国六重型柴油机后处理装置再生验证试验研究

2023-11-02郑巍朱启涛程建康张昌盛王兆文

车用发动机 2023年5期

郑巍,朱启涛,程建康,张昌盛,王兆文

(1.襄阳达安汽车检测中心有限公司,湖北襄阳 441004;2.华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430074)

节能减排是发动机行业发展的迫切需求和必由之路。国六柴油机排放后处理装置的主流配置有EGR+DOC+DPF+SCR+ASC和DOC+DPF+ SCR+ASC两类[1-2],其中颗粒捕集器(DPF)是降低柴油机排气中炭烟颗粒物(PM)的必备后处理装置[3-4],其基本原理是利用过滤介质把排气中的PM分离并沉积下来。柴油机排气中的PM粒径分布范围极广,根据过滤介质孔隙大小的差别,DPF分离可分为表面过滤和深床过滤[5]。表面过滤采用微孔直径小于PM粒径的过滤介质,使排气中的PM分离,当排气通过过滤介质时,排气中的PM被截留在过滤介质的一侧,此种过滤方式主要处理粗颗粒态排放物。深床过滤是指过滤介质的微孔直径大于排气中部分PM的粒径,排气通过过滤介质时,该部分PM不易被过滤介质截留,当柴油机尾气通过过滤介质时,伴随过滤介质的厚度增加,排气中PM被截留在过滤介质内部微孔中的数量增加,对PM同样有过滤的功能,该过滤方式主要处理聚集态和成核态颗粒排放物。实际柴油机DPF过滤时,同时存在表面过滤和深床过滤,其总体捕集效率可达95%以上[6-7]。DPF的高效捕捉会在较短时间内积累大量的颗粒物,引起发动机排气背压升高,使发动机燃油经济性、排放恶化,需要有效的再生技术将捕集的颗粒物及时转化掉[8-9]。

国六排放法规定义了DPF再生的两种类型[10-11]:连续再生,指热态WHTC(world harmonized transient cycle)试验中至少发生一次再生的排气后处理系统再生过程[12-13];周期性再生,指排放控制装置不超过100 h便周期性发生的再生过程[14-15]。在汽车排放检测中,企业申报后处理再生类型,由型式核准机构进行再生验证。由于国六发动机后处理型式复杂,验证过程中,不恰当的再生验证试验方法会产生以下3个问题,导致错误的试验结果。

1) 连续再生验证过程中DPF发生主动再生,相比于正常状态,主动再生时发动机的NOx和PN排放均不满足国六排放法规要求[16],从而误导再生验证判定;其次,连续再生型发动机和周期性再生型发动机的排放规律在短期内很相似,也容易产生混淆或者误判。

2) 周期性再生型柴油机中,运行一个完整的再生周期去区分再生类型耗时太久,造成资源浪费,增加企业负担。

3) 周期性再生验证过程中确认再生因子的试验方法亦是难点。

针对目前存在的上述三个问题,本研究通过组织柴油机再生验证试验研究,先获得连续再生型发动机和周期性再生型发动机的普遍排放规律。随后,在周期性再生型发动机的再生验证过程中,针对试验周期长的问题,创新性地采用部分试验结果去近似代替整个周期结果的验证方法,获得计算再生因子的工程经验方法,优化了周期性再生验证试验流程,提出了较优的再生验证试验方案。

1 试验台架及设备

再生验证试验主要测试设备包含测功机及测控系统、气体分析仪、颗粒物采样系统、全流稀释系统,本研究所用上述设备均为AVL产品,设备精度均满足国六排放法规要求。所有试验设备及测试系统均在校准检定有效期内,主要设备及其参数见表1。

表1 设备及其参数

研究对象为发动机A和发动机B,两发动机均为重型车用柴油机。发动机A装备了连续再生后处理装置,发动机B装备了周期再生后处理装置,其基本参数见表2。

表2 发动机参数

再生验证试验中,按国六标准的要求进行柴油机台架准备、试验室环境条件调试。柴油机运行时的边界条件(如进气阻力、排气背压、中冷后温度等)根据柴油机生产厂家要求进行调整。

2 连续再生验证试验研究

试验按照国六标准C.6.2.1规定的WHTC循环来进行,发动机进行热态WHTC试验循环前,按照第C.6.4.1条要求进行热机,根据第C.6.6.3条要求进行热浸。

