DPF载体环裂故障分析

杨海龙，辛欣，郑志强，杨永春，刘斌，刘阳，刘波

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061;2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

发动机排气污染物是空气污染的源头之一，为减轻环境污染，国家对发动机排放标准要求日趋严格[1-4]。为满足排放法规的要求，柴油机排气后处理技术日渐增多，主要包括柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)、选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)等[5-10]。

DOC使柴油机尾气中的HC、CO和可溶性有机物(soluble organic fraction，SOF)与O2在低温条件下进行氧化反应，转化为CO2和H2O，并将尾气中的NO氧化为NO2[11-13]，可提高SCR的转化效率，同时为DPF被动再生提供足够的NO2，提高DPF的被动再生效率；DOC还可以氧化缸内后喷燃油，提高出口的排气温度，使DPF内部发生主动再生，清除DPF内的积碳[14-16]。

柴油机尾气流经DPF时，尾气中的颗粒物(particulate matter，PM)被捕集留在过滤体上，较清洁的尾气排入SCR进一步净化，DPF的捕集效率超过95%[17-18]。DPF捕集到一定数量的PM后，排气背压高，影响发动机的动力，因此需清除PM，保持排气管的畅通。消除DPF内累积PM的过程称为DPF再生，再生方式分主动再生和被动再生：主动再生是控制发动机后喷燃油，燃油在DOC的作用下氧化放热，为DPF主动再生提供所需热量，主动再生的温度为560～650 ℃，高温将DPF内的积碳氧化为CO2；被动再生是尾气中的NO在DOC的作用下氧化为NO2，DPF将NO2作为氧化剂氧化PM生成CO2，NO2又被还原为NO[19-20]。

DPF再生过程中过高的再生温度或热疲劳均将导致DPF载体产生裂纹，使DPF的过滤性下降甚至失效。DPF载体裂纹是柴油机后处理技术面临的一个较大问题，在实际配机使用过程中，出现过DPF载体环裂、面裂、烧熔等故障。本文通过台架试验研究DPF载体环裂现象，分析DPF载体环裂的影响因素，明确故障原因，提出解决方案，提高DPF使用的可靠性。

1 研究对象

1.1 试验对象

采用某重型柴油机试验台架，因耐久试验周期较长，采用A、B 2台柴油机对DPF载体环裂现象进行试验分析，2台柴油机中均装配DOC、DPF和SCR后处理系统，试验装置示意图如图1所示。

图1 DPF载体环裂试验装置示意图

1.2 故障现象

对柴油机A的后处理系统进行再生耐久试验。基于全球统一瞬态试验循环(world harmonized transient cycle，WHTC)工况循环积碳至碳载量为4 g/L时进行稳态点再生，测得DPF内部温度峰值为1140 ℃，对DPF进行透光检查，发现透光，切割DPF后发现载体环裂。

对柴油机B进行DPF载体冷热冲击试验。DPF运行160 h后进行稳态点再生和80次冷热冲击试验，对DPF进行透光检查，发现透光，切割DPF后发现载体环裂。柴油机A、B的DPF载体环裂故障现象如图2所示。

a)柴油机A b)柴油机B

分析柴油机A、B的DPF载体环裂故障的原因，需复现图2中的故障现象，制作带热电偶的DPF-1、DPF-2、DPF-3测量再生过程中DPF内部的温度分布及温度梯度，分析DPF载体环裂的原因。

2 试验结果与分析

2.1 柴油机A的DPF载体环裂原因

2.1.1 WHTC工况下积碳再生试验

DPF-1的热电偶布置如图3所示。由图3可知：DPF-1内部共布置10个测点，编号为5～14，测点5、6、7、8、13均匀布置在载体中轴线上，测点5、13分别布置在前、后端面，测点6、8分别布置在离前、后端面10 cm处，测点7在中心位置，测点9、10、11、12和14布置在测点8的径向位置。其中，测点8、9、10、11之间间距为1 cm，测点12、14间隔1 cm。

a)DPF-1前端 b)DPF-1剖视图 c)DPF-1后端

柴油机A在WHTC工况进行积碳，当模型碳载量为3.5 g/L时，进行稳态点强制再生。再生过程中，DPF-1内部各热电偶的温度测试结果如图4所示。由图4可知：沿DPF-1中轴线从前端到后端各测点温度依次升高，测点13温度最高，为725 ℃；测点9～12、14温度均较高，且外环温度高于中心温度，最高为750 ℃。在试验过程中，监测到DOC后端面HC的体积分数为0.02%，低于设计要求(≤0.15%)，可知再生时HC泄漏量较少不会导致DPF内部产生高温现象，高温主要由积碳燃烧引起，且越靠近后端温度越高。

