国六重型柴油车DPF再生排放特性研究

高忠明，许丹丹，杨诚潇，王 飞

国六重型柴油车DPF再生排放特性研究

高忠明1，许丹丹1，杨诚潇2，王 飞2

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.中国重型汽车集团有限公司汽车研究总院，山东 济南 250101）

基于大量国六重型柴油车实际道路排放测试数据，文章选取了四辆测试过程中DPF（柴油机颗粒捕集器）主动再生的样车。样车DPF主动再生完毕后，进行正常状态下的实际道路排放测试。对比样车DPF主动再生与正常状态下的排放测试数据，结果表明，相比于正常状态，样车DPF主动再生时，NOX和PN均不满足国六排放法规要求，NOX升高了5.8～29.4倍；PN升高了14.0～7 148.9倍；CO没有一致的变化趋势；CO2升高了6.3%～24.2%；油耗升高了16.2%～32.8%；动力性不变。

DPF主动再生；CO；NOX；PN；油耗；动力性

前言

柴油机具备动力性强、经济性较高、良好可靠性的优点，因而备受青睐[1]，但重型柴油车是机动车大气污染排放的主要贡献者，柴油机颗粒物（Particu- late matter, PM）排放是相同排量汽油机的30～80倍[2-3]。柴油车NOX排放接近汽车排放总量的80%，PM排放更是超过90%[4]，随着排放法规的日益加严，颗粒物数量纳入监管范围，在GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》（中国第六阶段）[5]中，重型柴油车颗粒物数量比排放限值为1.2E+ 12#/kWh。

目前壁流式柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter, DPF）能够有效降低柴油机的颗粒物排放，也是目前唯一能使柴油机颗粒物排放满足未来排放法规的技术手段[6]。DPF的结构一般为壁流式，交叉堵孔结构，通过过滤的方式来降低排气中的颗粒物。DPF中积碳的增加有助于提高DPF的过滤效率，但随着颗粒物的持续累积，发动机排气背压增大，排气不畅，进气量减少，缸内残余废气量增加，燃烧速率降低，发动机动力性、经济性和排放性能恶化[7]，因此DPF积碳达到一定量时，需要进行DPF再生。目前DPF再生的方法主要分为被动再生和主动再生。DPF被动再生主要依靠排气中的NO2对DPF中被捕集的颗粒物进行连续的氧化再生，再生效率较低。DPF主动再生通常采用缸内后喷或排气管喷油的方式来着增加排气中未燃HC的含量，利用排气温度和氧化性催化转化器DOC的氧化功能，使未燃HC发生氧化放热反应，提高排气温度，氧化沉积在DPF表面上的碳颗粒，使其完全氧化燃烧，从而完成再生，再生过程中温度和含氧量是影响DPF再生效率的主要因素[8]。

DPF技术的日益成熟使得重型柴油车PN满足国六排放法规的相关要求，但相关DPF主动再生时的PN排放研究却相对较少，DPF主动再生时的PN、NOX、燃油经济性、动力性联合研究更是罕有涉及。本文基于四组DPF主动再生与正常状态的车载排放测试数据，研究车辆在实际道路行驶时DPF主动再生的排放、燃油经济性及动力性情况。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

测试仪器使用HORIBA公司生产的OBS-ONE车载排放测试设备。该仪器主要由主控单元、气体分析单元、PN计数单元、流量测量单元、GPS及温湿度传感器等部件构成。CO2与CO采用（非分散红外法）NDIR的分析原理，NOx采用（化学发光法）CLD的分析原理，PN采用CPC（凝聚颗粒计数法）的计数原理。该仪器可实时测量排气中CO2、CO、NOx、H2O和PN的浓度，并根据排气流量、排气压力、排气温度、对应gas系数自动计算排气中各气体污染物的质量流量以及颗粒物的数量流量，如公式（1）和（2）。

