DPF降怠速再生温度场及碳载量分析

侯泽坤,陶建忠,郁钱,汤嘉立

(1.江苏理工学院机械工程学院,江苏 常州 213001;2.无锡威孚力达催化净化器有限责任公司,江苏 无锡 214000;3.江苏理工学院计算机工程学院,江苏 常州 213001)

柴油机以其热效率高、动力性强等优势被广泛应用于各类交通运载工具中,但其对环境的污染也不容忽视。在大气环境污染物中,超过90%的颗粒物、60%的氮氧化合物均由柴油机排放产生[1]。为了更好地处理柴油机排放问题,我国推出了车机第六阶段排放法规以及非道路第四阶段排放法规。最新的法规对PM、PN有了更严格的限制,因此后处理系统中的柴油颗粒捕集器(DPF)技术尤为关键[2-3]。

DPF进出气口两端采用交替堵孔的方式,允许气流通过载体壁面上的多孔介质流出,而将炭烟等固态颗粒物截流下来,以达到净化排气的目的。但是捕集的颗粒物不会消失,随着运行时间的增长,颗粒物会在DPF中形成积聚,影响排气背压,长此以往甚至会导致柴油机动力不足而熄火。因此,每隔一段时间就需要DPF进行周期性再生,通过提升柴油机功率来提高排气温度,在一定温度下DPF中的颗粒就会发生氧化反应燃烧,达到清除颗粒物的目的[4-7]。但是超过一定的再生温度DPF会有烧坏的可能,尤其是主动再生刚发生时,如果柴油机突然降至怠速(Drop to Idle,DTI),此时氧化反应已经开始,但是排气流量突然大幅下降,大部分的热量无法被气流及时带走,DPF可能会因高温出现一定程度的损毁[8-11]。因此,找到DPF的高温临界点,使其能在安全条件下长期发挥作用是尾气后处理研究的一个重点。唐蛟等[12]通过提升怠速的方法更快送走高温尾气,田径等[13]通过提高碳载量并减少氧气含量来控制再生速率,Patrick Recker等[14]通过降低DPF进气端温度来降低再生速率,以进一步控制再生温度。

再生过程中出现的DTI现象不容忽视,已引起众多关注,本研究在台架上对DPF载体进行不同碳载量的加载,对比不同碳载量下的DPF各测温点温度随时间变化,并对试验后的载体进行法规循环验证,确定了载体不被烧蚀损毁情况下的极限碳载量,为DPF再生安全性以及相关标定试验提供一定参考。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验发动机为1台2.8 L电控柴油机,发动机主要参数见表1。

发动机试验台架布置如图1所示,试验采用HORIBA HD250测功机来测量发动机的转速和扭矩,采用HORIBA FQ2100油耗仪测量发动机的耗油量,采用HORIBA MEXA-7100D气体分析仪测量排气组分,采用HORIBA SPC-2300 颗粒计数器和AVL 472部分流颗粒分析仪测量PM和PN。

图1 发动机试验台架示意

试验对象由DOC、DPF和SCR组成,DOC和DPF参数见表2。

表2 DOC和DPF参数

T4传感器位于DOC前端筒体,T5传感器位于DPF前端筒体,DOC、DPF和SCR表层焊接隔热棉。增压器出口距ATS约150 cm,中间有弯头连接,且无保温棉包裹。发动机试验台架实拍见图2。

图2 发动机试验台架

DOC和DPF中分别布置4支和16支直径为0.8 mm的K型热电偶温度传感器,以检测DOC和DPF载体内部实时温度,DPF安装点见图3。

图3 DPF热电偶分布

1.2 试验方法

试验对象为体积3.54 L的DPF1。试验开始前,先对后处理系统进行预处理,将发动机设为标定点工况运行2 h,之后运行至下一工况点(70%最大排气流量,DOC前端温度350～400 ℃),手动开启POI1,直至DPF前端温度达到610 ℃,维持30 min。继续再生15 min。然后关闭POI1,运行至降温工况(高转速/低负荷,DPF前端温度约200 ℃),运行15 min。重复以上步骤,直至总再生时间达到4.5 h。由于载体会吸附空气中的水蒸气,所以称重前需要将DPF载体放入马弗炉中加热,将热电偶导线放在烤箱外,以300 ℃加热30 min后取出称重,获取零点质量。

按照规范进行法规循环(WHTC和WHSC)测试至少各两次,判断条件如表3所示。试验全程未开启尿素喷射,故NOx值不做参考。

表3 法规循环判断条件

积炭至目标碳载量,选择法规循环和路谱数据中DPF上游温度低于250 ℃的工况,生成新的循环数据,积炭24 h,积炭期间若碳载量小于0.8倍目标碳载量,每隔6 h称重1次,接近目标碳载量后,缩短称重间隔时间。试验目标碳载量分别为9 g/L,10 g/L,11 g/L。

