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 300300）

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）》（GB 17691—2018）[1]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怠速工况，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

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。

表2 试验用DPF技术参数

2 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/CAEPI 12.3—2017）[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

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0.46kPa时最高温度最大。

表4 不同DTI时刻的温度压力值

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。

图1 三次DTI试验DPF压差及最高温度

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600℃时的最恶劣DTI条件。

图2 三次DTI试验DPF最高温度

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（600±5）℃、DTI时刻为压差下降（3.5±1）%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。

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67%。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）》（GB 17691—2018）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）DTI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。