gas=gas×gas×mew（1）

式中：gas为污染物瞬时质量；gas为排气组分密度和排气密度比；gas为排气组分浓度；mew为瞬时排气质量流量。

=q×c（2）

式中：为颗粒物瞬时排放数量；q为排气瞬时体积流量；c为颗粒物瞬时浓度。

通过OBD接口读取车辆发动机的实时运行参数，根据实际扭矩百分比、摩擦扭矩百分比、参考扭矩、转速计算发动机瞬时功率，如公式（3）。

=×ref×（act－fric）/9550 （3）

式中：为瞬时功率；发动机转速；ref为发动机参考扭矩；act为发动机实际扭矩百分比；fric为发动机摩擦扭矩百分比。

测试设备布局见示意图1。

1—排气流量温度压力采集单元；2—气体分析单元；3—颗粒物计数单元；4—设备主机；5—电源分配模块；6—电源转换器；7—温湿度传感器；8—GPS；9—控制电脑；10—OBD接口；11—流量计；12—气体采样管；13—PN采样管；14—排气流量温度压力采集连接管线；15—标定气瓶；16—电源；17—测试载荷。

1.2 试验车辆

试验车辆为四台重型载货汽车，具体参数见表1。

表1 样车参数

参数样车一样车二样车三样车四 满载质量/kg6 5008 50018 00048 935 发动机排量/L3.03.764.5811.80 缸数4446 额定功率/kW95115162345 容积压缩比17:117.2:118±0.5:118.4:1 后处理系统型式DOC+DPF+SCR+ASCDOC+DPF+SCR+ASCDOC+DPF+SCR+ASCDOC+DPF+SCR+ASC DPF主动再生方式缸内后喷缸内后喷缸内后喷缸内后喷 排放水平国Ⅵ国Ⅵ国Ⅵ国Ⅵ

1.3 试验方案

基于大量国六重型车车载排放测试试验，将试验过程中发生DPF主动再生的样车选取出来，样车再生完毕后，保持相同的载荷百分比、相同的驾驶员、相同的道路，在相似的环境条件下对车辆进行正常状态下的车载排放测试，对比车辆DPF主动再生与正常状态下的各种污染物排放情况及车辆燃油经济性、动力性的差异。

本次研究取用的数据为试验过程中DPF主动再生时间段的试验数据以及对应正常状态下车辆的测试数据。一段时间内某种污染物累积排放质量（PN为累积总数量）与该时间段内发动机累积输出功的比值为该污染物在这段时间的比排放，单位为mg/kWh或#/kWh，通过对比DPF主动再生与正常状态下的NOx、PN、CO、CO2比排放结果来分析车辆DPF主动再生时的排放状况，使用碳平衡的方法计算车辆燃油经济性，对比样车最高转速、最大扭矩、最高车速、最大功率的方法进行动力性比较。

2 结果与分析

2.1 时间与排温

本次研究排温的测量是通过设备流量计上的排温传感器测量记录，其位置距离样车排气出口约0.5 m，持续时间与排温结果见表2。

表2 持续时间与排温

参数样车一样车二样车三样车四 DPF主动再生正常DPF主动再生正常DPF主动再生正常DPF主动再生正常 持续时间/s5055003 8534 0881 864186626462636 平均排温/℃420.0268.4364.1 203.3 462.9 248.0 406.7 244.9 最高排温/℃497.0296.0484.1 230.1 599.0 272.4 487.9 289.8 累积功/kWh7.37.138.8 39.6 35.0 31.2 40.2 44.8

由表2可见，相比于正常状态下，样车DPF主动再生时，排温呈上升的趋势。四辆样车DPF主动再生时，样车的最高排温高达484.1 ℃～599.0 ℃。相比于正常状态，样车一整个DPF主动再生过程平均排温升高了151.6 ℃，样车二升高了160.8 ℃，样车三升高了214.9 ℃，样车四升高了161.8 ℃。

2.2 NOX

图2表示样车DPF主动再生与非再生状态下NOX比排放。从图中可以看出样车DPF再生时，NOX排放升高，样车一DPF再生状态下NOX平均比排放是非再生状态下NOX平均比排放的11.8倍，国六排放标准限值的2.77倍；样车二为30.4倍，国六排放标准限值的1.68倍；样车三为11.4倍，国六排放标准限值的2.51倍；样车四为6.8倍，国六排放标准限值的2.14倍；分析原因，样车DPF主动再生采用缸内后喷配合DOC氧化的方式来提高排温，燃烧积碳，而柴油机几乎所有NOX都是在燃烧开始后20°（CA）内生成的[9]，缸内后喷时刻相对较晚，并且此时缸内已经不再是高温富氧的环境，因此，排除发动机原排NOX升高的原因。其主要原因是DPF再生时，含有大量未燃HC的排气在DOC的作用下升高温度，高温排气超出了SCR系统的高效工作温度范围，导致其转化效率降低，同时，排气温度的剧烈升高使得NH3对O2的选择性升高，并且排气中O2含量远远高于NOX含量，NH3和O2的接触机会远远高于NOX，使得SCR转化效率降低[10]，NH3与O2的反应会产生一定量的NO，进一步增加了NOX排放。

