李路， 孟忠偉， 陳超， 張川， 閆妍， 柏威廉

(1. 西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610039；2. 浙江通源材料有限公司， 浙江 溫嶺 317500)

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CDPF再生性能的試驗(yàn)研究

李路1， 孟忠偉1， 陳超1， 張川1， 閆妍1， 柏威廉2

(1. 西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610039；2. 浙江通源材料有限公司， 浙江 溫嶺 317500)

基于外加熱源再生性能測(cè)試臺(tái)架，研究了來(lái)流參數(shù)和灰沉積對(duì)催化型柴油機(jī)顆粒捕集器(CDPF)再生性能的影響規(guī)律，并比較了DPF和CDPF在再生性能上的差異。結(jié)果表明：隨著來(lái)流溫度的增加，載體的最高溫度和最大溫度梯度先保持不變，后迅速增大，再生效率和效能比也逐漸增大；隨著來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，載體的最高溫度基本保持不變，最大溫度梯度略有增大，再生效率逐漸增大，但效能比卻逐漸降低；隨著灰沉積量的逐漸增大，載體的最高溫度和最大溫度梯度基本保持不變，再生效率和效能比卻逐漸降低；在來(lái)流溫度為475 ℃時(shí)，相較于DPF內(nèi)碳黑基本不發(fā)生反應(yīng)，CDPF內(nèi)碳黑發(fā)生劇烈氧化，最高溫度和最大溫度梯度升高，再生效率和效能比也隨之升高。

來(lái)流參數(shù)； 灰沉積； 催化型柴油機(jī)顆粒捕集器； 再生

柴油機(jī)以燃油經(jīng)濟(jì)性好、CO2排放低和性能可靠備受關(guān)注，但其PM排放是同排量汽油機(jī)的30～80倍[1-2]，嚴(yán)重制約其應(yīng)用。目前，壁流式顆粒捕集器是公認(rèn)的降低PM排放最有效的裝置之一[3]，其捕集效率可達(dá)95%以上[4-5]。但隨PM在捕集器內(nèi)部的沉積，DPF兩端壓降會(huì)逐漸升高，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，因此需要對(duì)沉積的顆粒物進(jìn)行清除[6-8]。當(dāng)前，催化型柴油機(jī)顆粒捕集器(CDPF)由于催化劑作用而使炭煙具有較低的起燃溫度，因而備受各主機(jī)廠青睞，諸多學(xué)者也對(duì)CDPF進(jìn)行了相關(guān)研究。樓狄明等[9-10]研究了CDPF對(duì)柴油機(jī)顆粒物數(shù)量濃度的影響和CDPF在公交車實(shí)際道路上的顆粒物數(shù)量、質(zhì)量排放，但以上研究均未涉及CDPF內(nèi)部再生性能；Kiyoshi Yamazaki 等[11]研究了兩種灰沉積對(duì)催化劑催化效果的影響，結(jié)果表明，隨著灰顆粒層厚度的逐漸增大，活化能逐漸增大，但該結(jié)果是基于單通道試驗(yàn)，與整個(gè)CDPF沉積時(shí)相差較大，有必要開展整個(gè)載體的再生情況。本研究利用外加熱源再生性能測(cè)試臺(tái)架，研究了來(lái)流參數(shù)及灰沉積對(duì)CDPF再生性能的影響規(guī)律，并比較了DPF和CDPF在再生性能上的差異，為CDPF的再生優(yōu)化和控制策略制訂提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

借鑒并改進(jìn)文獻(xiàn)[12]中的加載方法，搭建了顆粒/灰加載裝置(見圖1)。裝置包括三部分：顆粒發(fā)生段、加載主體段和抽吸段。空氣壓縮機(jī)提供高壓干燥空氣，在流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)下，空氣進(jìn)入顆粒發(fā)生器，將碳黑揚(yáng)起，形成氣溶膠；在工業(yè)吸塵器的抽吸下，氣溶膠進(jìn)入加載主體段，使得顆粒在DPF內(nèi)沉積，實(shí)現(xiàn)顆粒的加載。采用該加載方式，顆粒的沉積與DPF實(shí)際使用確實(shí)存在差異，但本研究?jī)H針對(duì)CDPF內(nèi)部再生性能，暫不考慮加載方式的影響。因此利用本加載方法，既能實(shí)現(xiàn)快速便捷的顆粒加載，又能保證試驗(yàn)的重復(fù)性。

