柴油颗粒过滤器活性再生系统的应用-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

 摘要：已研制出一种清除柴油颗粒过滤器(DPF)上沉积的柴油颗粒(PM)的柴油颗粒过滤器活性再生系统。DPF是一种有效降低柴油车PM排放的装置。论述了降低PM排放的活性清洁型加热再生(TR)系统的几种应用。用一台15．8 L柴油机提供的排气流采集试验单元数据。试验目标是估计过滤器再生过程中，发动机和TR组合时的稳态HC、CO和NO 排放。数据表明，在稳定状态下的、与结构(单路、双路式)有关的HC和CO排放只有略微增加。数据还表明，再生过程中TR对N0 排放的影响非常小。在2种不同的柴油机上按FTP循环试验了活性清洁型加热再生器，这些试验表明该系统可降低PM 80 以上。还在几种汽车上安装了不同结构的活性再生系统：在4．8 L柴油机上安装1O in∞单路装置，在5．5 L和6．1 L柴油机上安装了12 in单路装置，在12．5 L和14．6L柴油机上安装了12 in双路装置。试验证明用活性清洁型加热再生器可消除可见的PM 排放。这些试验显示了该装置在广泛的应用中具有明显降低柴油机颗粒排放的潜力。

    关键词：颗粒 活性清洁型 过滤器再生 单路式双路式

    1 前言

    DPF是一种清除柴油机排气中PM的有效装置。一旦过滤器负荷达到PM 约5 g／L时，过滤器必须再生。可采用几种方式再生颗粒过滤器，但无论是钝性再生或活性再生，都应遵守几个基本原则。在有氧的情况下，颗粒在≥600℃ 时燃烧。但不同的再生方式，其引燃方法是不同的。一般在钝性再生中，过滤器具有贵金属催化剂。催化剂层使燃烧温度降低到接近250℃[1]。该系统必须依靠发动机获得需要的温度来再生过滤器。活性再生时可能需要补充加热，以提高排气温度，从而获得有效再生。

    本文介绍了一种发动机独立型活性再生系统。排气中柴油的燃烧使温度上升到650℃ ，这一温度可使过滤器中的PM 氧化。高负荷状态下排气中氧浓度低，补充空气可改善燃烧。这种系统已安装在公路或越野载重车的柴油机上，并显示出具有满足非常严格的PM标准的巨大潜力。

    2 系统说明

    活性清洁型加热再生系统由2个主要的部件组成(图1)：附加控制部件(ACU)和TR部件。ACU包括1个电子控制单元(ECU)、1个气泵、1个油泵、控制阀和压力调节器。ECU处理传感器的信号，激发再生并根据发动机工况的变化灵敏地调节再生器的燃油量，控制过滤器的再生温度。TR使排气中的燃油燃烧，将排气温度提高到650℃左右。

                 

                     图l 活性清沽型加热再生系统(TR)：TR部件和ACU

    安装活性清洁型加热再生器，需要连接汽车的下列接口：(1)12 V或24 V电源；(2)压缩空气；(3)柴油(从汽车油箱)；(4)与发动机的接口(如果有ECU)。

    3 系统运行

    TR过滤器总成以全部排气通过总成的方式安装。PM 收集在过滤器中。PM 的累积率取决于发动机排放的PM 质量流量。因此，再生频率取决于几个因素，如发动机大小、用途、过滤器类型和尺寸以及其他运转工况。过滤器的条件(如温度、压力等)由ECU通过各种传感器连续监控。另外，ECU 也可与发动机的电子控制(在可能的地方)连接，监控发动机状况，如转速、歧管压力、进气流量等。该接口可进一步提高系统效率，延长再生间隔时间，并依据排气的流量和温度限制最大理论供油量，提高安全性。一旦达到一组给定的发动机工况时，ECU将激发再生。ECU连续监控背压和再生间隔时间。ACU中的燃油泵接收汽车油箱的柴油。汽车空气箱的压缩空气用于雾化TR 中的燃油。ACU中的空气泵为燃烧提供空气。然后TR 内的电极点燃油气混合物。为了保持过滤系统中合适的再生温度(～650℃)，用ECU调节燃油流量。该系统可在发动机万有特性曲线图的整个范围内运行。但是，稳定的转速和负荷工况有助于促进再生顺利完成。

    4 系统配置

   活性清洁型加热再生系统主要有4种可用的配置：装10 in过滤器的单路装置；装12 in过滤器的单路装置；装10 in过滤器的双路装置；装12 in过滤器的双路装置。多种配置可以适应不同规格的发动机。

    为一种专门应用选择正确的配置时，必须考虑发动机排量和功率。功率较大的大型发动机有较高的排气流量。要降低系统的背压并保持再生的稳定性，高排气量时须配置较大直径的双路式TR(图2)。

                

     5 结果

     5．1 匹配l5．8 L柴油机的性能曲线

    活性清洁型加热再生器装在一台15．8 I 柴油机上，在试验室中按表1的工况进行了试验。

                    