图2 NOX排放

2.3 PN

图3 PN排放

图3表示样车DPF主动再生与非再生状态下PN比排放。从图中可以看出样车DPF再生时，PN比排放严重恶化，样车一DPF主动再生状态下PN比排放是非再生状态PN比排放的15.0倍，国六排放标准限值的23.7倍；样车二为162.9倍，国六排放标准限值的6.36倍；样车三为7 149.9倍，国六排放标准限值的45倍；样车四为31.2倍，国六排放标准限值的1.66倍；分析原因，样车主动再生时，缸内后喷的燃油由于燃烧不充分，产生大量未燃颗粒物，导致发动机原排颗粒大量增加，在 DOC氧化升温的作用下，DPF中的积碳氧化燃烧为粒径较小的颗粒，逃离DPF增加了颗粒物排放，同时，积碳的氧化燃烧导致DPF碳载量的减少，导致了DPF过滤效率的降低，进而使得颗粒物排放增加。

2.4 CO

图4表示样车DPF主动再生与非再生状态下CO比排放。从图中可以看出样车一与样车四相比于非再生状态下，DPF主动再生时CO比排放分别降低了76.5%和82.5%。样车二在两种状态下CO比排放均较低，且差别不大。样车三DPF主动再生状态下CO比排放是非再生状态下的2.2倍。从结果可以看出，相比于非再生状态，样车DPF主动再生时，CO比排放并没有统一的变化趋势。样车DPF主动再生时，虽然缸内后喷和DPF积碳氧化会造成CO的升高，但排温升高提高了DOC和ASC的氧化效率，因此相比于非再生状态，DPF主动再生时CO并没有统一的变化趋势。

图4 CO排放

2.5 CO2

图5表示样车DPF主动再生与非再生状态下CO2比排放。从图中可以看出样车再生时，CO2的比排放升高。相比于非再生状态，样车一CO2比排放升高了14.8%，样车二CO2比排放升高了22.1%，样车三CO2比排放升高了6.3%，样车四CO2比排放升高了24.2%。主要原因为样车发生再生时，发动机在活塞的下行阶段后喷燃油用以提高排气中未燃碳氢的浓度，这部分燃油混合气在缸内并未来得及燃烧推动活塞做功或只做了极少的功，就进入尾气管中，在DOC的氧化作用下，提高排温、生成CO2，进而增加了CO2的比排放，同时DPF中积碳氧化产生CO2也是CO2比排放升高的原因。

图5 CO2排放

2.6 燃油消耗量

图6表示样车DPF主动再生与非再生状态下燃油消耗量。从图中看出样车发生DPF主动再生时，燃油消耗增加，相比于非再生状态，样车一油耗增加了16.5%，样车二油耗增加了32.8%，样车三增加了23.1%，样车四增加了16.2%，主要原因为样车发生再生时，需要额外的燃油用于提高排气温度，这部分燃油并未用于提供车辆动力，因此增加了燃油消耗量。

图6 燃油消耗量

2.7 H2O

图7表示样车DPF主动再生与正常状态下排气中H2O浓度，从图中可以看出，样车发生DPF主动再生时，排气中的H2O浓度增加，相比于正常状态，样车一H2O含量增加了31.6%，样车二增加了30.8%，样车三增加了39.1%，样车四增加了50.3%。主要原因为样车发生再生时，后喷的燃油氧化燃烧后产生了一定的H2O，同时，排气温度的升高加强了DOC、ASC的氧化作用，使得排气中的碳氢化合物和未反应的NH3被氧化生成H2O，因此增加了H2O的排放量。

