进行连续再生，实时监测CDPF载体的压降和前后端的NO2总量，并称重连续再生后的载体质量。

由图4可知，随着再生温度的升高，压降下降斜率增大，再生温度为300，350，400 ℃所对应的压降下降斜率的绝对值分别为0.127，0.235，0.865 Pa/s，300 ℃到350 ℃所对应的斜率绝对值的增幅为85.04%，而350 ℃到400 ℃所对应的斜率绝对值的增幅为268.09%；CDPF后端NO2浓度在300 ℃时相对于前端增幅为12.9%，在350 ℃和400 ℃时降幅分别为33.9%和53.3%，且温度越高，降幅越大。可见，在350 ℃之前，颗粒物的氧化速率随着再生温度升高而有所加快，但该再生温度范围内(≤350 ℃)氧化速率均较为缓慢，压降下降程度较小。而在350 ℃之后，颗粒物的氧化速率有明显的上升，CDPF内部的颗粒物质量大幅度的下降，从而使压降的下降程度增大。分析其原因：350 ℃之前，NO在CDPF内部贵金属Pt的催化作用下氧化为NO2的生成量大于NO2消耗量，提高了出口处的V(NO2)/V(NOx)比值，NO2是参与反应的主要氧化物，随着温度升高，NO2活性增加，氧化能力增强，颗粒物氧化速率加快，压降下降程度有所提高。随着温度升高到350 ℃之后，NO氧化为NO2的反应受到一定的抑制，从而导致CDPF后端NO2浓度小于前端。但随着温度的升高，NO2活性进一步增强，并且在贵金属催化作用下，O2参与氧化反应量也在不断增加，颗粒物的氧化速率进一步加快，压降下降程度增大。另外，温度越高，颗粒物的氧化越剧烈，致使CDPF内部温升越大，进一步促进颗粒物的氧化，压降下降幅度增大。

2.3 连续再生过程中的CDPF温度场

试验中，通过6个K型热电偶实时采集CDPF内部温度，对不同位置的温度进行轴向和径向对比分析。

2.3.1 连续再生对CDPF径向温度场的影响

由图5可知，CDPF连续再生过程中，距离轴心位置越远，其温度越低。原因主要在于：1)壳体并未保温，距离轴心位置越远，散热量越大，导致温度越低；2)由于CDPF前端管道的形状为渐扩型，导致CDPF中心处气流量较大，边缘处气流量较小，流速降低，单位时间内的散热量增加，温度较低。

图5 CDPF径向温度分布

在图5中选取温度稳定的时间点，做出CDPF内部不同位置在3种再生温度下的径向温度差值图。如图6所示，距离CDPF入口不同位置的径向温度差值随再生温度升高先缓慢增大再快速增大。分析其原因：当再生温度由300 ℃升高到350 ℃时，由于温度升高，NO2的活性增强，颗粒物的氧化有所加强，中心位置的温度有所上升，而边缘位置由于排气流量和颗粒物的沉积量都相对较小，颗粒物的氧化较弱，温度上升较很小，所以径向温度差值有所变大；当再生温度升高到400 ℃时，NO2的活性进一步加强，且有部分O2参与颗粒物的氧化反应，中心位置温度升高加剧，而边缘位置颗粒物的氧化仍然较弱，温度升高较小，所以导致径向温度差值变大。

图6 再生温度对CDPF径向温度差值的影响

2.3.2 连续再生对CDPF轴向温度场的影响

图7示出距离CDPF中心位置r/8处的1#T1，2#T4和3#T7以及距离CDPF中心位置7r/8处的1#T3，2#T6和3#T9的温度随再生温度的变化趋势。由图可知，1#T1，2#T4和3#T7的温度均与CDPF入口温度相近，且随再生温度升高的变化较小，而1#T3，2#T6和3#T9的温度均低于CDPF入口温度，且再生温度越高，轴向温度差值越大。

图7 CDPF轴向温度分布

对图7中各再生温度下的轴向温度进行具体分析，分别做出了距离CDPF轴心位置r/8处的1#T1，2#T4和3#T7以及距离CDPF中心位置的7r/8处1#T3，2#T6和3#T9的温度随再生温度变化的规律图。

由图8可知，距离CDPF轴心位置r/8处，随着再生温度的升高，1#T1和2#T4的温度先低于CDPF入口温度，而后高于CDPF入口温度，且两者间差值逐渐增大，3#T7的温度始终低于CDPF入口温度。距离CDPF轴心位置7r/8处，1#T3，2#T6和3#T9温度下降程度较大，其排序由大到小依次近似为3#T9，2#T6，1#T3，再生温度为300，350，400 ℃所对应的轴向温度上升幅度分别为4～5 ℃，8～9 ℃和13～14 ℃。由此可推断：连续再生过程中，颗粒物的氧化主要集中在CDPF前半部分，且CDPF边缘位置相对于中心位置的颗粒物氧化度较小。分析其原因：一方面是CDPF前半部分中NO2的浓度较高，有利于颗粒物的氧化，而氧化放出的热量又可进一步加快颗粒物氧化速率；另一方面尾气在流经CDPF受到壁面和颗粒层等阻力的影响，导致CDPF前段的尾气流量相对中后段较大，所以CDPF中后段参与颗粒物氧化反应的NO2量更少，颗粒物的氧化减弱。另外，CDPF前半部分靠近轴心处的热量在气流的运动下向后且靠近边缘的方向传递，从而导致CDPF边缘位置的轴向温度由前到后不断上升。

