DPF不同累炭方式对比研究

2023-03-08于津涛邢博高鑫磊

车用发动机 2023年1期

于津涛，邢博，高鑫磊

(1.天津大学，天津 300072；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

随着我国重型柴油车用发动机第六阶段排放标准的实施，颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)成为车用柴油机的主流技术方案，DPF对PM(细颗粒物质量)的过滤效率可达95%，对PN(细颗粒物数量)的过滤效率可达99%，满足国六法规对柴油机废气中颗粒物的限值要求[1-2]。在认证及研发试验中均需要用到不同加载比例的DPF以进行验证试验。

现有标准中对颗粒物加载方式无论是温度还是工况均没有统一规定[3-5]，DPF中炭烟沉积过程受炭烟颗粒物粒径、排气流场和载体孔隙分布等因素影响，积炭分布不同会使DPF表现出不同的压差特性以及PN差异。不同累炭方式不但对累炭速率有影响，而且在实际应用过程中，由于DPF压差传感器在低排气流量时偏差过大[6]，会导致炭载量理论计算模型出现偏差，需要通过合理的控制策略消除柴油机长时间运行后模型计算偏差的累积，提高DPF主动再生触发时刻判断的准确性。为了更好地控制DPF运行状态以及满足法规排放要求，需要对不同累炭方式进行评价，以便于企业根据需求进行工况的选择。

1 试验设计

试验选择一台国六主流技术路线的柴油发动机，该机采用电控高压共轨+增压中冷+DOC+DPF技术。试验使用同一台发动机，若干套同一型号的DPF，从累炭速率、积炭分布及累炭后的颗粒物排放三个角度来对比累炭方式的影响。试验装备包括AVL 220 kW/525 N·m电力测功机、AVL 483炭烟分析仪、Sartorius MCE-F天平、山东华威马弗炉等。发动机及DPF参数见表1与表2。

表1 发动机主要技术参数

表2 DPF参数

1.1 不同工况累炭速率对比试验

通过AVL483炭烟浓度测试仪测试发动机不同工况点的原排炭烟质量浓度(见图1)。

图1 发动机烟度万有曲线

根据炭烟浓度的MAP分布，选择两个不同稳态工况点代表低炭烟浓度工况和高炭烟浓度工况，分别记为工况1和工况2，通过调整后处理距离，保证DPF入口温度在(250±5)℃。对两个相同的DPF进行高温初始化，并通过稳态工况逐步加载至该DPF标定允许最大炭载量(20±1)g。将WHTC前600 s低负荷工况作为瞬态工况，记为工况3。分别将3套DPF从初始状态加载到最大炭载量，观察累炭速率变化规律以及累炭总量和时间的关系。3种不同积炭加载工况见表3。

表3 3种不同积炭加载工况

1.2 不同工况积炭分布对比试验

为了研究DPF内部积炭的分布，可以采用专用设备观察孔道内的积炭分布。密歇根理工大学Ryan Foley等[7]通过采用太赫兹技术的AdvantestTAS7000设备扫描DPF载体，获取炭烟加载过程、被动再生过程和主动再生过程的载体内整体炭烟3D分布，并用于DPF相关控制模型数据标定，该方法不需要对DPF载体进行切割破坏，便于实际产品应用。国外还有采用中子断层扫描技术[8]、光学显微镜[9]观测、将载体开视窗[10]后观测，以及向载体通道通入示踪气体[11]，通过分析气体浓度差异计算积炭分布等多种方式。

国内目前多采用切块法和热电偶法。切块法是分别将DPF按轴向和径向切分成若干小块，并分别测量径向和轴向小块的单位质量变化量，由此来分析积炭分布。本次试验将3种工况满载炭载量的3个DPF首先按照轴向切分为前、中、后3个等高圆柱体，每个圆柱等分为4个扇形，然后如图2再沿径向将一个扇形块从正(L1-1-1)、中(L1-1-2)、边(L1-1-3)切分出3个截面为1 cm×1 cm的长方体，分别测量每个长方体载炭质量(m1)后通过马弗炉高温除炭，再次测量空载体质量(m2)，二者差值除以空载体质量即可得到一个无量纲的参数Mcu(Mass of Carbon Per Unit Volume)，以此来比较不同部位的单位载体炭载量，即

图2 DPF载体切块示意

Mcu=(m1-m2)/m2。

1.3 不同工况排放对比试验

在台架A上利用累炭发动机通过不同载碳工况将DPF从初始空载分别加载至不同炭载量，随后将不同比例炭载量的DPF装至台架B，使用同一型号发动机进行排放试验，测试WHTC循环标准冷热态工况[12]下PN和PM随累炭工况和炭载量的变化。每次测试完成后都须重新对DPF进行高温除炭初始化，然后继续在累炭发动机上进行下一比例炭载量加载，流程见图3。

