胡帥，孫澤

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柴油機DPF特性測試評價

胡帥，孫澤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴格，DPF后處理是柴油機滿足國六排放法規(guī)的主要技術(shù)方案?；贒PF設(shè)計基礎(chǔ)上，在臺架上對DPF壓差和極限情況下的碳載量等特性測試評價；累碳初期，壓差增加較快，隨后緩慢增加；同時在最高溫度允許情況下確定最大碳載量，為后期再生標定提供模型輸入。在轉(zhuǎn)轂上進行WLTC循環(huán)的排放驗證試驗，結(jié)果表明DPF的捕集效率達到92%，顆粒物數(shù)量低于排放限值30%，滿足實際應(yīng)用的工程目標。

柴油機顆粒捕集器；壓差特性；最大碳載量；過濾效率

前言

隨著環(huán)境污染的不斷加劇，柴油機排放得到越來越多的關(guān)注。DPF(柴油機顆粒捕集器)是處理柴油車PM和PN的主流技術(shù)，同時該項技術(shù)也是歐洲主流技術(shù)路線，國六柴油機后處理全部加裝此裝置。

圖1所示為DPF系統(tǒng)的捕集原理：柴油機排放的含有大量碳煙微粒的污染物通過排氣管道進入DPF，捕集器內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其兩端一邊是敞開，一邊是堵塞的通道壁，廢氣從敞開的一端進入，穿越多孔的蜂窩壁，然后從相鄰的通道排出。大部分微粒由于體積過大而無法穿越壁孔，因而被吸附在通道壁上而不會排放到空氣中。

圖1 捕集原理

本文主要為了滿足DPF壓差模型和最大碳載量等再生標定的需要，在發(fā)動機臺架上對DPF壓差、極限情況下的碳載量等關(guān)鍵特性測試評價，以及通過轉(zhuǎn)轂WLTC排放循環(huán)驗證捕集效率，滿足標定開發(fā)和排放目標的達成的需求。

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 試驗裝置

尿素結(jié)晶試驗總體布置如圖2所示，試驗臺架主要包括一臺國六柴油發(fā)動機、DPF后處理系統(tǒng)、發(fā)動機燃油供給及油耗測量系統(tǒng)、測功機及控制系統(tǒng)、排放測試系統(tǒng)等。

圖2 臺架布置圖

試驗用發(fā)動機主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機參數(shù)

1.2 試驗方案

1）DPF常規(guī)耐久工況

發(fā)動機初、復始萬有特性煙度偏大，綜合考慮后選擇1400rpm@100Nm作為累碳點，該點初始煙度為7.174，DPF滿載累碳時間約1h。再生時DPF前溫度保持在650℃左右，進行350次。

2）DTI工況

DTI試驗降怠速時刻以再生時DPF內(nèi)部溫度650℃作為觸發(fā)條件，進入再生后，發(fā)動機進入怠速工況。

2 DPF特性測試評價

DPF的壓差特性和極限情況下（DTI）的碳載量是評價DPF性能的關(guān)鍵指標，為了準確的反應(yīng)DPF性能，設(shè)計相應(yīng)的試驗方法進行測試評價。

2.1 不同碳載量的壓差特性

準確測試評價GPF捕集的碳煙產(chǎn)生壓差，對后期的標定具有重要意義，而發(fā)動機氣流通過GPF壓差包括過濾壁壓差、灰分產(chǎn)生的壓差、碳煙產(chǎn)生的壓差之和，即

其中，△P總為總壓差；△P過濾為過濾壁的壓差；△P總灰分為灰分的壓差；△P碳煙為碳煙的壓差；為流量；碳煙、灰分、碳煙為計算因子；在GPF初始狀態(tài)的情況下，灰分累積的量較少，可以忽略對壓差的影響。

在壓力傳感器測試總壓差、和計算排氣量通過過濾壁的壓差，即計算碳煙產(chǎn)生的壓差。結(jié)果如下：

圖2 不同碳載量下的DPF壓差

如圖2所示，在累碳初期，壓差增加較快，斜率比較大；主要原因是開始累積的碳進入DPF過濾孔道內(nèi)，這時產(chǎn)生的壓差較大；隨著累碳量的增加，壓差增加變緩，斜率變小，主要因為碳累積覆蓋在DPF過濾壁表面，形成蛋糕層，累碳量增加、壓差增加，基本上形成正相關(guān)的關(guān)系。

2.2 循環(huán)下的DPF壓差特性

圖3所示為試驗初始階段再生循環(huán)過程中DPF前后壓力變化曲線，從圖中可以看出，隨著DPF碳載量不斷增加其前后壓差在不斷變大，當DPF滿載時，其前后壓差達到7kPa左右，隨即進入再生工況，壓差減小，再生完全后（即空載）DPF前后壓差保持在2.5kPa左右。

圖3 初始10次DPF循環(huán)壓差曲線

圖4所示為試驗結(jié)束階段最后10次再生循環(huán)過程中DPF前后壓力變化曲線，和圖4相比，DPF滿載時前后壓差基本一致，都保持在7kPa左右，但在試驗結(jié)束階段DPF空載時壓差約3kPa左右，比初始階段壓差增大0.3～0.5kPa；說明經(jīng)過350h試驗后，DPF內(nèi)儲存了一定量的灰分（從稱重結(jié)果來看，灰分約7.3g）。

