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DPF主動再生過程顆粒排放特性試驗

2020-04-07 21:32:56·  來源：內燃機學報  
　
柴油機顆粒捕集器(DPF)能大大降低柴油車的顆粒物排放，研究發(fā)現(xiàn)：DPF對粒徑為10m以內的顆粒物有較高的過濾性能，在非主動再生狀下，DPF出口的顆粒物數(shù)量濃度與環(huán)
柴油機顆粒捕集器(DPF)能大大降低柴油車的顆粒物排放，研究發(fā)現(xiàn)：DPF對粒徑為10µm以內的顆粒物有較高的過濾性能，在非主動再生狀下，DPF出口的顆粒物數(shù)量濃度與環(huán)境空氣中顆粒物數(shù)量濃度相當，而在DPF主動再生狀態(tài)下，這些顆粒物有可能出現(xiàn)在DPF出口端。為了得出二次顆粒物的產生機理，以便進一步高效地降低顆粒物排放，本次推文通過發(fā)動機臺架試驗，研究不同碳載量和不同再生溫度下再生條件對主動再生期間DPF中二次顆粒的形成及排放特性所產生的影響。
01、載體參數(shù)及試驗方法
試驗選用JE493柴油發(fā)動機，臺架配置如圖1所示；選用非耦合式 DOC＋DPF后處理系統(tǒng)，DOC和DPF載體材料分別為堇青石和鈦酸鋁。
 
圖1 發(fā)動機臺架示意
為保證試驗結果的可靠性和可重復性，以及各組試驗中DPF內部碳煙顆粒沉積的一致性，試驗過程中碳煙的加載和DPF的主動再生均使用統(tǒng)一工況進行，且所有試驗均使用同一批次柴油燃料。選取發(fā)動機轉速為1100r/min、轉矩為90 N·m的碳煙加載工況。同時，考慮到發(fā)動機排氣流量及DOC入口溫度等因素，選定轉速為1600r/min、轉矩為90N·m以觸發(fā)DPF主動再生且有較好燃油經濟性的工況點。
過濾性能測試：為確保主動再生期間顆粒排放特性試驗結果的準確性，首先應確保DPF后處理系統(tǒng)的完好性，進行載體過濾性能測試，測試了在碳煙加載工況和主動再生工況(未觸發(fā)再生)下載體及載體內顆粒層的過濾效果。主動再生試驗：為了保證DPF安全高效率再生，主流的DPF主動再生溫度控制策略為選擇梯度多階段升溫再生，因而選擇再生溫度分別為520、550和575℃，碳載量分別為4g/L和8g/L，再生時間均為20min，選取同一個過濾體進行6組試驗。使用發(fā)動機后噴助燃的主動再生方式，通過ECU上位機可以精準觸發(fā)和結束主動再生并記錄后噴油量、DPF入口溫度和再生時間等數(shù)據。為了便于對試驗過程中測得的顆粒物進行分析，先將微粒按粒徑大小分為核模態(tài)(≤50nm)和積聚態(tài)(＞50nm)，因為微粒頻譜儀測量微粒最大粒徑為1μm，故不討論粒徑大于2μm的粗粒子模態(tài)顆粒物。
02、DPF載體的過濾性能
研究DPF系統(tǒng)在所選取的轉速各負荷工況下對顆粒物的過濾性能。選擇加載工況和主動再生工況(未觸發(fā)再生)進行試驗，結果如圖2所示。由于顆粒物在5～1000nm范圍內的不同粒徑上其濃度存在3～5個數(shù)量級的差異，為了便于觀察各個粒徑的顆粒物數(shù)量濃度，將縱坐標取以10為底的對數(shù)坐標。
 
