柴油機(jī)DOC+CDPF系統(tǒng)的過濾和再生性能試驗(yàn)研究

張靖， 孟忠偉， 劉苗， 陳秋宇， 張川

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院汽車測控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川汽車關(guān)鍵零部件協(xié)同創(chuàng)新中心， 四川 成都 610039)

?

柴油機(jī)DOC+CDPF系統(tǒng)的過濾和再生性能試驗(yàn)研究

張靖， 孟忠偉， 劉苗， 陳秋宇， 張川

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院汽車測控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川汽車關(guān)鍵零部件協(xié)同創(chuàng)新中心， 四川 成都 610039)

基于氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)+催化型顆粒捕集器(CDPF)系統(tǒng)開展了發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，對比系統(tǒng)前后的顆粒物粒徑分布，獲得了系統(tǒng)的過濾效率，同時也測量了該系統(tǒng)在各穩(wěn)態(tài)工況下的再生效率。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)對顆粒物的過濾效率在發(fā)動機(jī)的各個工況均能達(dá)到95%以上；系統(tǒng)前的顆粒物數(shù)量濃度呈單峰分布，主要為核模態(tài)；系統(tǒng)后顆粒物數(shù)量濃度呈雙峰分布，峰值分別在10 nm和150 nm左右，且10 nm左右波峰峰值最大；再生效率隨著再生溫度的升高呈上升趨勢，測試系統(tǒng)的起燃溫度在250 ℃以下；再生效率均隨著再生時間的增加而增加，但在再生后期明顯變緩；在較高的再生溫度時，顆粒擔(dān)載量增大將有利于提高再生速率。

柴油機(jī)； 顆粒捕集器； 過濾性能； 粒徑分布； 再生效率； 再生速率

近年來汽車尾氣對環(huán)境的影響日益明顯，其中柴油機(jī)排放的顆粒物越來越受到人們的關(guān)注[1-2]。柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)是目前公認(rèn)的有效脫除柴油機(jī)顆粒物的方式之一，它對于顆粒物的凈化效率可達(dá)90%以上。目前，由于國內(nèi)再生技術(shù)尚不成熟，使得DPF的應(yīng)用受到限制，因此，DPF的再生性能成為了研究熱點(diǎn)[3]。而氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)+催化型顆粒捕集器(CDPF)系統(tǒng)能夠在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)再生，能夠顯著地減少發(fā)動機(jī)主動再生頻率，對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響較小，具有較好的研究和應(yīng)用價值[4-6]。Chio，Koltsakis等人研究了CDPF再生過程中廢氣成分和再生完成后顆粒物的形態(tài)[7-8]；樓狄明、譚丕強(qiáng)等人研究了DOC+CDPF系統(tǒng)對顆粒物粒徑及數(shù)量的影響[9-12]；陳朝輝，Lee等人研究了不同條件下(載體材料、催化劑、排溫等)DOC+CDPF系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率和PM捕集效率[7，13-14]。目前針對DOC+CDPF系統(tǒng)已開展了大量的研究，但針對該系統(tǒng)前后的顆粒物數(shù)量濃度特性以及該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)再生性能研究尚不完善。本研究針對某一匹配關(guān)系的DOC和CDPF系統(tǒng)開展試驗(yàn)測試，研究了該系統(tǒng)對顆粒物的過濾特性以及系統(tǒng)在不同顆粒擔(dān)載量下的穩(wěn)態(tài)再生性能，為進(jìn)一步了解該系統(tǒng)的工作特性提供試驗(yàn)依據(jù)，同時也為該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本研究所采用的試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。

發(fā)動機(jī)為YN38CRD2高壓共軌、增壓中冷柴油機(jī)，排量為3.8 L，最大功率為85 kW，最大功率轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最大扭矩為325 N·m，最大扭矩轉(zhuǎn)速為1 600～2 400 r/min。試驗(yàn)所用燃油為市售國四標(biāo)準(zhǔn)0號柴油。DOC和CDPF催化劑材料采用高比表面積(150 m2/g)TM型Al2O3，其中DOC貴金屬Pt負(fù)載量為0.353 g/L，CDPF貴金屬Pt負(fù)載量為0.141 g/L。DOC載體的直徑為190.5 mm，長度為101.6 mm，CDPF載體的直徑為190.5 mm，長度為203 mm，兩種載體的孔密度皆為47 孔/cm2。試驗(yàn)系統(tǒng)中，使用NI數(shù)據(jù)采集卡對系統(tǒng)的溫度、壓力等信號進(jìn)行采集。