图7 H2O含量

2.8 样车动力性

图8给出了样车DPF主动再生与正常状态下的最大转速、最大扭矩、最高车速、最大输出功率的对比情况。

由图8可知，样车在DPF主动再生过程中，其动力性并未受到限制，其最大转速、最大扭矩、最高车速、最大输出功率与样车正常状态下相差不大。

3 结论与建议

3.1 结论

相比于正常状态，DPF主动再生时，排温剧烈升高，NOX、PN、CO2、H2O排放均为升高的趋势，其中PN排放剧烈升高，且主动再生阶段NOX、PN比排放均高于国六排放法规，CO排放没有明显的变化趋势。

相比于正常状态，DPF主动再生时，车辆油耗略有升高。

DPF主动再生时，车辆动力性并未受到影响。

3.2 建议

国六重型柴油车DPF主动再生时，NOX、PN排放恶化，尤其是PN排放剧烈升高，在下一阶段的重型车排放法规制定过程中应将DPF主动再生时的排放纳入监管范围。

开发新型DPF系统，增强DPF被动再生反应，减缓DPF积碳速率，增加DPF主动再生周期，降低DPF主动再生频率。

开发新型SCR系统，拓宽其高效工作的温度范围，进而保证DPF主动再生时可有效的转化NOX。

缩短发动机排气出口至后处理系统入口的管道长度、加装后处理系统保温装置，减少排气的热量损失，可适当地减少DPF主动再生时后喷的燃油量，达到节油并减少PN原始排放的目的。

[1] Reşitoğlu İ A, Altinişik K, Keskin A. The pollutant emissions from diesel-engine vehicles and exhaust aftertreatment sys- tems[J].Clean Technologies and Environmental Policy, 2015, 17(1):15-27.

[2] 资新运,郭猛超,蔡强,等.柴油机用壁流式过滤体基础模型研究[J].内燃机工程,2010,31(03):61-66.

[3] 楼狄明,张正兴,谭丕强,等.柴油机颗粒捕集器再生平衡仿真研究[J].内燃机工程,2010,31(04):39-43.

[4] 中华人民共和国生态环境部.中国移动源环境管理年报(2020)[R].北京:中华人民共和国生态环境部,2020.

[5] 中华人民共和国生态环境部.重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段):GB17691—2018[S].北京:中国标准出版社,2018.

[6] Bin Guan,Reggie Zhan,He Lin,Zhen Huang. Review of the state-of-the-art of exhaust particulate filter technology in internal combustion engines[J]. Journal of Environmental Management,2015,154.

[7] 魏雄武.柴油机微粒捕集器及其再生技术分析与研究[J].重型汽车,2005(02):30-32.

[8] 谭丕强,胡志远,楼狄明,等.微粒捕集器再生技术的研究动态和发展趋势[J].车用发动机,2005(05):9-12.

[9] 周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,1999.

[10] 辛喆,张寅,王顺喜,等.柴油机Urea-SCR催化器转化效率影响因素研究[J].农业机械学报,2011,42(09):30-34.

Research on DPF Regeneration Emission Characteristics of China Six-stage Heavy-duty Diesel Vehicle

GAO Zhongming1, XU Dandan1, YANG Chengxiao2, WANG Fei2

( 1.China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300;2.China National Heavy Duty Truck Group Co., Ltd., Automotive Research Institute, Shandong Jinan 250101 )

Based on the real driving emission test data of a lot of CHINA six-stage heavy-duty diesel vehicles, this paper selects four prototype vehicles that had undergone active DPF(diesel engine par- ticulate trap) regeneration during the test. After the DPF active regeneration of the prototype vehicles was completed, the real driving emission tests under normal condition were performed. Comparing the emission test data of the prototype DPF active regeneration with the normal state, the results showed that compared with the normal state, when the prototype DPF actively regenerated, the NOX and PN did not meet the requirement of the CHINA Six-stage emission regulation, and the NOX increased by 5.8-29.4 times; PN increased by 14.0-7148.9 times; CO did not have a consistent change trend; CO2increased by 6.3-24.2%; fuel consumption increased by 16.2-32.8%; dynamic performance remained unchanged.

DPF active regeneration; CO; NOx; PN; Fuel consumption; Power

U467

A

1671-7988(2022)02-96-06

U467

A

1671-7988(2022)02-96-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.022

高忠明，硕士，工程师，就职于中国汽车技术研究中心有限公司，研究方向：重型整车排放。