試驗(yàn)搭建的外加熱源再生臺(tái)架見圖2。主要包括流量控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、再生主體段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分?？諝鈮嚎s機(jī)提供的壓縮干燥空氣，在質(zhì)量流量計(jì)精確控制下，經(jīng)加熱器加熱后，進(jìn)入DPF再生主體段加熱載體，后排入大氣。載體內(nèi)部溫度場(chǎng)變化由溫度傳感器測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡和LabView軟件采集，能在線顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。再生試驗(yàn)中，對(duì)加熱器及再生主體段進(jìn)行了保溫，以減少熱量損失，降低測(cè)量誤差。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用被廣泛用以模擬柴油機(jī)顆粒的商用碳黑Printex-U[13]，其主要參數(shù)見表1。同時(shí)，由于灰是由長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)再生時(shí)顆粒中無(wú)法燃燒的部分累積而來(lái)，擔(dān)載真實(shí)灰則需要大量的工作，因此選用直徑與真實(shí)灰相近的飛灰來(lái)模擬真實(shí)灰，其主要參數(shù)見表2。

表1 碳黑主要參數(shù)

表2 灰主要參數(shù)

試驗(yàn)選用的DPF載體為國(guó)產(chǎn)堇青石壁流式非催化型載體(直徑144 mm，長(zhǎng)度152 mm，孔目數(shù)15.5 孔/cm2)，催化劑采用高比表面積(150 m2/g)TM型Al2O3，貴金屬Pt負(fù)載量為0.177 g/dm3。

1.3 試驗(yàn)方法

本研究利用加載臺(tái)架進(jìn)行碳黑加載，并利用外加熱源再生性能測(cè)試臺(tái)架開展再生試驗(yàn)。根據(jù)來(lái)流參數(shù)對(duì)DPF再生性能影響的試驗(yàn)結(jié)果選擇如下的試驗(yàn)條件：碳黑擔(dān)載量5 g/L，來(lái)流流量16.8 g/s，來(lái)流氧體積分?jǐn)?shù)21%，來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間500 s，1 000 s，2 000 s，來(lái)流溫度范圍425～475 ℃[14]；根據(jù)文獻(xiàn)[11]及灰沉積對(duì)壓降的影響綜合考慮，灰擔(dān)載量選擇為1 g/L和5 g/L。

載體內(nèi)的溫度測(cè)點(diǎn)分布見圖3，總共布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在CDPF軸心布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，外圈徑向入口、中部及出口位置均布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中，為了評(píng)價(jià)再生性能而定義了如下參數(shù)：1)Tmax，載體內(nèi)部達(dá)到的最高溫度；2)溫度梯度(dT/dx)，以軸向相鄰測(cè)點(diǎn)中后點(diǎn)溫度減去前點(diǎn)溫度，并除以兩測(cè)點(diǎn)間距，溫度梯度最大值為(dT/dx)max；3)再生效率η，利用稱重法得到再生前后的質(zhì)量差，即可得到整個(gè)再生過(guò)程的再生效率η；4)效能比ε，利用該參數(shù)可以評(píng)價(jià)能量利用率，其計(jì)算公式為

式中：cp為定壓比熱容；qm為來(lái)流質(zhì)量流量；T1為DPF入口溫度；T0為來(lái)流初始溫度；t為加熱器加熱時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 來(lái)流溫度對(duì)CDPF再生性能的影響