1.2 試驗(yàn)方法

過濾性能試驗(yàn)：所使用的DOC和CDPF載體是經(jīng)過幾次大負(fù)荷工況(高排溫)再生后近似潔凈的載體(殘余物擔(dān)載量小于0.2 g/L)。使用DMS500粒徑分析儀測量系統(tǒng)前后的顆粒物粒徑分布并進(jìn)行對比，獲得系統(tǒng)的過濾效率。為了獲得不同的發(fā)動機(jī)原始排放濃度進(jìn)行過濾試驗(yàn)，試驗(yàn)選用低、中、高3種扭矩，分別是50 N·m，150 N·m和250 N·m。同時，為了對比不同轉(zhuǎn)速時的排放特性，選取了一個中低轉(zhuǎn)速1 600 r/min和一個高轉(zhuǎn)速2 800 r/min開展試驗(yàn)。

顆粒物擔(dān)載：為了減少載體的顆粒擔(dān)載時間，選取排溫較低但顆粒物排放濃度較高的工況進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)前期的試驗(yàn)，所選工況為轉(zhuǎn)速1 500 r/min，扭矩70 N·m。根據(jù)《QCT829—2010柴油車排氣后處理裝置試驗(yàn)方法》的要求，選取的顆粒擔(dān)載量為3 g/L和6 g/L。

再生試驗(yàn)：在完成載體的顆粒物擔(dān)載后，在空速為40 000 h-1的條件下(對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min)，在某一固定排氣溫度進(jìn)行穩(wěn)態(tài)再生試驗(yàn)，獲得再生效率及再生速率。再生試驗(yàn)時，在2 200 r/min的轉(zhuǎn)速下，選取4個發(fā)動機(jī)扭矩，分別對應(yīng)4種排氣溫度，排溫約為250 ℃，300 ℃，330 ℃和400 ℃。4個工況的排氣氧體積分?jǐn)?shù)在13.5%～16%的范圍內(nèi)，NOx體積分?jǐn)?shù)在430×10-6～510×10-6的范圍內(nèi)變化。盡管這兩種排放物在不同工況存在一定的差異，但相對變化率較小，可以近似認(rèn)為排氣溫度是各工況的主要區(qū)別。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 DOC+CDPF系統(tǒng)的過濾性能

2.1.1 系統(tǒng)前后的粒徑分布

圖2和圖3分別示出了在兩個轉(zhuǎn)速下DOC+CDPF系統(tǒng)前后的顆粒物粒徑分布曲線。由圖2可知：各工況下系統(tǒng)前顆粒物的數(shù)量濃度均呈單峰分布，以核模態(tài)為主；隨著負(fù)荷的增加，數(shù)量濃度的波峰峰值呈下降趨勢。由圖3可知：系統(tǒng)后的顆粒物數(shù)量濃度與系統(tǒng)前相比減少了約兩個數(shù)量級；系統(tǒng)后顆粒物粒徑呈雙峰分布，峰值分別在10 nm和150 nm左右，且10 nm左右波峰峰值最大。說明10 nm左右顆粒物的穿透能力最強(qiáng)，這主要是由CDPF本身微孔結(jié)構(gòu)所致。而對于150 nm左右顆粒的逃逸，則可能是由于沉積在CDPF微孔內(nèi)的顆粒物在壓差和氣流黏性力作用下脫離CDPF孔道壁面所致。系統(tǒng)后顆粒直接排入大氣，容易對人體造成危害，因此，減少10 nm左右的顆粒排放將成為另一個迫切需要關(guān)注的問題。

2.1.2 系統(tǒng)的過濾效率

將各工況下系統(tǒng)前后的顆粒物粒徑分布曲線積分，分別得出系統(tǒng)前后的顆粒物數(shù)量總濃度(該功能由DMS500配套軟件自動計(jì)算得出)，從而獲得系統(tǒng)的過濾效率(見圖4)。由圖可知，盡管各工況條件下的過濾效率存在一定的差別，但對顆粒物的過濾效率均能達(dá)到95%以上。相比前人的研究結(jié)果，與真正潔凈的DPF載體不同，具有一定殘留物的近似潔凈CDPF載體不會出現(xiàn)在過濾初期過濾效率下降到90%以下的情況[15]。

