柴油车尾气堇青石DPF检测的研究

杨华龙 齐英杰 郭秀荣 杜丹丰

摘要：根据目前我国柴油车的排放水平，参考国外相关资料，并结合现有国家标准和行业标准中对柴油车排气后处理装置的技术要求，总结出适合我国国情的柴油车堇青石DPF（颗粒过滤器）检测方法。本文通过对柴油车DPF的过滤、压降、再生等检测项目进行研究和总结，归纳出柴油车排气后处理装置的检测方法，该检测方法可以对排气后处理装置进行有效地监督，能有效防止其不满足性能要求和耐久性寿命短的装车使用，减少大量人力物力的浪费，为我国柴油车DPF的评价提供依据，从而有利于柴油车在我国的推广使用。

关键词：柴油车；DPF：后处理装置；检测方法；研究

中图分类号：S776

文献标识码：A

文章编号：1001-005X（2015）04-0068-05

柴油车具有功率大、寿命长、动力性能好等优点，且碳氧化物的排放比汽油车低很多，因而柴油车的推广使用具有重大的意义。但不足之处是有害颗粒物的排放量大，这种颗粒物严重地污染环境并危害人类健康。目前，市场上应用比较广泛的柴油车排气后处理装置是颗粒捕集器（DPF），它具有较高的过滤效率及较大的过滤面积、良好的耐高温冲压性和再生性等特点。

然而随着国家标准对柴油车排放法规的日益严格，排气后处理装置对污染物的排放限值越来越低，这就需要后处理装置的检测方法不断地进行改进和完善，从而有利于柴油车在我国的推广使用，因此深入开展柴油车后处理装置检测方法的研究是十分必要的。

1 国内外柴油车检测技术的研究现状

1.1 国外柴油车检测技术的研究现状

早在20世纪70年代，美国、日本、欧洲等一些先进国家和地区就已经开始了柴油车排气后处理装置的测试设备开发和标准法规研究工作，并对排气后处理装置的过滤效率、压降、再生和耐久性试验等一些检测项目形成了规范。国外著名的柴油车排气后处理装置和汽车尾气催化剂生产企业，如美国的康宁公司、日本的NGK、英国的庄信万丰、比利时的优美科等，以及一些第三方研究机构如美国西南研究院等，都开发有类似的检测项目和评价程序。

从欧VI的排放法规开始，柴油车排放污染物中PM（微粒）的检测方法不仅要检测微粒的排放质量，还要检测微粒的排放数量，即国际上通用的PMP（particle measurement programme）检测方法。通常情况下，柴油车没有安装DPF的PM排放数量是1x10₁₃/km，而排放法规要求的PM排放数量不能超过5×10₁₁/km。因此，国外大部分柴油车所采用的都是壁流式的颗粒过滤器，因为壁流式的颗粒过滤器要比流通式的颗粒过滤器过滤效率高，而且流通式的颗粒过滤器不能过滤尾气中的细小微粒。针对这一排放法规要求，英国Cambustion公司研发DMS500微粒数量测试仪，测量微粒粒径的有效范围在5～2500nm，完全覆盖发动机排气微粒所有的粒径区间，能对处于空间中移动状态的微粒进行较精确的测量，并能保证发动机在稳态和瞬态工况时，在不停机的状态下测试DPF入口上游和出口下游的微粒数目。

1.2 国内柴油车检测技术的研究现状

天津索克汽车试验有限公司是中国汽车技术研究中心、美国西南研究院于2005年共同投资组建的合资试验研究机构，该公司在国内率先致力于柴油车排气后处理装置的检测试验，拥有日本HORI-BA公司专门为汽油和柴油催化转化器评价而最新研制的集成式MEXA-7500D型排气分析仪。试验用发动机为Duramax 66006.6L V8柴油机，该发动机采用了增压中冷、带冷却的EGR阀、高压共轨、SFI（Supplementary Fuel Injection）等多项最新技术，同时对发动机ECU采取了开放式控制策略，利用Labview控制分析软件调整控制影响发动机排放的各种参数，使发动机排放达到试验所需的水平。索克汽车试验有限公司定制的用于DPF再生的电炉炉膛尺寸完全可以容纳所有柴油车的过滤器，而且电炉的T作温度范围从几十度到上千度，能满足所有DPF的再生条件和我国现行法规的要求。

2 柴油车DPF排气后处理装置检测方法的研究

一些国外研究机构和汽车公司已经在柴油车排气后处理装置检测方法上进行了大量的研究工作，通过参照国内外相关文献资料，并结合我国燃油油质的实际情况和现有国家标准，总结出以下试验的检测方法。整个试验都在发动机台架上完成。为了保证燃油中所含的硫元素不会导致催化剂“中毒”，实现颗粒过滤器连续再生，要求检测试验所用燃油的硫含量低于50ppm。同时，为了激活其活性，做检测试验之前，颗粒过滤器应在发动机试验台架上运行7h。