來(lái)流溫度對(duì)CDPF再生性能的影響規(guī)律見圖4和圖5，試驗(yàn)條件為碳擔(dān)載量5 g/L，來(lái)流流量16.8 g/s，來(lái)流氧體積分?jǐn)?shù)21%，來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間1 000 s。由圖4可知：隨著來(lái)流溫度的增加，再生最高溫度和最大溫度梯度先基本保持不變，后迅速增大，存在來(lái)流溫度敏感區(qū)域(來(lái)流溫度大于450 ℃)。分析其原因：來(lái)流溫度較低時(shí)，CDPF內(nèi)碳黑在催化劑的作用下發(fā)生緩慢氧化反應(yīng)，反應(yīng)速率低；隨著來(lái)流溫度的升高，碳黑在催化劑的作用下發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，反應(yīng)速率迅速增大，載體的最高溫度和最大溫度梯度迅速上升。由圖5可知：隨著來(lái)流溫度的增加，CDPF的再生效率和效能比逐漸增加，且在來(lái)流溫度為425 ℃時(shí)已具有13%的再生效率。其原因是在催化條件下，來(lái)流溫度的升高有利于碳黑氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2 來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)CDPF再生性能的影響

來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)CDPF再生性能的影響規(guī)律見圖6和圖7，試驗(yàn)條件為碳擔(dān)載量5 g/L，來(lái)流流量16.8 g/s，來(lái)流溫度450 ℃，來(lái)流氧體積分?jǐn)?shù)21%。由圖6可知：隨著來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，最高溫度基本保持不變，最大溫度梯度略有增大。分析其原因：溫度脈沖持續(xù)時(shí)間的增

長(zhǎng)對(duì)碳黑反應(yīng)速率影響不大，但會(huì)使整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中載體吸收的熱量增加。由圖7可知：隨著來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，再生效率逐漸增大，但效能比逐漸降低。分析其原因：隨著來(lái)流溫度脈沖時(shí)間的增長(zhǎng)，碳黑的反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)，其再生總量增加，而溫度脈沖持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)造成了較大的能耗增加，其能量利用率下降。通過(guò)增長(zhǎng)來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間來(lái)提高再生效率是一種不經(jīng)濟(jì)的方式。

2.3 灰沉積對(duì)CDPF再生性能的影響

灰沉積對(duì)CDPF再生性能的影響規(guī)律見圖8和圖9，試驗(yàn)條件為碳擔(dān)載量5 g/L，來(lái)流流量16.8 g/s，來(lái)流溫度450 ℃，來(lái)流氧體積分?jǐn)?shù)21%，來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間1 000 s。由圖8可知：隨著灰沉積量的逐漸增大，最高溫度和最大溫度梯度保持不變。分析其原因：碳黑在CDPF內(nèi)緩慢氧化，氧化釋放的熱量被來(lái)流迅速帶走，最高溫度和溫度梯度主要受來(lái)流溫度的影響。由圖9可知：隨著灰沉積量的逐漸增大，再生效率和效能比均逐漸降低；再生效率最大降幅為14%，根據(jù)再生效率擬合公式計(jì)算得，當(dāng)灰擔(dān)載量13 g/L時(shí)，再生效率為0。分

析其原因：CDPF內(nèi)碳黑的氧化是一個(gè)固(催化劑涂層)—?dú)?氧氣)—固(碳黑)反應(yīng)，而灰沉積在CDPF催化劑涂層上，形成灰顆粒層，阻礙了催化劑涂層和碳黑的直接接觸，增大了活性氧原子的移動(dòng)距離，反應(yīng)速率下降，再生效率和效能比逐漸降低?；页练e在一定程度上降低再生性能，有必要定期清灰。

2.4 DPF與CDPF再生性能差異比較

DPF與CDPF在起燃溫度上相差較大，其再生性能亦有較大差異。選擇CDPF主動(dòng)再生溫度(475 ℃)比較了DPF與CDPF再生性能差異，結(jié)果見圖10和圖11，試驗(yàn)條件為碳擔(dān)載量5 g/L，來(lái)流流量16.8 g/s，來(lái)流溫度450 ℃，來(lái)流氧體積分?jǐn)?shù)21%，來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間1 000 s。由圖10可知：DPF再生最高溫度和溫度梯度均低于CDPF，且DPF的最高溫度基本等于來(lái)流溫度。分析其原因：DPF內(nèi)的碳黑在475 ℃時(shí)基本不發(fā)生氧化反應(yīng)；而CDPF由于具有催化劑的作用，使得碳黑在較低的來(lái)流溫度下就能發(fā)生反應(yīng)，且475 ℃接近于CDPF主動(dòng)再生的來(lái)流溫度，CDPF內(nèi)的碳黑劇烈反應(yīng)，最高溫度和最大溫度梯度迅速增大。由圖11可知：DPF內(nèi)的碳黑再生效率低，效能比低；而CDPF內(nèi)碳黑劇烈再生，再生效率激增至50%，效能比也隨之升高。其原因是CDPF在催化劑的作用下碳黑的起燃溫度低，再生過(guò)程容易發(fā)生。與DPF相比，CDPF具有較低的起燃溫度，亦能降低主動(dòng)再生時(shí)的升溫壓力。