2.2 DOC+CDPF系統(tǒng)的再生性能

2.2.1 再生效率

圖5和圖6分別示出了擔(dān)載量為3 g/L和6 g/L時的CDPF再生效率。

由圖5可知，再生效率隨著再生溫度的升高呈明顯的上升趨勢。在250 ℃時，再生0.5 h，可以達(dá)到約23%的再生效率，說明該系統(tǒng)的起燃發(fā)生在250 ℃以下。在400 ℃時，再生0.5 h再生效率接近80%。繼續(xù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)再生至1 h，再生效率均有提高，但提高幅度不大。由圖6可知，隨著擔(dān)載量的增加，CDPF的穩(wěn)態(tài)再生效率明顯下降，但在400 ℃再生1 h，CDPF的再生效率仍然可達(dá)63%，表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)態(tài)再生性能。從兩種擔(dān)載量的試驗(yàn)結(jié)果來看，再生效率隨再生時間的增加并不呈現(xiàn)出翻倍增加的現(xiàn)象。主要原因有：1)CDPF再生時可能存在再生分區(qū)的現(xiàn)象，即CDPF載體內(nèi)部某些區(qū)域沉積的顆粒容易氧化，在一定時間內(nèi)可以較快地實(shí)現(xiàn)再生，而其他區(qū)域的剩余顆粒則不易氧化再生，這與這些區(qū)域內(nèi)的溫度和催化劑的涂覆情況有關(guān)；2)所沉積的顆粒由于粒徑和組分的差別，存在氧化難易程度的差別，導(dǎo)致容易氧化的顆粒及其組分容易再生，而殘余部分在相同的再生溫度條件下不能隨著時間的增加而繼續(xù)氧化，需要繼續(xù)提高溫度才能實(shí)現(xiàn)再生。

2.2.2 再生速率

圖7示出了在不同穩(wěn)態(tài)再生溫度下，該系統(tǒng)在單位時間內(nèi)的再生速率。由圖可知，再生速率隨著再生溫度的升高呈升高的趨勢，這是因?yàn)楦邷赜欣谘趸磻?yīng)的進(jìn)行，使得系統(tǒng)的再生速率增大。再生0.5 h，當(dāng)再生溫度小于330 ℃時，擔(dān)載量為6 g/L的再生速率小于擔(dān)載量為3 g/L的再生速率；但當(dāng)再生溫度大于330 ℃后，6 g/L的再生速率將大于3 g/L。主要原因是高溫再生時，若顆粒的擔(dān)載量大，顆粒層的氧化放熱量也增大，容易導(dǎo)致其相鄰區(qū)域的顆粒層進(jìn)行再生，使得再生速率增大。此外，兩種擔(dān)載量條件下，前0.5 h再生速率都明顯高于后0.5 h的再生速率，再次說明了CDPF的再生存在分區(qū)或沉積顆粒再生難易的問題。

3 結(jié)論

a) DOC+CDPF系統(tǒng)前的顆粒物數(shù)量濃度呈單峰分布，以核模態(tài)為主；系統(tǒng)后顆粒物數(shù)量濃度呈現(xiàn)雙峰分布，峰值分別在10 nm和150 nm左右，且10 nm左右波峰峰值最大;

b) 具有少量殘留物的近似潔凈CDPF載體的過濾效率能達(dá)到95%以上;

c) DOC+CDPF系統(tǒng)的再生效率隨著再生溫度的升高呈上升的趨勢，該系統(tǒng)的起燃溫度在250 ℃以下；隨著擔(dān)載量的增加，CDPF的穩(wěn)態(tài)再生效率明顯下降；隨著再生時間的增加，再生效率逐漸增加，但增長趨勢明顯變緩;

d) 再生速率隨著再生溫度的升高也呈逐漸升高的趨勢；存在一個臨界溫度，高于臨界溫度CDPF再生時，大擔(dān)載量的再生速率將大于小擔(dān)載量的再生速率。

[1] 龔金科，劉云卿，鄂加強(qiáng)，等.柴油機(jī)顆粒捕集器加熱再生過程的數(shù)值模擬[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007,35(6):14-20.

