柴油机颗粒捕集器降怠速再生可靠性试验研究

摘要： 柴油机颗粒捕集器（DPF）在实际使用过程中会频繁怠速再生，这种不正常再生是导致DPF高温烧裂的主要原因，导致DPF可靠性降低。针对这一问题，通过搭建燃烧器台架对堇青石DPF进行重复性降怠速（DTI）测试，探究了相同碳载量及再生工况下DPF再生的一致性，通过DPF载体内部的温度分布、PN排放特性以及最终CT扫描结果，评估了DPF的耐久性及坚固性。结果表明：30次DTI测试中，DPF内部温度分布不均匀，峰值温度出现在靠近载体出口端，DPF从中心到边缘位置温度逐渐降低，载体边缘处出现较大的温度梯度；30次DTI后载体PN排放未见明显升高，距国六限值仍有较大裕量；CT扫描未见明显裂痕。

关键词： 柴油机颗粒捕集器；降怠速；再生；可靠性；温度分布

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.005

中图分类号： TK421.5" 文献标志码： B" 文章编号： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００34 ０5

柴油机具有高效、可靠及动力强劲等优点，被广泛应用于中大型运输汽车和工程机械中^{［1 2］}。随着人们环保意识的增强，颗粒物排放大大限制了柴油机的应用，与同等排量的汽油机相比，柴油机颗粒排放量是前者的30～80倍^{［3 4］}。加装柴油机颗粒捕集器（DPF）是目前降低PN排放最有效的手段之一，随着DPF长时间的使用，沉积在DPF内部的碳烟过多，会导致排气背压升高，因此需要对DPF进行及时再生，DPF主要的再生方式分为主动再生和被动再生两种^{［5 8］}。

DPF再生主要受到排气温度和排气流量的影响，在某些极端工况中，发动机转速可能会降怠速（dropping to idle，DTI），此时发动机排气流量会突然降低，当排气温度较高时，碳烟发生氧化反应，较低的排气流量不能及时将反应产生的热量带走，此时热量聚集很容易导致DPF产生严重的热应力，当DPF内部聚集的碳烟数量较多时，DPF很容易发生烧熔现象^{［9 11］}。针对DPF再生机理，国内外学者进行了大量的研究。Z. W. MENG 等^［12］采用商业碳黑系统，探讨了不同载体材质对DPF再生的影响，结果表明，随着排温的增加，DPF峰值温度和最大温度梯度呈现先缓后急的增加趋势。V. D. SARLI 等^［13］研究了碳载量及催化剂对DPF再生的影响，结果表明：在高碳载量下再生时，碳烟剧烈燃烧，短时间内载体内部会快速升温。唐蛟等^［14］通过增加怠速排气流量的方法，使高温气流快速通过DPF，从而降低峰值温度。R. SHANKAR等^［15］通过实车道路进行DTI测试，结果表明：缓慢降怠速可使再生过程平顺，从而降低峰值温度，达到延长DPF使用寿命的目的。黄铁雄等^［16］基于DTI方法确定了载体安全再生的试验方法，但未进一步通过排放验证DPF的可靠性判定。

综上所述，国内外针对DPF的研究主要集中在再生策略的控制方面，极限再生DTI测试也多搭载发动机进行。由于DPF实车验证周期较长，搭载发动机进行多次重复DTI测试会造成发动机性能下降，长期碳烟加载工况会造成发动机缸内积碳，因此国内对于考察DPF可靠性的重复性DTI试验很少见。

本研究通过燃烧器搭载DPF的测试方法，实现DPF碳烟快速加载及降怠速再生测试，考核在30次DTI耐久测试后DPF载体性能，通过发动机排放测试以及CT扫描手段分析DPF过滤性能及可靠性，以期为DPF生命周期内的安全再生策略制定提供参考。

1 试验装置和方法

1.1 燃烧器台架

发动机长期加载碳烟会增加发动机燃油系统损坏风险，采用燃烧器碳烟加载装置可模拟真实发动机产生的碳烟颗粒，该设备加注0号柴油。设备参数如表1 所示，该设备发碳速率稳定，每次加载碳烟工况保证相同的流量和温度，且DPF安装位置固定，可提高每次测试的碳烟加载一致性。碳烟加载前后在200 ℃以上环境中称重，确保称重过程中没有冷凝水导致的质量误差。

碳烟加载后，采用柴油燃烧器台架进行重复DTI测试，该台架流量由变频风机控制，流量范围为0～2 100 kg/h，温度范围为室温至1 100 ℃，可集成NOx传感器及尿素喷射装置等排放设备。DPF在台架上安装位置如图1所示。