图3 DPF炭载量加载及排放试验流程

2 结果分析

2.1 不同工况累炭速率对比分析

3个工况从初始空载加载至最大炭载量的炭载量变化和累炭速率见图4。

图4 不同工况累炭速率和累炭质量

两个稳态工况中，由于工况2炭烟浓度高，因此，累满DPF用时短于工况1，平均累炭速率高于工况1；瞬态工况3累炭速率最快。

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低炭烟浓度工况的累炭速率明显呈现两头高中间平的盆型曲线特点，原因可能在于初始时DPF吸附面积较大，可吸附颗粒物多，累炭速率快速增长，中期吸附与逃逸的颗粒物达到平衡，因此维持在一个稳定速率，后期因为微观颗粒物的积累使孔隙率变小，可逃逸颗粒物比例减小造成累炭速率增加。

工况2与工况3均呈现较为平缓的累炭速率曲线，更适合通过控制时间来制备不同累炭比例的DPF，而工况1因为存在速率突变，在制备较小和较大累炭比例的DPF时需增加测试数量保证结果。

2.2 不同工况累炭分布对比分析

将上节试验后得到的3个累满炭的DPF按图2所示首先分割为前、中、后3个圆柱体后，再从正中心向边分别在中心、中间、边缘3点切割长方体的取样段。每个DPF采集9个取样段，按1.2节所述测量得到不同累炭工况下DPF中不同部位的Mcu。

3种累炭工况下DPF各部位的Mcu分布统计结果见图5。可以看出，WHTC前600 s累炭工况下得到的3号DPF不同部位25至75百分位的积炭分布更为集中；2 600 r/min，110 N·m工况下(2号DPF)积炭分布区域较广，但偏离部分较少。

图5 3种累炭工况DPF各部位Mcu

对每个DPF内部不同部位的积炭分布进行处理得到图6a，Mcu值越大颜色越深。比对不同工况下DPF前、中、后三个切面的积炭分布，可以看出，DPF炭烟累积与切面位置相关，后段积累的炭烟最多，中段其次，前段最少。初步可以推断，无论采用何种累炭工况，DPF积炭分布总是自前向后逐渐增多。对于同一截面，中心、中间、边缘部位的积炭分布规律不明显。

为了进一步对相同切面内不同位置的积炭分布进行研究，取不同DPF相同取样段的炭载量进行比对(见图6b)。对于前段，WHTC前600 s工况下(3号DPF)中心的炭载量最高，而在两种稳态工况下均是边缘积炭分布更多，中间和中心比较接近，均相对较少。对于中间段，两种稳态工况下依然是边缘部位炭载量最多，而WHTC前600 s工况则是中心和中间部位炭载量较多，边缘较少。对于后段，工况1中心和中间炭载量较多，工况2炭载量分布较为均匀，WHTC前600 s工况中心部位炭载量较多。

图6 Mcu分布规律

2.3 与整车累炭分布比较

将装配与上述试验同一型号发动机及DPF组合的某款厢式货车，按照标准[12]进行PEMS试验，加载比例为50%，市区、市郊、高速工况比例为45∶25∶30，重复多次试验直至车辆OBD系统识别到DPF达到最大炭载量，拆卸DPF对比总变化量后，按1.2节方法切割进行分块比较。

PEMS试验前后DPF质量变化即炭载量只有15.6 g，相比20 g的最大加载质量还有很大余量。这个余量的存在一方面是PEMS试验过程中，由DPF压差传感器测量值来计算炭载量在不同工况下有一定误差，另一方面也是由于企业标定人员为避免再生时温度失控而采取的安全保护措施。

通过切块法计算整车DPF积炭分布Mcu，并与台架法3种工况下的DPF比较积炭分布的相关性。4组DPF的单位载体炭载量Mcu见表4。从与整车DPF的相关性系数可以看出，工况1和工况2两个稳态工况相关性好，且与整车相关性也较好，均大于0.8，且工况2更高，分析认为这与试验货车PEMS试验大多在中高负荷稳速行驶有关，因此可以初步得出结论，积炭分布与发动机行驶工况具有很强的相关性。

表4 4组DPF各部位Mcu及相关性

2.4 不同工况颗粒物排放对比分析

按1.3节所述方法，采用工况2和工况3分别将同一DPF分别加载至不同炭载比例，然后在排放台架上测试颗粒物数量和颗粒物质量变化规律(见图7)。

图7 工况2和工况3不同累炭量下的颗粒物排放

从图中可以看出，无论采用稳态工况还是瞬态工况，颗粒物排放都是随着炭载量的提高出现先高后低的变化规律，在初始DPF炭载量为空的时候，PM和PN都出现峰值，甚至颗粒物数量可能超过排放限值(6×1011个/(kW·h))。颗粒物在DPF内的沉积过程按照压降变化一般可将其分为三个阶段，分别是深床过滤阶段、过渡阶段和表面过滤阶段[13]。这与国外文献中提到的刚刚再生过炭载量为空的DPF载体处于深床过滤阶段，该阶段颗粒的捕集效率较低的结论相同，主要原因在于在颗粒刚开始沉积时，这部分颗粒首先是进入载体壁面内部的微孔进行沉积，后期随着沉积过程的进行微孔孔径逐渐收缩，过滤效率会逐步提升至过渡阶段。初始深床过滤阶段效率较低，而在过渡阶段以后过滤效率逐渐提高，最高可达98%以上[14]。