圖2 DPF入口和出口顆粒物粒徑分布
圖2中，近乎空白載體的DPF對顆粒物已經有很高的過濾效率，當載體內部有一定碳載量(8g/L)時，DPF的過濾效率會進一步提升至約99%。由于DPF為空白載體時，載體孔道壁面對顆粒物能起到一定過濾性能，當載體內存在碳煙顆粒層時，顆粒層能增加對來流中顆粒物過濾效果，且顆粒層越厚過濾效果越好，背壓也越高。同時，再生工況(未觸發(fā)再生)下DPF入口顆粒物峰值濃度低于加載工況，這是因為加載工況EGR開度更大，進入氣缸的新鮮空氣量較少，燃燒生成的碳煙濃度更高。
03、DPF主動再生過程微粒排放特性
研究發(fā)現(xiàn)，DPF主動再生過程會導致顆粒物排放有所增加。DPF的主動再生分為兩個階段：升溫過程、主動再生過程，筆者深入分析了DPF主動再生過程中引起過濾體前、后顆粒物數(shù)量濃度及粒徑分布變化的原因。
3.1入口端顆粒物分布
為了研究DPF主動再生期間載體后端顆粒物排放特性，首先應確定不同再生溫度對DPF入口來流顆粒物數(shù)量濃度和粒徑分布的影響。圖3為DPF主動再生期間載體前端顆粒物數(shù)量濃度及粒徑變化。不同再生溫度下的色階最大值均為 3×108，圖中白色虛線為觸發(fā)再生時刻，紅線為達到再生溫度時刻，黃線為停止再生，藍線為降怠速(DTI)，DTI 操作之前發(fā)動機轉速恒為1600 r/min。
觸發(fā)主動再生后，DPF入口的顆粒物數(shù)量濃度略有降低，且顆粒物峰值粒徑從 60nm 降至 50nm，排放中積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度降低，而核模態(tài)顆粒物數(shù)量增加。在觸發(fā)再生后約100～150s的升溫過程中，顆粒物粒徑呈現(xiàn)雙峰分布，峰值粒徑分別為50nm和10nm，之后粒徑恢復為單峰分布。再生過程中，不同再生溫度下顆粒物峰值濃度在1.5×108～2.5×108個/cm3，峰值粒徑約為 50 nm。停止再生后，顆粒物數(shù)量濃度及粒徑分布均恢復為觸發(fā)再生前狀態(tài)。顆粒物峰值粒徑降低主要是由核模態(tài)和積聚態(tài)組成物質的差別引起的，核模態(tài)顆粒物主要是由揮發(fā)性 HC 及半揮發(fā)物質、硫酸鹽等組成，積聚態(tài)主要是由元素碳及其吸附物組成，觸發(fā)再生后，發(fā)動機EGR關閉，進入氣缸的新鮮空氣量增加，利于缸內燃燒，降低了顆粒物排放濃度和積聚態(tài)顆粒物數(shù)量。同時，由于在升溫過程中，遠后噴的燃油導致大量未燃HC生成，從而引起圖3中150s左右核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度陡增。
 
圖3 DPF主動再生期間載體入口端顆粒物濃度及粒徑變化
3.2再生效率及其出口端顆粒物粒徑分布
圖4為DPF在不同再生條件下的再生效率。當再生溫度為520℃時，碳載量為4g/L和8g/L，載體的再生效率分別為10%和21%；再生溫度550℃時再生效率分別為44%和51%；而當再生溫度為575℃時，再生效率分別達87%和90%。高碳載量的載體再生效率高于低碳載量載體，因為高碳載量有助于來流中的熱量在載體內累積，利于再生效率的提高。再生效率的高低在一定程度上反映了再生過程的劇烈程度，同時也說明了DPF 載體內部最終剩余的碳載量及顆粒層厚度。
圖5為主動再生期間DPF出口端顆粒物數(shù)量濃度及粒徑分布。各顏色虛線代表含義同圖3。
圖5中，觸發(fā)再生后100s左右，在碳載量為4g/L時的升溫過程中均出現(xiàn)峰值粒徑為10nm核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的陡增，而在碳載量為8g/L的圖5b、圖5d中未出現(xiàn)顆粒物數(shù)量濃度陡增的現(xiàn)象。DPF出口端核模態(tài)顆粒物陡增現(xiàn)象與圖3升溫過程中來流顆粒物在粒徑為10nm處顆粒物數(shù)量濃度的陡增幾乎同步出現(xiàn)，隨后同步降低。由于較小粒徑的顆粒物穿透性和氣流跟隨性更好，易于穿透顆粒層；而碳載量為4g/L的載體中碳煙顆粒層厚度低于8g/L的載體，可知升溫過程DPF出口端核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的增加主要是由來流中顆粒的穿透引起。
 
圖5 DPF主動再生期間載體出口端顆粒物數(shù)量濃度及粒徑變化
從圖5b、圖5d和圖5f可以看出：觸發(fā)再生前，DPF出口顆粒物數(shù)量濃度在 1×104個/cm3左右或更低；觸發(fā)再生后，出現(xiàn)峰值粒徑在100nm左右的積聚態(tài)顆粒物排放且再生期間始終存在，并隨著再生目標溫度的增加，顆粒物數(shù)量濃度升高。DPF入口顆粒物峰值粒徑約為50nm，而DPF出口顆粒物峰值粒徑為100nm，并不是穿透能力更強、更小粒徑的來流顆粒物。這是由于圖3a中，DPF中加載的碳煙以100nm左右的積聚態(tài)為主，觸發(fā)再生后，DPF入口溫度升高引起氣體黏度增加，氣流通過載體時會帶走少部分顆粒層或壁面孔隙中的積聚態(tài)顆粒物，導致排放顆粒物數(shù)量濃度升高；當再生目標溫度升高時，DPF 內部碳煙氧化反應越劇烈，顆粒層會變得相對單薄和蓬松，也是引起排放顆粒物數(shù)量濃度升高的重要原因。隨著再生的進行，100nm左右的積聚態(tài)顆粒物逃逸現(xiàn)象更加嚴重，再生效率達 90% 時表現(xiàn)尤為明顯(圖5f)。
3.3 出口端顆粒物數(shù)量濃度
圖6為DPF主動再生過程中載體出口端顆粒物總數(shù)量濃度的變化(紅色虛線為達到再生目標溫度對應的時刻，黃色虛線為濃度平均值)。從圖6a、圖6c、圖6e和圖6f可以看出：升溫過程中，DPF 出口端顆粒物總數(shù)量濃度均有2～3個數(shù)量級的增加，而圖6b和圖6d中，DPF出口端顆粒物總數(shù)量濃度略有升高，這是因為碳載量為8g/L載體中顆粒層較厚，不利于氣流通過，從而減少了顆粒物的穿透。
 