积炭工况涵盖了所有转速,主要集中在1 800～2 600 r/min的低负荷区域,此区域温度较低,排气量较大,积炭相对均匀[15]。

DTI试验过程中,热机工况要满足DPF上游温度小于200 ℃,运行至WHSC第3工况点,进入再生模式。观察压差传感器数值,当DPF两端压差由大变小时,在10 s内将发动机运行至怠速工况,怠速运行10 min,回到NORMAL模式,直至DPF上游温度低于200 ℃时停机。

DTI后称重前要将载体放入马弗炉,升温时间30 min,上升至200 ℃,加热1 h后取出称重。按照规范进行法规循环排放试验,若试验结果满足法规要求,表明载体未损坏,增加碳载量,重复上述步骤,直至排放结果超出法规限值,即载体损坏。

2 试验结果及分析

为了确定发生DTI时DPF载体的极限碳载量,在WHSC第3工况点(103 N·m@2 017 r/min)进行热机,待工况稳定后,对不同碳载量的DPF载体进行DTI试验。

2.1 9 g/L碳载量再生DTI温度分布

9 g/L碳载量条件下的DPF载体温度分布如图4所示。在DPF两端压差稳定后,进入再生模式工况,两端压差开始降低,从5.2 kPa降到5.0 kPa时将发动机在10 s内降到怠速(再生模式),10 min后将发动机调回NORMAL模式,并进行降温。

在进入怠速的短暂时间内,由于排气量的骤降,导致DPF内温度急速上升,加之氧含量变大,燃烧速率快速增大,载体温度随之快速升高,最后缓慢下降。在再生模式下的怠速工况,温度逐步缓慢提升并保持稳定。

截面A的各温度点对比如图4a所示,处于中心点的T1温度最高,高达903 ℃,最高温差292 ℃,温度梯度37.9 ℃/cm;图4b中示出了截面B的各温度点对比,T7温度最高,最高温度高达799 ℃,最大温差165 ℃,温度梯度22.6 ℃/cm;由图4c可见,截面C的中心温度为778 ℃。截面D的试验数据异常,疑传感器在试验中发生损坏,此处不进行分析研究。

图4 9 g/L碳载量下各测试点温度随时间变化

对比各截面温度点最高温度以及温度梯度可以看出,DPF载体中心温度高于边缘温度,后端温度高于前端温度,这是因为载体中心更不容易散热,同时碳载量更多积累在DPF后端,在进入怠速后和氧气充分反应温度会得到较大提升。

9 g/L试验结束后拆除DPF载体,载体前端中心区域表面洁净,边缘存在少量颗粒物,后端表面整体洁净,且前后端均无明显烧蚀损坏的迹象,称重得出DPF载体上还有2.57 g炭残留。

9 g/L试验后进行两次法规循环,结果如表4所示,PM和PN排放均满足法规要求,且法规循环排放结果基本一致,可以判断DPF没有烧蚀损坏。

表4 9 g/L再生后法规循环测试结果

2.2 10 g/L碳载量再生DTI温度分布

在试验前将D截面的三个传感器重新布置。10 g/L碳载量条件下的DPF载体温度分布如图5所示。在DPF两端压差稳定后,进入再生模式工况,两端压差开始降低,从6.2 kPa降到6 kPa时将发动机在10 s内降到怠速(再生模式),10 min后将发动机调回NORMAL模式,并进行降温。

图5a中示出了截面A的各温度点对比,处于中心点的T1温度最高,高达971 ℃,最大温差385 ℃,温度梯度50 ℃/cm;图5b示出了截面B的各温度点对比,T7温度最高,最高温度为907 ℃,最大温差251 ℃,温度梯度34.4 ℃/cm;图5c示出了截面C的中心温度,为868 ℃;图5d示出了截面D的各温度点对比,处于中心点的T14温度最高,为770 ℃。截面D的T16传感器在试验中发生损坏,试验数据不作处理。

10 g/L试验结束后拆除DPF载体,载体前端中心区域表面洁净,边缘存在少量颗粒物,后端表面整体洁净,且前后端均无明显烧蚀损坏的迹象,称重得出DPF载体上还有1.9 g炭残留。

图5 10 g/L碳载量下各测试点温度随时间变化

10 g/L试验后进行两次法规循环,结果如表5所示,PM和PN排放均满足法规要求,且法规循环排放结果基本一致,可以判断DPF没有烧蚀损坏。

2.3 11 g/L碳载量再生DTI温度分布

11 g/L碳载量条件下的DPF载体温度分布如图6所示。在DPF两端压差稳定后,进入再生模式工况,两端压差开始降低,从7.2 kPa降到7.0 kPa时将发动机在10 s内降到怠速(再生模式),10 min后将发动机调回NORMAL模式,并进行降温。