圖4 最后10次DPF循環(huán)壓差曲線

2.3 極限工況下的碳載量

降怠速極限情況下（DTI）的碳載量，通過試驗測試不同溫度、碳載量情況下的再生最高溫度，考慮DPF的允許載碳量6~7g，按照該目標進行相關(guān)的試驗，確定最大累碳量，作為后期標定的輸入。

圖3 DPF中心溫度傳感器布置簡圖

圖4和圖5所示為DTI試驗過程中DPF中心溫度變化曲線。6g/L碳載量DTI試驗進入DTI時刻為DPF中心溫度達650℃，DPF前溫度達到620℃（再生溫度）距DTI時刻約36S；DPF中心溫度最高達955℃，在安全范圍內(nèi)。7g/L碳載量DTI試驗進入DTI時刻為DPF中心溫度達650℃，DPF前溫度達到620℃（再生溫度）距DTI時刻約36S；DPF中心溫度最高達1067℃，小于碳化硅載體最高耐受溫度1200℃，在安全范圍內(nèi)。建議最大碳載量標定在7g/L。

圖4 6g/L碳載量極限溫度

圖5 7g/L碳載量極限溫度

3 WLTC排放測試

DPF的捕集效率是測試評價關(guān)鍵指標，也是能否達到工程目標的核心性能指標。因此按照GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測試方法（第六階段）》要求，進行WLTC循環(huán)排放測試，試驗三次。試驗車使用滑行法加載，匹配計算換檔線，試驗再CVS-4000型定容采樣系統(tǒng)、AMA-4000型氣態(tài)排放物分析系統(tǒng)以及HORIBA 2000spcsPN計數(shù)器，以及METTLER TOLEDO-XP2U（梅特勒-托利多）PM稱重設(shè)備的轉(zhuǎn)轂試驗室進行；經(jīng)過系統(tǒng)分析后得到PN模態(tài)數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果。

圖6 PN循環(huán)排放數(shù)據(jù)

從圖6~8 PN模態(tài)數(shù)據(jù)分析，隨著試驗的進行DPF逐漸提升，主要是累積的碳煙占據(jù)過濾壁，提高過濾的效率。

圖7 PN循環(huán)排放數(shù)據(jù)

圖8 PN循環(huán)排放數(shù)據(jù)

在整車原排PN為3.52×1012的情況下，加裝DPF的WLTC測試結(jié)果如圖9所示。在第一次試驗中，對PN的轉(zhuǎn)化效率只達到82%；第三次試驗時，PN排放為2.8×1011，轉(zhuǎn)化效率為92%，大于90%設(shè)定轉(zhuǎn)化效率，最終排放值低于4.2×1011的工程設(shè)計目標。

圖9 DPF捕集效率

4 結(jié)論

基于國六排放法規(guī)對輕型柴油機顆粒物排放的要求，針對某型車的排放開發(fā)目標，設(shè)計的DPF特性進行測試評價，同時將測試數(shù)據(jù)提供給標定模型輸入。

通過對DPF測試發(fā)現(xiàn)：在壓差特性方面，累碳初期，壓差增加較快；主要原因是開始的碳進入DPF過濾孔道內(nèi)，阻力迅速增加，產(chǎn)生的壓差較大；隨著累碳量的增加，壓差增加變緩。碳層在壁表面覆蓋，形成蛋糕層，基本上形成正相關(guān)的關(guān)系。測試不同入口溫度、載碳量情況下的最高溫度，確定最大碳載量。并通過WLTC排放驗證，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化效率和PN排放滿足工程應(yīng)用目標。

[1] 馬標,蔣茂玎,黃偉等.汽油直噴發(fā)動機顆粒捕集器技術(shù)應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2017 (2):13-17.

[2] GB18352.6-201.輕型汽車污染物排放限值及其檢測方法:中國Ⅵ階段[S].北京:中國標準出版社，2016.

[3] 資新運,張衛(wèi)鋒,徐正飛等. 柴油機顆粒捕集器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 環(huán)境科學與技術(shù),2011,34(12):143-147.

Diesel engine DPF characteristic test evaluation

Hu Shuai, Sun Ze

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

With the increasingly stringent emission regulation, the DPFaftertreatmentsystem is the main technology for the diesel engine to meet the CNⅥregulation. Base on DPF structure was designed. Backpressure and filtration efficiency were tested and evaluated on the test bench, at the beginning of carbon catch, Backpressure of DPF increase quickly and become slow after filter wall filled, The WLTC cycle emission test on a drum test bench was carried out. The results show that the particulate matter conversion efficiency of the DPFis up to 92%, and the particulate number is lower than the emission limit of 30%, the project objectives for practical application are met.

Diesel particulate filter;Backpressure;Mass soot loading;Filtration efficiency

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1671-7988(2018)22-98-03

U467

B

1671-7988(2018)22-98-03

U467

胡帥，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.034