3 結(jié)論

a) 隨著來(lái)流溫度的增加，載體的最高溫度和最大溫度梯度先保持不變，后迅速增大，存在快速升高區(qū)域(來(lái)流溫度大于450 ℃)；再生效率逐漸增大，效能比也逐漸增加；

b) 隨著來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，載體的最高溫度基本保持不變，最大溫度梯度略有增大；再生效率逐漸增大，但效能比卻逐漸降低；通過(guò)增長(zhǎng)來(lái)流溫度脈沖持續(xù)時(shí)間來(lái)提高再生效率是一種不經(jīng)濟(jì)的方法；

c) 隨著灰沉積量的逐漸增大，最高溫度和最大溫度梯度保持不變，再生效率和效能比逐漸降低；灰沉積在一定程度上影響DPF再生性能，有必要定期對(duì)其進(jìn)行清灰處理；

d) 在來(lái)流溫度接近CDPF主動(dòng)再生溫度(475 ℃)下，DPF內(nèi)碳黑基本不發(fā)生氧化反應(yīng)，CDPF內(nèi)碳黑發(fā)生劇烈氧化，最高溫度和最大溫度梯度升高，再生效率激增至50%，效能比亦升高；與DPF相比，CDPF具有較低的起燃溫度，亦能降低主動(dòng)再生時(shí)的升溫壓力。

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[編輯： 袁曉燕]

Experimental Investigation on CDPF Regeneration Performance

LI Lu1, MENG Zhongwei2, CHEN Chao1, ZHANG Chuan1, YAN Yan1, BAI Weilian2

(1. Vehicle Measurement, Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province, School of Automobile and Transportation, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. Zhejiang Tong Yuan Material Tech., Ltd., Wenling 317500, China)

Based on the regeneration test bench with additional heater, the influences of incoming flow parameter and deposited ash on the regeneration performance of catalytic diesel particulate filter (CDPF) were investigated and the regeneration performance between DPF and CDPF was compared. The results showed that the maximum temperature and maximum temperature gradient of carrier kept constant firstly and then increased rapidly and the regeneration efficiency and the regeneration performance ratio increased with the increase of incoming flow temperature. With the duration of incoming flow temperature pulse, the maximum temperature kept constantly, the temperature gradient increased slightly, the regeneration efficiency increased, but the regeneration performance ratio decreased. With the increase of deposited ash, the maximum temperature and maximum temperature gradient of carrier kept constantly and the regeneration efficiency and regeneration performance ratio decreased. Compared with DPF, the carbon black of CDPF oxidized severely at 475 ℃, the maximum temperature and maximum temperature gradient of carrier increased, and the regeneration efficiency and the regeneration performance ratio increased.

incoming flow parameter; ash deposit; catalytic diesel particulate filter; regeneration

2015-07-10；

2015-09-15

教育部“春暉計(jì)劃”合作科研項(xiàng)目(Z2014058)；發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電控系統(tǒng)及尾氣后處理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)集群項(xiàng)目(成財(cái)教[2013]265)；四川省重點(diǎn)科技項(xiàng)目(2011JYZ014)；西華大學(xué)重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(Z1120319)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(ycjj2015040)

李路(1991—)，男，碩士，主要從事柴油機(jī)顆粒捕集器再生方面的研究； liluxhu@foxmail.com。

孟忠偉(1980—)，男，教授，博士，主要從事柴油機(jī)顆粒物捕集器方面的研究；mengzw@mail.xhu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.010

TK424.5

B

1001-2222(2015)05-0050-05