图8 再生温度对 CDPF轴向温度差值的影响

2.4 连续再生对CO排放的影响

图9分别示出了DOC前、CDPF前、CDPF后的CO浓度以及DOC+CDPF系统对CO的转化效率，展示了再生过程中再生温度对CO排放的影响。

图9 再生温度对CO排放的影响

如图9所示，DOC后的CO体积分数均在1×10-6以内，DOC+CDPF系统对CO的转化效率在99%以上，可见DOC在整个系统中对CO的氧化起到绝对的作用。但CDPF前/后CO浓度的改变随再生温度升高而有所不同，再生温度为300 ℃和350 ℃所对应的CO体积分数分别由0，0.14×10-6增加到0.36×10-6，0.50×10-6，再生温度为400 ℃时，CO体积分数由0.62×10-6降低到0.12×10-6。分析其原因：再生过程中，当再生温度较低时，颗粒物的不完全燃烧会产生较多的CO[17-19]，所以CDPF后CO浓度升高；随着再生温度的升高，颗粒物的氧化加剧，不完全燃烧产生的CO量较少，且随着连续再生时间的增加，微孔中之前被颗粒物覆盖的催化剂可能不断地暴露出来，对来流尾气中CO的氧化有所加强，因此CDPF后CO浓度下降。

2.5 连续再生对THC排放的影响

图10分别示出了DOC前、CDPF前、CDPF后的THC浓度以及DOC+CDPF系统对THC的转化效率。如图10所示，DOC+CDPF系统对THC的转化效率随再生温度的升高而降低，DOC在整个系统中对THC的氧化同样起到主导作用。此外，CDPF前/后THC的浓度在不同的再生温度下有所差异，当再生温度较低(300 ℃)时，CDPF后THC的浓度有一定的降低，而350 ℃和400 ℃再生时CDPF后THC浓度相对CDPF前近似相等，甚至有所升高。分析其原因：THC和CO在催化剂活性位存在竞争吸附，当有CO存在时，Pt对于THC氧化催化活性明显降低，Pd的催化活性也受到抑制[20]；在图9中，再生温度为300 ℃时所对应的CDPF前CO体积分数近似为0，但再生温度为350 ℃和400 ℃时所对应的CDPF前CO体积分数均大于0，因此，当再生温度为300 ℃时，CDPF对THC有一定的氧化作用，使得CDPF后THC浓度下降，而350 ℃以上再生时，CDPF对THC的氧化受到一定的抑制。

图10 再生温度对THC排放的影响

2.6 连续再生对V(NO2)/V(NOx)及NOx排放的影响

图11分别示出了DOC前、CDPF后的NOx浓度以及NO2在NOx中的比例，展示了连续再生过程中的NOx及V(NO2)/V(NOx)的排放规律。

图11 再生温度对NOx排放的影响

如图11所示，不同再生温度下，CDPF后NOx浓度相对原排均略微下降；且随着再生温度升高，CDPF后NO2在NOx中的比例逐渐降低，但仍高于原排。分析其原因：一方面是来流中经DOC氧化得到的NO2流过CDPF内部时，在贵金属催化作用下分子发生裂解，产生的O与颗粒物发生氧化反应生成CO2，而自身会被还原成一部分N2[21-22]；另一方面是少部分NOx被催化剂吸附并以硝酸盐或者亚硝酸盐的形式储存，所以NOx浓度有所降低。当再生温度为300 ℃时，由于颗粒物的氧化较为缓慢，NO2的消耗量较少，使得NO2在NOx中的比例大于50%，随着再生温度的增加，颗粒物的氧化速率加快，参与反应的NO2增加，NO2在NOx中比例逐渐下降。所以在后处理系统中，需要权衡各催化器的性能，以达到最佳的尾气净化效果。

3 结论

a)颗粒物加载过程中，在滤饼层捕集阶段，随着颗粒物的沉积，单位沉积质量所对应的压降上升速度加快，由60.34 Pa/g增加到102.44 Pa/g，增幅约为69.8%；

b)再生过程中，颗粒物的氧化主要集中在CDPF载体前半部分；温度低于300 ℃，再生速率较为缓慢，CDPF将NO氧化为NO2的生成量大于消耗量，CDPF出口的NO2增幅约为12.9%；温度大于350 ℃时，再生速率加快，NO2在CDPF内的生成量小于消耗量，CDPF出口的NO2浓度下降，且再生温度越高，NO2浓度下降程度越大，降幅由350 ℃的33.9%增加到400 ℃的53.3%；

c)再生时，靠近CDPF中心位置的轴向温度由前到后先升高后降低，靠近CDPF边缘位置的轴向温度由前到后不断上升，且再生温度越高，轴向温度梯度越大；径向温度由中心向边缘不断减小，距离CDPF入口的距离越小，再生温度越高，径向温度梯度越大；

d)再生温度为300～400 ℃时，DOC+CDPF系统能够大幅度氧化尾气中的CO和THC，其中CO 的氧化效率在99%以上，THC的氧化效率为80%～90%，且DOC对二者的氧化起到绝对作用；但对NOx的还原作用极小，且有少量的NO2在颗粒物的氧化过程中被还原为N2，使得CDPF出口的NOx总量略有下降。