图6a示出了截面A的各温度点对比,处于中心点的T1温度最高达到1 171 ℃,最大温差576 ℃,温度梯度74.8 ℃/cm;图6b示出了截面B的各温度点对比,T7温度最高,最高温度高达1 054 ℃,最大温差402 ℃,温度梯度55.1 ℃/cm;图6c示出了截面C的中心温度为1 006 ℃;图6d示出了截面D的各温度点对比,处于中心点的T14温度最高,达到780 ℃,最大温差173 ℃,温度梯度69.2 ℃/cm。

图6 11 g/L碳载量下各测试点温度随时间变化

11 g/L试验结束后拆除DPF载体,载体前端中心区域表面洁净,边缘存在少量颗粒物,且无明显烧蚀损坏的迹象,后端表面整体洁净,但出现轻微裂痕,称重得出DPF载体上还有0.5 g炭残留。

11 g/L试验后进行两次法规循环,结果如表6所示,PM排放无法满足法规要求,且DPF后端出现轻微裂痕,PN结果和新鲜态排放结果相比已升高到更高的量级,可见DPF载体内部存在烧蚀损坏的情况,试验终止,此DPF载体最高碳载量为11 g/L。

表6 11 g/L再生后法规循环测试结果

对比不同碳载量再生结果发现,保持再生目标温度不变的条件下,DPF载体内的最高温度随着颗粒物质量的增加而升高,且到达最高温度点所需时间随着颗粒物的增加而缩短。这是因为随着碳载量增加,DPF颗粒捕集逐渐由深床过滤过渡为滤饼过滤,捕集效率增加,导热性变差,这也就导致了中心温度高于外径温度。

再生结束后炭残留随碳载量增加而减少,这是因为NO2在氧化干炭烟时需要大量热量,碳载量增加会直接提升反应温度,铂、钯、铑等贵金属的活性会随之提升,最终提升了再生效率,使载体中的炭烟实现更充分的燃烧。

2.4 不同DPF温度场对比

对4.19 L的DPF进行10 g/L和11 g/L的DTI降怠速再生试验,温度测点选择T1,T6,T7,以便观察轴线及径向温度变化以及最大温度和最大温度梯度,其温度随时间变化见图7。

由图7a可见,10 g/L,11 g/L碳载量下最高温度均出现在后端轴心处,分别为1 077 ℃,1 319 ℃。相比3.54 L的DPF各点温度均有明显提升,这是因为DPF容积提升导致总碳载量提升,并且由于排气气流不均匀,炭烟总量提升,导致炭烟分布在中心更多,轴向上炭烟也会先在后端积累,然后逐渐前移,这就导致后端的碳载量会高于中前端。其次,4.19 L的DPF直径也有一定的变大,本身不易散热的载体温度更难向外逸散。另一方面,DPF入口处的温度是一定的,但随着排气带走前端炭烟燃烧的热量,与后端炭烟燃烧释放的热量叠加,使得后端温度更高,促进了后端炭烟氧化,并且随着碳载量提升,后端温度也会随之提升。图7b中示出了T1最高温度出现在400 s左右,但是之后又出现了一个小波峰,这是因为前端输送的热量与后端炭烟达到起燃温度的时间略有偏差。

图7 4.19 L DPF各测点温度随时间变化

DTI试验结束后对其进行法规循环测试,结果如表7和表8所示。10 g/L试验后,PM和PN排放均满足法规要求,且两种法规循环排放结果基本一致,可以判断DPF没有烧蚀损坏。11 g/L试验后,PM和PN排放均无法满足法规要求,且DPF后端出现轻微裂痕,PN结果和新鲜态排放结果相比已升高到更高的量级,可见DPF载体内部存在烧蚀损坏的情况。

对比两个DPF试验,两者均在11 g/L碳载量下发生载体裂变,故建议碳化硅载体DPF碳载量不应超过11 g/L。

3 结论

a) DTI过程是一个温度急剧升高,达到顶点后缓慢降低的过程;发生DTI时,DPF载体后端温度高于前端温度,中心温度高于边缘温度;

b) 碳载量越高,再生时最高温度越高,达到最高温度点所需的时间越短,更高的再生温度使再生更充分,残余碳载量随之减少;试验中DTI试验最高温度达到1 171 ℃,截面最大温度梯度为74.8 ℃/cm;

c) 当碳载量达到11 g/L时,DPF对PN的捕集效率出现了明显的变化,表明11 g/L是其上限值,标定时需要确认在任何运行模式下均不应超过此限值。