柴油机DPF系统可靠性试验研究

摘 要：DPF后处理系统已广泛应用，DPF开裂导致整车PM超标，堵塞会导致经济性恶化，动力性不足。文章通过合理设计台架可靠性试验循环和过程分析，有效验证DPF系统可靠性。

关键词：DPF；柴油机；台架试验；可靠性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.005

0 引言

柴油机有着动力性好，又十分经济的优点，目前被大量大小型交通工具采用。而柴油机排气的有害成分主要有CO、HC、NOx、硫化物以及颗粒物、臭味气体等，由于柴油机使用的混合气平均空燃比比理论空燃比大，故其CO及HC排放明显低于汽油机，但NOx、颗粒物及臭味气体却较高[1]。

柴油机的尾气处理目前有两个控制方向：一方面改善发动机机内净化技术如废气再循环和控制燃烧等技术；另一个方面改善机外净化技术如提高尾气处理器的处理效果。尾气处理技术常用技术有选择性催化还原（SCR），氧化催化（DOC），颗粒捕捉器（DPF）等技术[2]。其中，壁流式颗粒捕集器是公认的降低PM排放最有效的装置之一，其捕集效率可达95%以上[3]。随排放升级部分地区也强制要求使用DPF来控制PN的排放水平，而对于装在轻型柴油车上的颗粒捕集器，需要进行200个加载再生耐久试验循环[4]，如何进行DPF可靠性试验尤为重要。

1 试验设备及试验方案

1.1 试验台架

表1为试验使用的测试用设备型号，表2为测试用发动机及后处理参数。发动机采用江淮自产某款国五发动机。

1.2 试验方案

a）常规加载再生工况。常规加载再生工况，一个循环105min，其中90min进行累碳再生（视发动机累碳时间而定），15min进行全速全负荷工况，确保每次再生完全。加载工况点选择原则：1985rpm@85Nm时，排温为345℃左右，保证DOC后处理中SOF均能正常燃烧，从而不影响DPF中碳烟加载；该工况烟度基本大于2.0，有利于碳烟的快速加载，节省试验时间，同时此区域为整车常用工况点；该工况点CO值为443ppm，CO排放值在中等偏大区域，更充分考核DOC；加载时间约为70min，累碳质量约为20g，与标定时一致；按轻型柴油车要求进行200次循环；此工况为工况1。

b） 加严工况——DTI工况。DTI工况，一个循环为105min，加载时间约70min（视实际加载速度而定），进入再生后，DPF内部开始燃烧后立即进入怠速，内部温度会持续升高，怠速运行150s后DPF内部温度将持续降低，若继续怠速，ECU判断温度过低而停止再生，为保证剩余碳烟完全燃烧，再回到1980rpm@85Nm工况下，继续进行再生，直到碳烟燃烧完全。15min进行全速全负荷工况，确保每次再生完全，此工况为工况2。

c）工况1连续运行11次，为确保进入工况2前DPF内部碳烟烧完，第11次再生完成后全速全负荷工况运行40min，再进入工况2，工况1：工况2=11：1。取整后可靠性共运行220次加载再生循环累计385h。

1.3 传感器布置

在DPF前后以及DPF载体内部布置温度传感器，监控再生过程中温度变化情况，如表3和图3所示。

2 加载再生可靠性试验

按照上述工况进行可靠性试验和后处理评价。如表4所示，试验后各稳态工况点THC转化效率均在80%以上，DOC氧化性能再指标范围内。DOC+DPF后端测得的FSN值均小于0.01，且排气尾管无任何黑烟，后处理过滤效果良好，如图4所示。

如图5所示，DPF累碳量试验过程中均在6.5±0.5g/L范围内，与标定值基本一致，随可靠性试验进行，累碳能力稍微下降，220次循环后累碳量在18.9g， 这是因为部分机油参与燃烧，DPF内部累积灰分，导致碳的加载量减少。

常规再生循环共运行200次，如图6其中8个循环所示， 可靠性过程中T_DPF_BED温度在700～860℃内，自动循环中碳载量不同最高温度有所不同，但均在900℃范围内，安全域度较大。DTI工况共运行20次，DTI工况中，T_DPF_BED迅速上升，36s后达到最高温度955℃，如图7某个循环所示， DTI循环过程中T_DPF_BED最高温度均在860～960℃范围内，未超过1000℃。

3 结论

（1）耐久性试验中，DOC、DPF内部温度未超过900℃，同时DTI工况下DPF內部温度最高值在1000℃以内，在载体安全温度范围内；（2）耐久性试验后，DOC、DPF外部无开裂、载体无裂纹；（3）DOC的CO、HC转化效率未出现恶化现象，PM捕集效率未出现恶化现象；（4）DPF累碳能力无恶化，DOC对THC氧化能力在80%以上，通过考核。通过此工况有效考核了DPF，保证了产品质量。

参考文献：

[1]李兴虎.汽车环境污染与控制[M].北京：国防工业出版社，2011（04）：223-225.

[2]梁曦.DOC与DPF结合在柴油机后处理上的应用研究[J].科技创新与应用，2013（11）.

[3]李路.CDPF再生性能的试验研究[J].车用发动机，第6期（总第221期）2015年12月.

[4]HJ451-2008环境保护产品技术要求.柴油机排气后处理装置[S].

作者简介：孙泽（1984-），硕士学位，工程师，主要从事发动机及后处理试验开发工作。

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