[2] 姜大海,寧智,姚廣濤,等.柴油機(jī)顆粒捕集器再生時機(jī)的研究[J].汽車工程,2012,34(2):109-115.

[3] 楊士超.柴油機(jī)CPF捕集主動再生性能的數(shù)值模擬研究[D].天津：天津大學(xué),2013：12.

[4] 張文斐.柴油機(jī)催化型DPF碳煙捕集再生的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué),2011：12.

[5] 馬榮,何超,李加強(qiáng),等.NO2對柴油機(jī)微粒捕集器再生特性的影響機(jī)理[J].車用發(fā)動機(jī),2013(3):71-74.

[6] 龔金科,龍罡,余明果,等.微粒捕集器連續(xù)再生速率與壓降特性研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(6):22-27.

[7] Choi B C,Lee K S.LNT/CDPF catalysts for simultaneous removal of NOxand PM from diesel vehicle ex-haust [J].Chemical engineering journal,2014,240(6):476-486.

[8] Koltsakis G C,Haralampous O A,Dardiotis C K,et al.Performance of catalyzed particulate filter without upstream oxidation catalyst[C].SAE Paper 2005-01-0952.

[9] 樓狄明,溫雅,譚丕強(qiáng),等.連續(xù)再生顆粒捕集器對柴油機(jī)顆粒排放的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,42(8):1238-1244.

[10] 馮謙,樓狄明,譚丕強(qiáng),等.催化型DPF對車用柴油機(jī)氣態(tài)污染物的影響研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2014,42(12):1513-1521.

[11] 樓狄明,溫雅,王家明.催化型連續(xù)再生顆粒捕集器對生物柴油發(fā)動機(jī)排放顆粒理化特性的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(8):1900-1905.

[12] Kim H,Sung Y,Jung K,et al.Size distributions and number concentrations of particles from the DOC and CDPF[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2008,22(9):1793-1799.

[13] 陳朝輝，張韋，陳貴升，等.排氣溫度和催化基質(zhì)特性對柴油機(jī)排放的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2014， 30(9)：42-49.

[14] York A P E,Watling T C,Ahmadinejad M,et al.Modeling the emissions control performance of a catalyzed dieselparticulate filter (CDPF) system for light duty diesel applications[C].SAE Paper 2009-01-1266.

[15] 孟忠偉,郭棟,宋薔,等.壁流式柴油機(jī)顆粒過濾體捕集性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2008,29(1):171-173.

[編輯： 姜曉博]

Experimental Study on Filtration and Regeneration Performance of DOC+CDPF System for Diesel Engine

ZHANG Jing, MENG Zhongwei, LIU Miao, CHEN Qiuyu, ZHANG Chuan

(Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province, School of Automotive and Transportation of Xihua University, Sichuan Collaborative Innovation Center for Automotive Key Components, Chengdu 610039, China)

The particle size distribution before and after the diesel oxidation converter (DOC) and catalyzed diesel particle filter (CDPF ) system were measured and compared to obtain the filtration efficiency of particle on a test bench, and the system regeneration efficiency was also measured under the steady conditions of different loads. The results show that the filtration efficiency of particle is beyond 95% at each condition. The particle number concentration distribution before DOC+CDPF system shows a single peak distribution with the nuclear particle mode and that after DOC+CDPF system showed a double peak distribution at the size of 10 nm with a large value and 150 nm. The regeneration efficiency increases with the increase of regeneration temperature and regeneration time, the ignition temperature of test system is below 250 ℃ and the regeneration becomes slow during the late phase. At a high regeneration temperature, the increase of soot loading will promote the regeneration rate.

diesel engine; diesel particle filter(DPF); filtration performance; particle size distribution; regeneration efficiency; regeneration rate

2015-12-28；

2016-02-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51106130);教育部“春暉計(jì)劃”合作科研項(xiàng)目(Z2014058);發(fā)動機(jī)燃料電控系統(tǒng)及尾氣后處理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)集群項(xiàng)目(成財(cái)教[2013]265);四川省教育廳青年基金項(xiàng)目(12ZB138);西華大學(xué)重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(Z1120319);四川省重點(diǎn)科技項(xiàng)目(2011JYZ014);西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(ycjj2015040)

張靖(1991—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)顆粒物捕集器；zhangjing1991@foxmail.com。

孟忠偉(1980—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)顆粒物捕集器；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.011

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0062-04