柴油机颗粒捕集器极限碳载量测试方法研究.pdf

62中国环保产业2023年第6 期深入打好蓝天保卫战MAKEIN-DEPTHEFFORTSTOPROTECTBLUESKIES柴油机颗粒捕集器极限碳载量测试方法研究陶汉国，张琳，冯曦，王计广（中国汽车技术研究中心有限公司，天津3 0 0 3 0 0)摘要：本文在发动机台架上进行DTI试验确认最恶劣DTI条件，并基于该条件进行降息速（D T I）再生耐久试验进行验证，结果表明：在碳载量和再生温度一定的条件下，DTI时刻决定了柴油机颗粒捕集器（DPF）载体的最高温度；DTI耐久试验中柴油机颗粒捕集器（DPF）载体一旦开裂，需要降低碳载量重复进行DTI耐久试验，直至足够DTI耐久试验后DPF载体仍然不产生裂纹，从而可以确认极限碳载量。关键词：柴油机颗粒捕集器；主动再生；碳载量；降急速；压降中图分类号：X701文献标志码：A文章编号：10 0 6-53 7 7（2 0 2 3）0 6-0 0 6 2-0 3柴油机颗粒捕集器（DPF）是柴油机满足重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）（G B17 6 9 12 0 18）中颗粒物排放限值必备后处理装置 2。DPF使用中需要定期将DPF中累积的碳颗粒物除去，从而实现其再生 3。在车辆实际使用过程中，可能会发生降怠速（DTI）再生现象，即DPF再生时发动机转速突然降低至氧浓度较高的急速工况，排气流量急剧下降，DPF再生产生的热量无法及时排出，内部沉积的碳颗粒物发生快速氧化燃烧，引起DPF内温度急剧升高，瞬时温度可能超过DPF载体的耐温限值，引起载体的开裂甚至烧熔 4。DTI再生时载体内部最高温度主要受碳载量、再生温度及DTI时刻的影响，研究表明 4碳载量影响再生总放热量，再生温度影响碳的燃烧速率以及进入DTI工况前碳再生聚集的热量，DTI时刻影响此时DPF载体内部的剩余碳载量以及此前聚集的热量，即碳载量和再生温度决定了DTI试验中DPF载体可达到的温度上限，DTI时刻决定了能否达到温度上限。通过DTI试验确认碳载量上限时，需要选择合适的收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 4；修回日期：2 0 2 3-0 6-12第一作者简介：陶汉国（19 8 3 一），男，湖北武汉人，硕士，高级工程师，从事汽车废气减排研究工作。DTI时刻使DPF载体温度达到上限，此DTI时刻也被称为最恶劣DTI条件。本研究采用在发动机台架上进行DPF碳加载以及DTI再生测试，分析确定最恶劣DTI条件及DPF极限碳载量，并通过DTI耐久试验验证极限碳载量，以期为DPF的安全再生提供参考。1试验装置1.1试验用发动机试验选用一台直列四缸增压中冷柴油机，其主要技术参数如表1所示。表1试验用发动机技术参数项目参数排量儿2.88最大功率/kW110最大扭矩/Nm450排放水平国六1.2试验用后处理装置试验选用排气后处理装置主要包括氧化型催化转化器（DOC）和DPF，其中DOC主要用于产生再生需要的高温，DPF具体参数如表2 所示。CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY2023.663MAKEIN-DEPTHEFFORTSTOPROTECTBLUESKIES|深入打好蓝天保卫战表2 试验用DPF技术参数项目参数结构及材料非对称结构，碳化硅尺寸/（mmmm）190.5 177.82试验方法参考柴油车排气后处理装置技术要求第3 部分：柴油颗粒捕集器（DPF）（T/C A EP I 12.3 2 0 17）5)的规定进行DPF预处理及称重、DTI耐久试验等。DTI试验工况见表3。表3 DTI试验工况再生工况降怠速时急速工况转速/入口温排气流量/刻（入口入口温排气流量/rpm度/(kg/h)温度）/度/(kg/h)200060020260065051采用世界统一瞬态循环（WHTC）测量DPF出口的颗粒数量（PN）。在DTI耐久试验前，5次和10 次DTI测试后进行超声波扫描及WHSC排放试验，以检查DPF载体开裂情况及PN排放情况。3结果和分析3.1最最恶劣DTI条件本研究采用DPF压差相对DTI前最大压差的下降量来定义DTI时刻。表4为再生目标温度为600，三种DPF压差下降量条件下的DTI试验的温度压力值。从表4可以看出，DPF压差下降0.46 kPa时最高温度最大。表4不同DTI时刻的温度压力值压差下碳载量/最大压DTI时压压差下降最高温降率/(g/L)差/kPa差/kPa量/kPa度/%11.713.4213.070.231.7124811.513.5513.090.463.4134511.513.5212.720.85.91094图1为三种DTI条件下，DPF压差及最高温度的对比情况。从图1中可以看出，三次试验再生前DPF最大压差基本一致，表明碳载量水平一致，因此三次试验最高温度的差异主要由DTI时刻的差异引起。T2-1.7%T2-3.5%T2-5.9%AP-1.7%P-3.5%P-5.9%14001490094004-100-102004006008001000时间图1三次DTI试验DPF压差及最高温度140013001200110010009008000.01.02.03.04.05.06.07.0压差下降率/%图2 三次DTI试验DPF最高温度图2 为三次DTI试验中DPF压差下降率与最高温度的曲线。