柴油機尾氣中含有大量的顆粒物(PM)，嚴重影響居民身體健康。柴油機顆粒捕集器（DPF）已成為柴油車和非道路柴油機的必備后處理裝置。目前，國外研究多側(cè)重于DPF 載體研發(fā)和生產(chǎn)，國內(nèi)研究更側(cè)重于再生策略、再生過程。由于DPF 碳加載的試驗周期長，試驗費用投入多，再生碳載量、載體應(yīng)用溫度多基于國外載體廠商的推薦值，對DPF 載體使用選型、載體極限性能評判方面的研究僅限于模擬試驗。而DPF 應(yīng)用時，真實碳加載值和模擬值的巨大偏差，因而需要開展DPF 載體選型、載體極限性能評判方面的研究。降怠速現(xiàn)象是發(fā)動機在正常轉(zhuǎn)速運行時，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速降至低怠速工況的現(xiàn)象。柴油機在降怠速工況進行再生時，極易引起DPF 內(nèi)部溫度快速上升，導致載體燒熔。故降怠速再生工況是使用DPF 過程中最為惡劣的工況。因此，通過研究不同碳載量、再生溫度時DPF 在降怠速再生工況時的性能，可對DPF 載體極限碳載量和載體極限使用溫度進行快速判定。故筆者在柴油機測試臺架上進行DPF 碳加載，并進行降怠速再生測試，綜合比較了不同DPF 碳載量、再生溫度(DPF 前溫度傳感器測定溫度)時DPF 載體內(nèi)部溫度分布、最高再生溫度和再生前、后PM 質(zhì)量濃度變化，確定出了碳化硅載體的極限碳載量、極限再生溫度，并確定出碳載量和再生溫度變化對DPF載體的影響，以期為進行DPF 載體匹配選型及再生標定提供參考。

01  實驗方案與設(shè)備

為減小臺架加載和整車加載時的PM 成分差異，試驗選取非道路瞬態(tài)循環(huán)(NRTC)工況進行DPF 碳加載，并通過稱重法測定碳載量；試驗采用缸內(nèi)后噴再生來保證降怠速再生時的溫度控制精度和再生觸發(fā)。

1.1 試驗用柴油機參數(shù)

試驗采用一臺目標排放為非道路國Ⅳ排放法規(guī)的柴油機，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)


1.2 DPF內(nèi)部溫度測點分布

為準確獲取DPF 內(nèi)再生時的溫度分布，筆者在DPF 載體內(nèi)布置直徑為0.5 mm 的5 支K 型熱電偶(量程為10～1 500 ℃)，熱電偶分布在距載體軸心為10、70、130 和190 mm 處的圓上，插入載體的深度距載體前端為75 mm 或152 mm，分別記為T1～T5，具體位置如圖1所示。


圖1 DPF載體內(nèi)熱電偶分布位置

02  試驗方法介紹

試驗開始前，按照HJ451—2008《環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求柴油車后處理裝置》的要求對 DPF 進行預處理，然后按照圖2流程進行操作。


圖2 基于降怠速再生的DPF載體性能試驗流程

03  試驗結(jié)果分析

3.1 碳載量為8 g/L時不同再生溫度的再生性能

圖3 為再生前、后(再生溫度為600、620 和640 ℃)DPF 后端的PM 質(zhì)量濃度。表2 為各再生時最高PM 質(zhì)量濃度、PM 質(zhì)量濃度和對PM 的煙度過濾效率?？芍珼PF 后端PM 質(zhì)量濃度從高到低分別為600 ℃再生后、620 ℃再生后、640 ℃再生后和再生前，煙度過濾效率均大于97.00%，載體無損壞。煙度過濾效率變化的原因如下：再生前和640 ℃再生后DPF 均處于“顆粒層過濾”階段，煙度過濾效率均較高，但由于640 ℃降怠速再生后，DPF 內(nèi)累積的PM 減少，導致“顆粒層過濾”狀態(tài)的煙度過濾效率降低。因而再生前DPF 的煙度過濾效率大于640 ℃再生后的煙度過效率。620 ℃再生溫度進行降怠速再生時，峰值溫度達到1 300 ℃，DPF 內(nèi)部出現(xiàn)快速的DPF 再生，DPF 因局部PM 的充分氧化，導致DPF 進入“深床過濾”階段，620 ℃再生后DPF 的煙度過濾效率明顯低于“顆粒層過濾”階段的狀態(tài)。因而640 ℃再生后DPF 的煙度過濾效率大于620 ℃再生后DPF 的煙度過濾效率。由于600 ℃降怠速再生時DPF 內(nèi)部峰值溫度更高，發(fā)生更強烈的主動再生，DPF 內(nèi)剩余的PM 量更少，“深床過濾”階段需要的時間更長(圖7 為再生期間的局部放大圖)，因此，600 ℃降怠速再生后DPF對PM 質(zhì)量濃度的減排效率更低，即620℃再生后DPF 的煙度過濾效率大于600 ℃再生后DPF 的煙度過濾效率。