2.1 压降特性试验

由于壁流式颗粒过滤器的结构特点，在工作时所产生的排气背压比较大，如果排气背压过高，对柴油发动机的动力性和经济性都会产生影响。压降特性试验是检测颗粒过滤器在不同的微粒加载水平（颗粒过滤器加载前后单位容积内的质量增加量）下，测试涂层对DPF压降的影响以及所产生的背压与排气流量之间的关系。其间DPF的质量是在其床温125℃时称量的，且要求颗粒过滤器的压降应小于等于8.5kPa。

2.1.1 未加载或再生后的DPF压降试验

发动机负荷恒定，将发动机从低转速向高转速调整进行试验，在整个实验过程中，不应对DPF大量加载颗粒物，同时避免加载超过10%。测量区间应覆盖发动机的流量区间，在区間内均匀分布设定至少6个测量点。在采集压降数据之前，发动机应稳定运转5min，然后再测量记录。试验结束后，用Matlab仿真软件和曲线拟合原理对所测量的试验数据进行处理，以发动机的排气流量为横坐标，测量出的压降值为纵坐标绘制样品的压降特性曲线。

2.1.2 已加载颗粒物的DPF压降试验

将样品加载到一定水平（轻型柴油车为6±0.5g/L，重型柴油车为4±0.5g/L），调整发动机转速使DPF产生不同的排气流量，测试出颗粒过滤器的压降特性曲线。如果需要还可以在不同的PM加载水平下对压降特性试验进行重复操作。

2.2 过滤效率试验

检测DPF最重要的指标就是过滤效率，过滤效率试验分为未加载或再生后和已加载颗粒物的DPF过滤效率试验。因为过滤过程一般由结块形成和稳定过滤两个阶段组成，新鲜或再生后的DPF过滤效率最低；随着颗粒物加载量的增加，过滤效率会逐渐提高。一般要求壁流式颗粒过滤器过滤效率不得低于85%，流通式或部分流通式的颗粒过滤器过滤效率不得低于50%，而且同時气态污染物（CO、HC、NOx）排放增加量不能超过10%。

2.2.1 未加载或再生后的DPF过滤效率试验

未加载或按照再生工况进行再生后的DPF，先在所标定的发动机加载工况下稳定运转5min，然后用取样探头对颗粒过滤器的入口上游和出口下游分别取样，再根据过滤效率的公式计算过滤效率。

式中：η₁为颗粒过滤器的过滤效率；m₁为单位时间颗粒过滤器前的颗粒物排放质量，mg；m₂为单位时间颗粒过滤器后的颗粒物排放质量，m。

2.2.2 已加载颗粒物的DPF过滤效率试验

将样品加载到一定的加载水平（轻型柴油车为6±0.5g/L，重型柴油车为4±0.5g/L），按照2.2.1中的试验进行操作，根据过滤效率的公式计算DPF的过滤效率。

2.3 热循环试验

DPF在正常工作时，其内部温度非常高，可达到600C以上，这就需要过滤器的载体具有一定的热机械性能和抗热冲击性，同时捕集到的颗粒物在再生过程中会瞬间燃烧并释放出大量的热，因此在做热循环试验时，只需有产生热量的发生源即可。实验分为涂催化剂的颗粒过滤器CDPF和不涂催化剂的颗粒过滤器DPF两种情况。表1是热循环试验循环，图1是颗粒过滤器的热循环试验程序。

从图1中可以看出，滤芯表面没有催化剂涂层DPF的温升率远远高于表面涂覆有催化剂的CD-PF。这是因为如果温升率过高，CDPF载体表面涂有的催化剂层不稳定并失去其原有的活性，影响其他项目的试验检测，同时也达不到实际的检测效果。试验结束后可以采用以下任意一种方法来检查样品的损坏情况：

（1）目测过滤器的载体有无裂纹，并在过滤器出口端面处检查有无泄露通道。

（2）用SEM（电子显微镜扫描法）检查过滤器的涂层和载体之间是否脱离。

（3）用超声波方法探测过滤器的内部有无裂纹。

2.4 平衡点温度试验

对于一些采用被动再生技术的颗粒过滤器，由于其滤芯表面覆有催化剂涂层，所以需要比主动再生技术的颗粒过滤器低的再生温度，当柴油车在正常工况行驶时，就可以利用本身的排气温度实现连续再生。颗粒过滤器不断地过滤累积发动机所排出的颗粒物，当达到其再生条件时，累积的颗粒物就会在催化剂的作用下被0₂和N0₂氧化燃烧。也就是说，当DPF中颗粒物累积的速率等于再生燃烧失去的速率的时候就会出现过滤器内部的平衡现象。当达到平衡时，过滤器前后的压力差不会产生明显的变化。所以可以得出DPF平衡点温度的定义，即发动机在标定的工况下对颗粒过滤器进行加载——再生循环试验时，压降从开始上升到没有明显下降时过滤器的入口温度。