按国六标准对连续再生的定义,对连续再生过程进行验证,至少进行3次连续的热态WHTC循环。如果试验证明了生产企业说明的再生发生条件,且3次热态WHTC试验颗粒物质量的比排放结果偏差在±25%以内或小于0.005 g/(kW·h)(两者中的大者),则认为排气后处理系统是连续再生的。

连续再生型后处理系统应采用被动再生技术,WHTC试验循环内应发生再生反应,消耗发动机产生的PM,保证后处理装置碳载量处于稳定状态,并且后处理装置的温度和压力不出现因主动再生而导致的突变。

申报为连续再生的发动机后处理系统主要采用被动再生技术。当发动机排气温度达到250～450 ℃、 NO2与PM 浓度比值大于12、 DOC氧化NO到NO2的性能较好时,DPF被动再生就自动发生。DPF中的碳载量、NO2浓度、影响化学反应时间的空速、DPF温度、环境温度5个因素是影响被动再生发生的主要因素。在再生验证试验中,由于验证循环是固定的,NO2浓度、空速、DPF排气温度基本为恒定数值,因此主要研究碳载量和环境温度对连续再生验证结果的影响。

2.1 碳载量对连续再生验证结果的影响

在DPF空载状态下,对发动机A进行连续10 h的WHTC试验,试验过程中记录后处理装置前后温度、排气背压。温度和压力测点示意见图1,测量获得的温度及压力数据见图2。

图1 后处理前后温度、排气压力测点示意图

图2 后处理装置前后温度、排气压力的测试数据

试验结束后,可从记录的测试数据分析发动机A后处理装置的再生发生情况。单个WHTC试验中,发动机A的PM产生速率为2 g/h,系统排放速率0.06 g/h,再生速率约1.94 g/h。发动机A的DPF载体体积为9.3 L,最大PM载荷为6 g/L,最大载荷量为55.8 g,假设该DPF未发生再生,通过运行WHTC达到满载需要27.9 h,DPF载体前后的压差会逐渐增大到34 kPa。由图2可知,DPF入口平均温度为265 ℃,出口平均温度为262 ℃,入口平均压力为4.7 kPa,出口平均压力为3.1 kPa,发动机A在10 h运行过程中,DPF前后温度和压力均未出现大幅波动现象,因此,可认为发动机A在WHTC试验过程中发生了连续再生。

在DPF空载状态、满载状态下分别进行6次WHTC排放测试,空载状态下的柴油机NOx、PM、PN排放见图3,满载状态下的柴油机NOx、PM、PN排放见图4。

图3 DPF空载状态下的热态WHTC排放结果

图4 DPF满载状态下的热态WHTC排放结果

由图3可知,第一次热态WHTC的PM结果要比后五次的平均结果高2.7倍,随着试验次数的增加,PM数据趋于稳定;第一次热态WHTC的PN数是后5次平均结果的2.2倍,甚至超过了标准限值,随着试验次数的增加PN数据趋于稳定;NOx排放结果小幅波动,较为稳定。这种现象是由DPF炭烟捕捉特性导致,DPF要达到最大的PM捕捉效率,需要表面过滤和深床过滤同时作用。空载的DPF只有表面过滤而深床过滤未起作用,只有在吸附了一定数量的大粒径PM后,DPF的捕捉效率才会逐渐提升,从而减少PM和PN。发动机A由于采用了较小孔隙率的DPF,排气中PM被截留在过滤介质内部微孔中的数量增加得较多,因此在经过了一个热态WHTC后,DPF的捕捉效率才由90%提高到了97%。