圖6 DPF主動再生過程中載體出口端顆粒物總數(shù)量濃度變化
同時，在整個主動再生期間，隨再生溫度的升高，顆粒物排放平均數(shù)量濃度增加(黃色點畫線)；對比圖4再生效率的結果可知，當再生溫度為575 ℃時，由于達到再生目標溫度后載體內碳煙顆粒物的劇烈氧化反應，導致許多二次顆粒的產生并隨氣流排出過濾體，引起顆粒物排放數(shù)量的急劇增加，且在再生后期仍保持較高數(shù)量濃度的排放。
圖7a為觸發(fā)DPF主動再生后DPF入口溫度上升至目標溫度的整個過程中DPF出口顆粒物總數(shù)量濃度。碳載量為4g/L的DPF 出口的顆粒物總數(shù)量受再生目標溫度影響較小；碳載量為8g/L時，隨著目標溫度的升高，升溫過程DPF出口的顆粒物數(shù)量濃度逐漸增加。此外，升溫過程中，碳載量為4g/L的DPF出口顆粒物總數(shù)量濃度均大于8g/L。這是由于再生目標溫度不同時，來流中顆粒物數(shù)量濃度及粒徑分布相近，但當載體碳載量為4g/L時，DPF內部孔道表面顆粒層厚度較薄，DPF載體對來流中的顆粒物更加敏感，其出口的顆粒物數(shù)量濃度受來流顆粒物數(shù)量濃度影響較大。另外，但當碳載量為8g/L時，由于DPF內顆粒層厚度的增加，過濾效率增加，升溫過程中穿透DPF排放至大氣中的顆粒物總量降低，其顆粒物排放總數(shù)量受來流溫度影響較大。
圖7b為DPF入口溫度達到再生目標溫度直至停止主動再生期間的整個過程中的DPF出口顆粒物總數(shù)量濃度。再生過程中，碳載量為4g/L時其內部顆粒層氧化反應劇烈程度不及碳載量為8g/L的DPF載體，更加劇烈的再生反應中碳煙顆粒更容易從DPF載體中逃逸出去，同時也引起更高的再生效率；另一方面，隨著再生溫度的升高，DPF內部反應更加劇烈，引起碳煙顆粒層結構不斷發(fā)生變化(坍塌、變得稀疏單薄等)，加上反應生成更多的二次顆粒物，導致了DPF出口更高的顆粒物排放濃度。
 
圖7 DPF出口端顆粒物總數(shù)量濃度
 
04、結論
（1）升溫過程中，10nm左右核模態(tài)顆粒物的排放主要由來流中顆粒物的穿透引起；再生過程中，10nm左右核模態(tài)顆粒物的排放主要由碳煙顆粒層氧化反應生成的二次顆粒逃逸引起；在整個再生期間，100nm左右的積聚態(tài)顆粒物的排放主要由載體內碳煙顆粒的逃逸引起。
（2）升溫過程中，DPF 出口顆粒物總數(shù)量濃度最大能增加3個數(shù)量級，實際增加幅度和碳載量、再生溫度有關；當再生溫度為575 ℃時，DPF出口排放的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度會增加3個數(shù)量級。
（3）升溫過程中，低碳載量時顆粒物排放總量受來流中顆粒物數(shù)量濃度影響較大；高碳載量時顆粒物排放總量受再生溫度影響較大。
（4）升溫過程中，碳載量為4g/L時DPF出口排放的顆粒物總數(shù)量濃度比碳載量為8g/L時要高；但再生過程中，碳載量為4g/L時DPF出口排放的顆粒物總數(shù)量濃度比碳載量為8g/L時低。
 
文獻來源及推薦閱讀
[1]孟忠偉,陳超,秦源,李鑒松,杜雨恒,蔣淵.DPF主動再生過程顆粒排放特性試驗[J].內燃機學報,2020,38(02):147-153.
 
 
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