1.2 发动机台架

DPF测试前后以及每10次DTI后需要进行排放测试，试验采用的排放测试设备为AVL489，发动机为9.7 L重型柴油机，通过对测试前后DPF的颗粒物数量进行对比验证，从而判断DPF是否失效。发动机参数如表2所示。

1.3 CDPF参数及热电偶布置

试验采用带涂覆的堇青石CDPF，测试前将全新的载体在燃烧器上以650 ℃对催化剂进行激活，测试中采用两个同规格CDPF，一个用于前期摸底，一个用于正式测试，CDPF参数如表3所示。

CDPF温度测定采用Φ0.5 mm的K型热电偶，前期摸底主要为了得知DPF出现最高温度及最大温度梯度最多的半径方向，同时得到合适的碳载量范围，确保DPF再生时最大温度处于1 000～1 100 ℃之间。经过大量摸底测试后，正式试验中根据摸底测试中最高温度及梯度出现最多的方向，布置30根热电偶，如图2所示，轴向分为4个深度，径向布置6个热电偶，分别测量轴向及径向温度梯度。

1.4 试验方法

碳烟加载前后对CDPF进行预热并保持200 ℃以上的温度进行称重，待碳烟加载完毕将CDPF安装在燃烧器台架上进行降怠速再生试验，测试完成后将残留的碳烟再生并与CDPF初始质量进行对比，确认完全再生后，进行下一次测试；每10次DTI测试后进行发动机台架排放测试，最后通过CT扫描设备检查载体内部是否存在裂缝。

如图3所示，正式DTI测试中，控制流量700 kg/h及温度260 ℃稳定持续8 min，保证DTI测试过程中初始条件一致。随后升温并保持流量不变，当催化剂前温度达到目标DTI温度后，降怠速再生，此时总流量快速降至230 kg/h并稳定至CDPF内部温度降下来。过早降怠速会导致温度较低，DPF内不能形成较好的碳烟再生环境，过晚降怠速会导致大量碳烟被再生，不能达到最高温度，因此合适的断油时机可以使得DPF在相应的碳载量下达到最高温度。经过前期摸底，将DTI时刻定为110 s。

车辆在每行驶一定距离后，由于碳烟不断累积会触发再生，再生过程大多为被动再生，触发DTI再生的条件较为苛刻，且触发DTI再生后峰值温度较少达到1 000 ℃以上。通过对CDPF进行30次重复DTI测试，研究在这种更加严苛工况下DPF的耐久性和可靠性，通过对DPF排放验证，从而判断载体是否发生损坏，为以后CDPF在50万 km以上生命周期的安全再生提供参考。

2 试验结果分析

2.1 DTI过程中载体内部温度分布

图4示出30次测试中各次测试的实际碳载量，通过前期摸底不断增加碳载量进行DTI测试，得到不同碳载量下DPF内部的峰值温度，从而确定DPF峰值温度在1 000～1 100 ℃之间时的碳载量范围为5.1～5.7 g/L。正式DTI测试中，为保证一致性，控制碳载量设定值为固定值，由于碳烟加载及称重偏差会导致实际碳载量有所波动，当载体内部最高温度介于1 000～1 100 ℃时，视为有效数据。

图5所示试验中碳载量为5.13 g/L，是30次DTI测试中碳载量最少的一组测试，DTI时刻为110 s。DTI发生前，载体内部孔道温度均高于600 ℃，此时碳烟开始发生反应，在断油信号之后，排气流量迅速降低，此时排气中的空气进入载体内部开始与碳烟迅速发生反应，由于排气流量较低，不能将热量及时带走，此时载体内部温度呈现指数式上升，随着碳烟进一步反应，温度开始呈现指数式下降。堇青石载体内部峰值温度出现在测点20，最高温度为1 005 ℃，最大温度梯度出现在测点29和测点30之间，为139 ℃/cm。另外靠近中心位置的多个热电偶温度也高达900 ℃，这是因为碳烟加载过程中气流影响导致中心位置加载碳烟较载体边缘多，此外由于载体边缘位置直接与外部环境接触，散热较快，因此载体边缘温度较低。

