某柴油机颗粒捕集器结构优化及试验研究

王兰 李光辉 祁同晖

摘要： 柴油机颗粒捕集器（DPF）是目前降低柴油机颗粒物排放最有效的后处理装置，本文对某柴油机的颗粒捕集器载体尺寸进行了优化，通过台架试验研究了优化后的颗粒捕集器的捕集效率以及对柴油机排气背压、燃油经济性、压降特性等影响。结果表明，优化后的颗粒捕集器使柴油机的排气背压减小了62%，燃油消耗率降低了2%，排放循环中颗粒捕集器的捕集效率基本无变化。

Abstract： Diesel Particulate Filter （DPF） was the most effective aftertreatment device to reduce particulate matter （PM） emissions from diesel engine. This paper optimizes the size of Diesel Particulate Filter for a engine. The filtration efficiency， characteristics of fuel economy， pressure drop and exhaust back pressure were studied when DPF was fixed on diesel engine. Results showed that the DPF was optimized， the exhaust back pressure reduced by about 62%， the fuel consumption rate reduced by about 2%， the filtration efficiency almost had no change in the emission test cycle.

关键词： 颗粒捕集器;捕集效率;燃油经济性;试验研究

Key words： diesel particulate filter;filtration efficiency;fuel economy;experimental study

中图分类号：TK422                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0005-02

0  引言

颗粒捕集技术是目前普遍采用的最为有效的颗粒净化技术，颗粒捕集器安装于发动机涡后排气管中，当排气通过颗粒捕集器时，PM颗粒被其捕集，整个捕集过程不会产生额外的二次污染物。颗粒捕集器的捕集效率主要受到颗粒粒径、排气流速及温度、过滤体的特性等因素影响。随着工作时间的增长，过滤体内堆积的颗粒增多，发动机排气背压上升，须采用燃烧等方法将这些颗粒除去，即过滤体的再生。

本文以某4L满足欧VI排放的柴油机为例，对载体尺寸结构进行了优化设计后，并通过试验手段研究了优化后的DPF性能是否满足使用要求。

1  DPF特性分析

1.1 柴油机颗粒捕集器工作原理

柴油机颗粒捕集器是由外部的封装壳体和内部载体及二者之间金属衬垫构成。目前应用最为广泛的DPF过滤体结构是壁流式多孔性蜂窝陶瓷结构，对此类DPF而言，通常采用堇青石、碳化硅和碳酸铝等作为载体材料[1][2]。三种载体材料的特点见表1所示。

1.2 原颗粒捕集器载体方案

原颗粒捕集器以碳化硅材料为载体，颗粒捕集器和DOC集成在一起布置。DPF载体尺寸为直径8in，长度10in;柴油机在标定点时排气背压达到37kPa，排气背压较大，燃油经济性受到影响，排气背压高的主要原因是DPF载体尺寸设计不合理，所以需对载体尺寸结构进行优化。

根据研究表明[3]，基于载体结构参数对压力损失的影响，本文所研究的载体只对其长度和直径进行优化设计，壁厚等其它结构参数不变，综合考虑车载空间布置、颗粒沉积等因素，最终选取载体的直径为9in，长度为8in，体积和原来一致。

2  试验过程及数据分析

2.1 过滤效率试验

DPF之所以能净化柴油车排气中的颗粒物，最主要原因是对颗粒物能起到捕集作用，而捕集效率时DPF重要的评价指标之一。一般要求壁流式颗粒捕集器的捕集效率不得低于85%[4]，过滤效率试验分为未加載或再生后和已加载颗粒物的DPF过滤效率试验。