由图2 可知，DTI再生试验载体内部最高温度出现在压差下降约3.4%时，由于试验中设定的压差下降间隔已较小，在DPF压差下降3.4%附近进行DTI试验获取更高峰值温度的操作性不强，本研究不再进行测试，将DPF压差下降3.4%时刻作为再生温度6 0 0 时的最恶劣DTI条件。3.2 DTI耐久测试DTI耐久试验更换新样件，在碳载量为（10 0.5）g/L、再生温度为（6 0 0 5）、DTI时刻为压差下降（3.51）%的条件下进行10 次DTI试验。超声波扫描发现：在5次DTI试验后，DPF载体内部出现了裂纹，这表明试验初定的极限碳载量偏高；在10次DTI试验后，DPF载体内部裂纹扩大。图3 为不同耐久试验阶段PN排放结果，其中WHSC-1和WHSC-2分别为对DPF进行电炉再生后进行的第一次和第二次排放测试。64中国环保产业2023年第6 期深入打好蓝天保卫战MAKEIN-DEPTHEFFORTSTOPROTECTBLUESKIESWHSC-1WHSC-21.4E+121.2E+121E+12(4:My)/Nd8E+116E+114E+112E+1100次5次10次11次DTI次数图3 不同DTI试验阶段PN排放结果由图3 可知，DTI试验前，2 次WHSC测试的PN排放均较低，第2 次WHSC试验的PN排放比第一次低了约6 7%。这表明DPF经过1次WHSC试验后碳烟滤饼层生成，PN过滤效率提高。第5次DTI试验后，两次PN排放与试验前相当，表明此时DPF载体内部虽然出了裂纹，但没有对PN排放造成影响。第10 次DTI试验后，PN排放急剧增大，但仍低于重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）（GB176912018）中规定的PN排放限值。第11次DTI试验后，PN排放大幅增加，而且两次PN排放结果均超过国六阶段PN排放限值，这表明DPF载体内部裂纹已进一步扩大，耐久选用的DPF载体碳载量偏大，需要降低碳载量进行DTI耐久测试以继续评估DPF载体的极限碳载量。4结语（1）通过DTI试验确认DPF载体极限碳载量时，需要在最恶劣DTI条件下进行测试，最恶劣DTI条件主要由DTI时刻决定。（2）在DTI耐久测试中，DPF载体出现轻微开裂时，PN排放水平仍然可满足国六阶段PN排放限值要求，但随着耐久测试的进行，PN排放水平会不断增加，PN排放结果超过国六法规限值的风险加大。（3）D T I 耐久试验可有效验证DPF极限碳载量，一旦DPF内部开裂，需要降低碳载量重复进行DTI测试，直至足够DTI测试后DPF载体不产生裂纹，从而可确认极限碳载量。参考文献：1】G B17 6 9 12 0 18，重型柴油车污染物排放限值与测试方法（中国第六阶段）S.2 Meng Z W,Li J S,Fang J,et al.Experimental study on regenerationperformance and particle emission char acteristics of DPF withdifferent inlet transition sections lengthsJJ.Fuel,2020(262):116487116495.3 资资新运，张卫锋，姚广涛，等.柴油机微粒捕集器复合再生策略的试验研究 J.汽车工程，2 0 11，3 3（7）：6 2 8-6 3 1.4】鲜建，魏宽，杨怡，等.基于模型的CDPF降怠速再生特性研究 J.车用发动机，2 0 2 2（2）：9-17.5】T/C A EP I 12.3 2 0 17，柴油车排气后处理装置技术要求第3 部分：柴油颗粒捕集器（DPF）S Study on the Evaluation Methodfor the Maximum Soot Load of DPFTAO Han-guo,ZHANG Lin,FENG Xi,WANG Ji-guang(China Automotive Technology and Research Center Co.,Ltd.,Tianjin 300300,China)Abstract:In this paper,drop to idle(DTI)test is carried out on the engine bench to confirm theworst DTI condition,and DTI regeneration durability test is carried out under this condition to studythe limit service condition of diesel particulate filter(DPF).The results show that the maximumtemperature of DPF substrate is determined by DTI time under the condition of constant soot loadand regeneration temperature.In the durability test,there is a risk of DPF substrate cracking,and isnecessary to reduce the soot load and repeat the DTI durability test until sufficient DTI durabilityachieved without cracks to confirm the ultimate soot load.Key word:DPF;active regeneration;soot loading amount;DTI;pressure-drop