平衡点温度与很多因素有关，如载体表面涂覆的催化剂成分、颗粒物的组成、SOF（可溶性有机物）成分、发动机运行的工况以及试验过程中颗粒物的加载水平。因此，如果在不同的条件下检测同一种催化型颗粒过滤器，所得到的平衡点温度也可能不同。平衡点温度可以确定CDPF的再生温度和比较CDPF的催化剂效率。

在发动机上将催化型颗粒过滤器加载至3±0.5g/L的水平。按照发动机所标定的工况稳定运行，过滤器上游的入口温度达到250±lO℃时开始，以25℃/min步长的温升率升高过滤器上游的入口温度，当观察到过滤器的压降从上升到没有明显下降时，记录此时的人口温度，即为过滤器的平衡点温度。平衡点温度一般不得高于产品生产企业提供值30℃，最高不得高于400℃。

2.5 再生效率试验

DPF的再生效率是指在指定的颗粒物加载水平（或指定工况）下进行再生，再生前后过滤器中颗粒物的质量变化率。

式中：η₂为颗粒过滤器的再生效率；m₃为再生前颗粒过滤器中颗粒物的质量，mg；m₄为再生后颗粒过滤器中颗粒物的质量，mg。

再生效率试验分为主动再生和被动再生。主动再生是将过滤器加载到一定水平（轻型柴油机为6±0.5g/L，重型柴油机为4+0.5g/L），称重颗粒过滤器的质量，然后将过滤器再生20min。再生后称重过滤器的质量，依据公式（2）计算主动再生效率。被动再生是在载体的表面涂覆催化剂，利用02和生成的NO：来氧化燃烧颗粒物，降低微粒的再生温度，从而实现过滤器的连续再生循环。一个再生周期由三个工况组成，连续运行50个周期。通过测量过滤器在试验前后捕集到的颗粒物质量变化，依据公式（2）计算被动再生效率，被动再生循环试验如表2所示。再生时，对于DPF的入口温度为650+25℃.CDPF的入口温度为450±20℃。一般要求被动再生效率和主动再生效率均不得低于90%。

2.6 耐久性试验

颗粒过滤器的耐久性试验能检测DPF在实际工作时的使用寿命，一般DPF的使用寿命大约为5万km。耐久性试验的工作原理是通过对DPF进行反复地加载——再生循环工况，周而复始地循环下去直至生命周期的结束。

2.6.1 加载和再生工况的标定

一个耐久性试验循环由加载工况和再生工况构成。

（1）加载工况通过标定发动机的脉谱图（例如，标定发动机的转速、负荷、喷油正时、EGR率等参数），使装在轻型柴油车和重型柴油车上的DPF分别加载到6±0.5g/L和4±0.5g/L的水平。记录颗粒物加载时间、DPF压降和其他发动机参数。

（2）再生工况保持过滤器入口处温度在625±25℃，持续20min，或压降回落到未加载时水平。对于涂有催化剂的CDPF保持入口温度在平衡点温度以上25～50℃，持续20min，或压降回落到未加载时水平。

2.6.2 过滤器的耐久性试验方法

装在轻型柴油车和重型柴油车上的颗粒过滤器，分别进行200次和300次加载——再生的耐久性试验循环。试验运行过程中，每完成50次耐久性试验循环后，在样品的入口上游和出口下游分别取样，并按照公式（1）计算过滤效率。一般要求检测DPF耐久性时，每次测得过滤效率的劣化率不能低于10%；过滤器的床温最高不能高于900℃，否则载体表面的催化剂涂层将脱落，烧穿DPF的过滤通道，严重损害颗粒过滤器。

3 结束语

通过参考国外相关文献和资料，以及我国国情的具体因素，研究总结出一套柴油车堇青石DPF的检测方法。尽管柴油车排气后处理装置的应用在开展装车的过程中还存在很多问题，但排气后处理装置试验检测方法将大大地促进其整车匹配评价程序的发展。通过该检测体系对柴油车排气后处理装置的有效监督和管理，可促进我国柴油车有效降低排气污染物排放的技术进步，提高我国柴油车排放控制技术水平，从而彻底改变我国“厌柴”的传统观念而排斥柴油车发展的现状，使国内柴油车发展走向良性循环，提高柴油车的质量和水平，并取得良好的社会效益和经济效益。相信随着国家标准对排放法规的日益严格，柴油车排气后处理装置的应用技术将会越来越成熟，后处理装置的检测方法也会不断得到改进和完善。