本文主要进行了再生后和已加载颗粒物的排放循环的过滤效率试验，并将载体优化前后的过滤效率进行了对比。由图1-图2可知，优化前后的DPF过滤效率基本一致，优化后的过滤效率比优化前低1%以内，但排放颗粒物都在限值以内，满足排放要求;在相同条件下，DPF再生后的过滤效率比已加载颗粒物的过滤效率较低，主要原因是再生后的DPF内部几乎没有颗粒物，DPF只能依靠载体过滤壁面的微孔孔径来捕集颗粒物，此时的过滤效率较低;随着颗粒物的不断累积，过滤壁面的微孔孔径逐渐变小，只要DPF不完全堵塞，累积的颗粒物就会进一步加大阻碍排气中颗粒物的通过，此时过滤效率逐渐提高。

2.2 压降特性试验

虽然壁流式颗粒过滤器具有比流通式颗粒过滤器过滤效率高的特点，但是它产生的排气背压要比流通式的大，如果过滤器产生的背压过高，柴油机的动力性和经济性都会受到影响，因此该性能指标为厂家配套选型提供一定的参考依据。

压降特性试验是检测颗粒过滤器在不同PM加载水平下，所产生的压降与排气流量的关系。本文主要进行了再生后和已加载颗粒物的压降特性试验，并将载体优化前后的压降进行了对比。根据国家标准要求测量范围应覆盖发动机的整个流量区间，在区间内均匀分布设定至少6个测试点，并绘制排气流量和压降曲线图，如图3-图4所示。由图可知，不论是再生后的DPF还是加载颗粒物的DPF，其优化后的压降均比优化前压降小很多，最大压降可降低约71%，大大改善了柴油机的动力性、经济性和排放性能。

2.3 再生效率试验

再生效率试验是指柴油機在正常行驶的排气温度下，颗粒捕集器中颗粒物在适当的温度和催化剂作用下，利用氧化燃烧且产生的热量可作为DPF再生过程中的反应温度。本文所进行的再生效率试验是在WHTC排放循环的后1200s下进行的，连续运行10个循环，通过测量数据计算再生效率。

颗粒捕集器的再生效率有质量再生效率和排气背压再生效率两种。质量再生效率主要监测DPF再生过程中质量的减小量，而排气背压再生效率主要检测DPF再生过程中的压降损失量，相比排气背压再生效率，质量再生效率较准确一些，所以本文采用质量再生效率来评价DPF再生，同时，再生过程中DPF的温度变化也是作为载体优化前后的评价指标。

本文所用柴油机为轻型机，其DPF再生喷油方式为缸内远后喷，载体结构优化前后DPF再生过程中温度变化趋势基本一致，DPF进口温度和出口温度都控制在550℃左右。表2是载体结构优化前后DPF再生效率检测结果，由于DOC和DPF为一个总成结构，所以在进行称重时为总成的重量;由表2所示，结构尺寸优化前后的再生效率基本一致，大于HJ451-2008《环境保护产品技术要求  柴油车排气后处理装置》中规定的90%，优化后的DPF再生效率略有降低，但满足要求。

3  结束语

本文通过对某4L柴油机用DPF载体结构尺寸进行了优化设计，并验证了优化后DPF的性能，可得基本结论如下：①减小DPF的长径比，可使排气背压降低，DPF压降比优化前最大可降低约71%，大大改善了柴油机的动力性、经济性和排放性能。②优化后的DPF过滤效率比优化前低1%以内，满足使用要求。③优化后的DPF再生过程中温度控制在550℃左右，和优化前相比，再生效率基本不变，满足使用要求。

参考文献：

[1]彭冉，刘文清，方武，等.基于非色散紫外算法的一氧化氮气体检测与分析[J].光谱学与光谱分析，2012，32（12）：3381-3384.

[2]JOHNSON T V. Diesel emission control technology[R]. SAE Paper，2004-01-0070，2004.

[3]姜大海，宁智，姚广涛，资新运，张卫锋.柴油机颗粒捕集器压力损失的研究[J].汽车工程，2013，35（5）.

[4]Jose Galindo， Jose Ramon Serrano， Pedro Piqueras， et al. Heat transfer modelling in honeycomb wall-flow diesel particulate filters[J]. Energy，2012，43（1）：201-213.