由图4可知,当DPF处于满载状态时,会触发主动再生。主动再生前一次热态WHTC排放结果中,满载DPF的PN结果是空载后5次PN平均结果的63.4%。这是由于满载状态下DPF的深床过滤效率较高,DPF对PN有较好的过滤效果。第二次热态WHTC时,满载的后处理装置发生主动再生,即发动机A通过后喷柴油的方式使得DOC的温度迅速上升,发生清除DPF中炭烟的化学反应,第二次热态WHTC的NOx排放是标准限值的2.2倍,PN是标准限值的1.4倍,PM是标准限值的1.5倍。在主动再生完成后的第3次热态WHTC测试中,NOx排放是标准限值的1.05倍,PN是标准限值的1.98倍,PM是标准限值的0.6倍。在第4个热态WHTC之后各项排放结果低于标准限值并趋于稳定。这是由于在主动再生时,额外喷射的燃料在DOC和DPF中发生了剧烈的化学反应,使得发动机排放超出了后处理系统当前的处理能力,而发生再生后的第一个WHTC试验跟空载的结果有相似性,由于DPF的碳载量大幅降低,DPF的深床过滤还未起作用。对于发动机A,主动再生完成后一个WHTC循环便能建立起较高的DPF捕捉效率,类似于空载状态。

2.2 环境因素对再生验证结果的影响

由于发动机A的后处理系统处于试验室环境,环境温度会影响DPF的入口温度,20～30 ℃为国六柴油机台架试验标准要求温度。本研究通过全室空调将环境温度分别设置为20 ℃,25 ℃,30 ℃,对发动机A进行热态WHTC试验,以分析环境因素对再生验证结果的影响。试验结果见图5。

图5 发动机A在不同环境温度下的热态WHTC试验结果

由图5可知,三次热态WHTC的试验结果均能满足标准要求,排放结果并未随环境温度变化呈现出明显的规律性。发动机A具有进气节流阀和排气背压阀等热管理装置,当发动机端监测到后处理装置温度不足时,会通过调节进气节流阀开度和喷油策略来减少进气量,升高排气温度以达到快速提高DPF载体温度的目的,使DPF保持较高的连续再生能力。由此可知,在规定的试验室环境范围内,环境因素对再生验证结果影响较小。

3 周期性再生验证试验研究

申报为周期性再生的发动机后处理装置主要采用了主动再生技术,当发动机满足运行时间/里程要求时,通过主动喷射燃油/缸内后喷技术使DPF温度达到550～650 ℃以清除PM。从再生条件分析,设定的运行时间为主要触发条件,而碳载量是次要触发条件。

3.1 时间/碳载量对周期性再生验证的影响

图6为周期性再生的影响逻辑图。由图6知,装有周期再生后处理系统的发动机根据运转时间或是碳载量自动执行再生功能,各判定条件互不冲突,满足其中一个条件即执行。根据运转时间执行再生:计数器累计运转设定的TIME1小时后执行自动再生,再生成功后计数器清零;计数器累计运转TIME2小时后,触发手动再生要求,再生成功后计数器清零;计数器累计运转TIME3小时后,进入再生禁止状态,并且故障灯点亮。根据累碳量执行再生:根据压差传感器计算的碳载量,当判断其达到满载状态后,执行自动再生,再生成功后计数器清零;根据压差传感器计算碳载量,当判断其达到满载以上的碳载量后,触发手动再生要求,再生成功后计数器清零;根据压差传感器计算累碳量,当判断其达到装载极限后,进入再生禁止状态,并且故障灯点亮。

图6 时间/碳载量对再生的影响逻辑图

对发动机B连续进行50 h的WHTC试验,记录后处理装置前后温度、排气背压数据,分析发动机B后处理装置的再生发生情况。图7示出发动机B连续进行50 h的WHTC试验的后处理装置温度和压力数据。由图7可知,DPF入口平均温度为285 ℃,DPF出口平均温度为263 ℃,DPF入口平均压力为9.2 kPa,DPF出口平均压力为0.7 kPa。发动机B单个WHTC试验的PM产生速率为2.15 g/h,系统排放了0.08 g/h,单个WHTC试验再生消耗的PM约为2.07 g/h。发动机B的DPF载体体积为11.3 L,最大载荷为6 g/L,最大载荷量为67.8 g,通过WHTC达到满载需要32.8 h。在50 h内,发动机B的DPF前后温度和压力均未出现大幅波动现象,证明发动机B在WHTC试验过程中也发生了被动再生,并且碳载量一直未处于满载状态。在50 h 后(图中180 000 s处),发动机B出现了主动再生过程,DPF前后温度和压力有较明显的突变。这表明,对于某些发动机,碳载量促发再生的时间可能会先于设定的再生时间,对于此类情况,再生周期应以较短的周期申报。