綜上可知，DPF 碳載量為8 g/L、再生溫度為600～640 ℃時均不會損壞DPF 載體，但是再生溫度越低，DPF 內(nèi)部溫度峰值越高，降怠速再生出現(xiàn)載體損壞的風險越大。


圖3 不同再生溫度降怠速再生后DPF后PM質(zhì)量濃度

表2 不同再生條件時的PM質(zhì)量濃度


3.2 不同碳載量下的再生性能

在1 號件上加載10 g/L 的PM，在再生溫度為600 ℃時進行降怠速再生，再生時DPF 內(nèi)部溫度變化如圖4 所示。當再生溫度為600 ℃、碳載量為10 g/L時，在DPF 內(nèi)部T5位置出現(xiàn)1 274 ℃的最高溫度，在T2 和T3 測點之間出現(xiàn)了161.1 ℃/cm 的最大徑向溫度梯度。此外，在DPF 后端面的T3、T4 和T5 溫度測點處先出現(xiàn)溫度峰值，然后T1測點、T2測點分別出現(xiàn)溫度峰值，分析原因為：由于排氣將DPF 前端PM 氧化放熱輸送至DPF 后端，并形成熱量積聚，導致DPF 后端PM 快速反應(yīng)放熱，先出現(xiàn)溫度峰值，然后再通過熱輻射、熱傳導等形式傳遞給T1 和T2 位置。由于T1 位于DPF軸線上中心位置，T2 位于DPF 軸線末端位置，T1 測點受降怠速工況影響最先出現(xiàn)溫度峰值，T2 測點由于在后端面，雖受后端面T3～T5 測點區(qū)域快速再生時熱輻射、熱傳導的影響，但排氣的熱對流影響更為明顯，呈現(xiàn)T1 測點先出現(xiàn)溫度峰值，然后T2 測點出現(xiàn)溫度峰值的現(xiàn)象。


圖4 碳載量為10 g/L降怠速再生DPF內(nèi)部溫度

3.3 降怠速工況下DPF載體溫度分布

6 次降怠速試驗過程中的DPF 載體最高溫度及分布如表3所示?？芍? 個樣件在DPF 碳載量為8 g/L 時進行降怠速再生，再生后PM 質(zhì)量濃度過濾效率均大于97.00% ，載體未損壞；再生溫度越高，DPF 內(nèi)出現(xiàn)的最高溫度越低，DPF 對PM 的過濾效率越高。當再生溫度為600 ℃、碳載量為12 g/L 時，出現(xiàn)DPF 載體燒毀現(xiàn)象，再生后PM 過濾效率降低至87.30%。碳載量為8 g/L 和10 g/L 時，降怠速再生后對PM 過濾效率均大于97.00%，載體均未損壞。綜上可知，通過再生溫度為600 ℃、不同碳載量的降怠速測試可以判定碳載量為10 g/L 是碳化硅載體的安全碳載量，碳載量高于12 g/L 時DPF 在降怠速再生工況時極易被燒毀。

表3 降怠速再生試驗參數(shù)


04  關(guān)鍵結(jié)論

(1) 碳加載后DPF 對PM 質(zhì)量濃度減排效率高達99.95%，DPF 再生由于“深床過濾”現(xiàn)象，煙度過濾效率有所降低，若載體未損壞，其對PM 質(zhì)量濃度減排效率仍高達97.10%。

(2) 碳載量為8 g/L 的DPF，在再生溫度為600～640 ℃內(nèi)進行降怠速再生時，隨再生溫度降低，DPF載體內(nèi)出現(xiàn)的最高溫度逐漸增大，因降怠速再生導致載體損壞的風險變大。

(3) 在DPF 的再生溫度為600 ℃、碳載量為12 g/L 條件下降怠速再生時，載體內(nèi)部最高溫度超過1 500 ℃，碳化硅載體損壞，DPF 對PM 質(zhì)量濃度減排效率降低至87.30%，碳載量為8 g/L 和10 g/L 條件下，降怠速再生后的載體均未損壞。


參考文獻
[1]陳鵬,朱磊,劉德文,潘希偉,曾偉,臧志成.DPF降怠速再生溫度場分布測試及過濾效率分析[J].內(nèi)燃機學報,2021,39(02):159-166.