图4 DPF-1再生过程中各测点温度

2.1.2 降怠速(drop-to-idle，DTI)再生试验

DPF-2的热电偶布置如图5所示。由图5可知：DPF-2内部共布置13个测点，编号1～13，均布置在载体中轴线上，其中测点5、13分别布置在前、后端面，测点6、8分别布置在离前、后端面10 cm处，测点7在中心位置，测点1～4、9～12布置在测点7前、后，每间隔1 cm布置1个。

a)DPF-2前端 b)DPF-2剖视图 c)DPF-2后端

柴油机A在WHTC工况下进行积碳，当模型碳载量为4.5 g/L时，进行DTI再生试验，得到DPF-2各测点温度如图6所示。由图6可知：DTI过程中，DPF-2上游温度、测点5温度缓慢下降，DPF-2内部温度快速升高，测点段6～7(DPF前半段)达到的最高温度基本一致，测点段8～13(DPF后半段)温度依次升高，测点13的最高温度为850 ℃。

图6 DTI试验中DPF-2内部各测点温度 图7 DTI试验中DPF-2内部温度梯度

DTI试验中DPF-2内部温度梯度如图7所示。由图7可知最大温度梯度为76.6 ℃/cm。

表1 不同积碳循环下DPF内部最高温度

柴油机A在不同的积碳循环下进行积碳，当碳载量为3.5 g/L时进行稳态工况下的再生试验，DPF内部最高温度如表1所示。由表1可知：不同积碳循环下达到同样的碳载量，再生时DPF内部最高温度不同，说明不同积碳循环下，DPF的碳载量分布不同。

对柴油机A进行同碳载量，不同再生设定温度的再生试验，结果如表2所示。由表2可知：同碳载量下，不同的再生设定温度导致DPF再生最高温度不同，再生设定温度为560 ℃时，DPF可再生成功，再生最高温度较低。

表2 不同再生设定温度下DPF内部再生最高温度

对柴油机A进行碳载量为3.3 g/L，DOC温升速度分别为3、5 ℃/s的再生试验，发现DPF再生最高温度分别为750、721 ℃，可知DOC的温升速度对DPF再生过程的温度影响不大。

2.1.3 原因分析

通过分析柴油机A的试验可知：1)DPF内部产生高温的主要原因是碳载量分布不均匀和再生设定温度较高；2)DPF内部温度梯度产生的原因是DPF再生起燃过程和再生结束后断油产生温度梯度。

通过对柴油机A的再生试验，再生设定温度为600 ℃，碳载量控制在3.5 g/L以内，在有阶梯再生的情况下，最高温度和温度梯度均正常；再生温度设定为560 ℃时也可再生成功，且再生最高温度较低，风险较小。

2.2 柴油机B的DPF载体环裂原因分析

2.2.1 热冲击试验

对柴油机B的DPF进行80次冷热冲击试验，试验前、后PM的循环质量和颗粒物数量(particel number，PN)均满足法规要求，剖开后无裂纹产生。

2.2.2 WHTC工况下无积碳再生试验

DPF-3的热电偶布置与图3相同。对柴油机B进行WHTC无积碳再生试验。再生过程中，DPF-3各测点温度如图8所示，DPF-3中轴上各测点温度基本一致，最高温度为675 ℃，满足设计要求。DPF-3无积碳再生径向温度梯度如图9所示，DPF-3径向温度梯度变化较小，满足设计要求。

图8 DPF-3无积碳再生过程中各测点温度 图9 DPF-3无积碳再生径向温度梯度

2.2.3 原因分析

通过分析柴油机B的试验可知DPF内部温度梯度形成的原因为：1)DPF再生过程中温度升高；2)DPF再生过程中出现最高温度，形成温度梯度；3)再生结束后断油，形成温度梯度；4)行车再生过程中的后喷燃油突断导致温度突降，形成温度梯度。

设定柴油机B的再生温度为600 ℃，碳载量控制在4.5 g/L以内，在有阶梯再生的情况下，最高温度和梯度均正常，风险较小。

3 结语

基于台架试验分析柴油机DPF载体环裂现象及产生原因，采用带热电偶的DPF测试其再生过程中内部温度的变化，探究DPF载体环裂的原因。柴油机A的DPF出现载体环裂的主要原因是再生过程中出现高温，温度梯度较大，导致DPF载体环裂；基于排除法，推测柴油机B的DPF出现载体环裂现象的原因为热疲劳。

可通过以下方法降低DPF载体环裂故障率：1)DPF再生起燃过程中控制起燃速度，减小温度梯度；2)再生结束后阶梯断油，减小温度梯度；3)再生温度由600 ℃降至560 ℃。