图6所示试验中碳载量为5.67 g/L，即碳载量最大的一组测试。由图6可知，发生断油后，载体内部峰值温度出现在测点26，为1 092 ℃，此时最大温度梯度同样出现在测点29和测点30之间，为298 ℃/cm。相较于5.13 g/L碳载量再生时，随着碳载量增加，载体内部的峰值温度和最大温度梯度相应增加，这是由于碳载量的进一步升高会导致碳烟反应更剧烈，并且热量不断向四周传递，导致周围热量进一步聚集，从而产生更高的温度。在该碳载量下再生时，测点5，6，10，19，20，21，25，27的温度均超过1 000 ℃，所属测点均位于载体中心位置；由于边缘位置散热较快且碳量较少，因此在载体边缘位置容易出现较大的温度梯度；同时再生发生后，气流较小，不能及时将热量带走，导致热量在载体出口聚集，从而导致载体出口位置温度较高。

DTI再生测试为瞬态过程，断油的瞬间峰值温度的变化随机性较强，载体内部反应较剧烈，且在短时间内会迅速降温，当碳载量变化不大时，对峰值温度的影响较小。图7和图8所示为30次DTI过程中载体内部的峰值温度和最大温度梯度，其中第1次和第12次DTI的温度最低，为1 005 ℃，第25次DTI的温度最高，为1 092 ℃，通过控制碳载量来使DPF内部峰值温度保持在1 000～1 100 ℃之间。30次DTI过程中，最大温度梯度均出现在载体最边缘位置。

2.2 每10次DTI测试后载体PN排放

通过30次严苛的重复DTI再生试验来确定载体的耐久性能，正式试验开始前对全新载体测一次PN作为初始排放参考值；随后每10次DTI再生后，对载体进行排放测试，通过与初始排放数据对比来评估载体DTI后的过滤效率，以此判断内部是否发生破裂以及破裂的程度，从而判断载体在30次DTI后的性能表现。

图9所示为每10次DTI后测得的PN排放值。从图中可见，每10次DTI后，排放值均未超过初始PN值，且相对国六限值存在较大的裕量。初始全新载体的PN值为5.446×10¹¹ 个/（kW·h），最后一次测得的PN排放值为4.366×10¹¹ 个/（kW·h），与初始PN值相比降低了19.8%，主要是经过多次积碳再生后，载体内部可能存在灰分沉积，导致颗粒捕集效率升高，从而测得的排放值较低。

2.3 CT扫描结果

载体内部存在较小损坏时，可能不会对排放值产生影响，因此在测试结束后，对载体进行CT扫描进一步确认载体内部有无损坏。使用的扫描设备型号为NSI X5000，为高分辨率数字多轴X射线成像设备，主要用于GPF及DPF内部结构探伤，可围绕物体360°旋转进行2D数字射线投影。

对DPF进行全尺寸无损扫描，对载体X轴和Y轴中心剖面进行对比观察（见图10），可见载体内部在30次DTI后未见明显裂痕或损坏，表明在30次DTI后DPF具有良好的性能表现。

3 结论

a） DPF断油再生后载体内部温度呈现指数式上升，峰值温度出现在载体中心靠近出口位置，边缘位置容易产生较大的温度梯度；

b） 每10次DTI再生后测得的载体PN排放值未出现明显的变化，相比国六排放限值仍有较大裕量；

c） 30次DTI后对DPF进行CT扫描，未见有明显裂痕或损坏，载体在30次DTI后性能表现良好。

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Experimental Study on Reliability Performance of DTI Regeneration for DPF

DONG Guanglei^1，2，SUN Nannan^1，2，NAN Zheng³，ZHANG Qiushi³，LIU Haitao³，HUA Lun³

（1.National Key Laboratory of Internal Combustion Engine and Power System，Weifang 261061，China;2.Weichai Power Company Limited，Weifang 261061，China；3.Suzhou Automotive Research Institute of Tsinghua University，Suzhou 215200，China）

Abstract： The diesel particulate filter （DPF） will frequently drop to idle and regenerate during the actual application， and this abnormal regeneration is the main reason of DPF high temperature melting or cracking， resulting in the reduction of DPF reliability. To address this issue， a burner bench was built to perform a repeatable dropping to idle （DTI） test on cordierite DPF. The consistency of DPF regeneration under the same soot load and regeneration conditions was investigated， and the durability and robustness of DPF were evaluated by the temperature distribution inside the carrier of DPF， PN emission characteristics and CT scan results. The results showed that the temperature distribution inside the DPF was uneven during the 30 times DTI tests， and the maximum temperature occured near the outlet end of carrier. The temperature of DPF gradually decreases from the center to the edge， and the larger temperature gradient appeared at the edge of carrier. The PN emission did not increase significantly after 30 times DTI， and there was still a large margin from the China Ⅵ limit， and no obvious cracks were found in CT scan.

Key "words： diesel particulate filter（DPF）； dropping to idle（DTI）；regeneration；reliability；temperature distribution

［编辑： 潘丽丽］