    在排放试验室中试验了单路和双路式系统。第一轮试验用图3所示的单路式配置进行。怠速(600r／min，无负荷)时的性能曲线见图4，排气温度从70℃上升到650℃ 大约用了3 min。开始燃烧时，CO和HC达到峰值，但过滤器进口温度稳定后，HC排放从45 x 10 降到11×10～ 。这说明发动机排出的部分HC在TR 中氧化了。颗粒的部分燃烧使排气管CO含量从86×10 增加到165×10～ 。同时测量了TR前后的NO 含量(未标出)，结果表明在再生过程中，TR对N0 几乎无影响，记录了供油结束前CO和HC峰值。

                       

    同样，系统在1 150 r／min、950 N·m 时进行相似的试验(图5)。值得注意的差异只是进口温度接近650℃ 时CO和HC的峰值。这一现象的部分原因是温度接近650℃ 时，过滤器内部沉积的PM着火的缘故。过滤器内的燃烧可能使局部氧不足并由此产生C0。另外，HC和CO峰值的原因是系统接近控制温度时供油量增加了。再生中和再生后压力的下降表明，沉积的PM 成功地被氧化了。

                    

               图5 1 1 50 r／min、950 N·m时单路式TR的性能曲线

      在1 400 r／min和990 N·m时(图6)更难达到控制温度，单路式系统使过滤器进口温度不足4 min就增加到650℃ 。在此情况下，CO 和HC分别是700×lO 和250×lO 。较高的排气量通过过滤器使背压高于前面的情况。

                   

               图6 1 400 r／min、990 N·m(195 hp)时单路式TR的性能曲线

    排气质量流量的进一步增加使再生过程更困难。如图7所示，当发动机以1 400 r／min、2 372 N·rn(470 hp)运行时，装置不能达到650 oC。当试图达到控制温度时，系统会排放大量的C0和HC，直到接近450 S时发动机返回到低、怠速才结束。在排气流量高、温度低的情况下试验单路式系统。要模拟这种情况，发动机以2 000 r／min、680 N·rn(190 hp)运行。进入空气的质量流量和排气温度分别是360 g／s和270℃ 。这时需从活性清洁型加热再生器输入高能量(>l3O kw)。图8表明过滤器进口温度没有达到650℃ ，CO超过1 500×lO～ 。另外，HC的读数超出测量范围(标定在1 150×lO )。图7和8给出的、最后2种情况的性能曲线表明，当排气质量流量高时，12 in单路式活性清f占型加热再生器不足以有效地燃烧PM。要解决这一问题，在相同的发动机和工况下进行了12 in双路系统(图2)试验。

       

    12 in双路式TR 明显比单路系统好(图9)。1 400 r／rnin、2 535 N·m(500 hp)时，不到2 min进口温度就升到650℃ 。在再生过程中，CO和HC浓度分别为300×10 和80×10一。即使在最困难的条件(高排气量和低排气温度)时，双路式系统也取得了成功(图10)。

                        

                  图9 1 400 r／rain、2 535 N·m(500 hp)时双路式TR的性能曲线

                        

                     图10 2 000 r／rain、680 N·m(190 hp)时双路式TR的性能曲线

    5．2 美国FTP循环的性能

    在稳定状态情况下完成了上述试验。更准确地说，当发动机以恒定的转速和扭矩运行时，活性清洁型加热再生器完成了再生循环。为了评估系统的瞬态性能，将单路系统安装在2种不同的小型柴油机上，并用美国联邦试验规范(FTP)循环评估。第一台发动机是5．5 I 发动机(标定速度：2 300 r／min，标定功率：230 hp，排放控制：欧2标准)。FTP中的转速和扭矩见图ll。

                  

    在试验前，发动机运行2 h使过滤器加载。然后发动机通过1次冷起动FTP和1次热起动FTP循环。在接着的热FTP循环的前10 min过滤器被还原。测量进口和出口温度见图12。TR不工作完成第三次热FTP循环。第四次FTP循环中PM 降低92 。TR还在一台旧的发动机(6．11 L，标定转速：2 000 r／min，标定功率：140 hp，型号年：1988)上进行了试验。系统性能见图13。在4次FTP循环中，PM 降低80 9／6。

    5．3 工业应用

    活性清洁型加热再生器安装在几种工业应用中：(1)单路式TR(10 in)安装在4．8 L小型发动机驱动的微型汽车上(图14)；(2)双路式TR(12 in)安装在14．6 I 发动机驱动的公路载货车上；(3)双路式TR(12 in)安装在l2．5 L发动机驱动的公路用载货车上(图15)。

                     

                       

    10 in单路式TR证明系统可在较小的4．8 L发动机上应用。安装试验证明，系统有能力在地下矿场的艰苦作业条件下工作。排放控制在地下矿场非常重要，因为那里的空气质量取决于车辆排放和矿场通风系统。在这些车辆上使用活性清洁型加热再生器可降低PM 排放，并改善空气质量。

                       

    l2 in双路式TR安装在14．6 I 发动机驱动的、更旧的公路载货车上，证明该系统可消除大量的PM。试验安装系统有效消除一般公路用载货车专用大型柴油机的大量PM。在这种汽车上使用活性清洁型加热再生器消除了汽车未装该装置前出现的大量可见PM。

    l2 in双路式TR安装在一台12．5 L发动机驱动的新公路用载货车上，证明该系统可用在以排放控制技术为基础的发动机上。

    这种安装检验了该系统消除发动机排出的少量可见PM 的能力。只要安装TR系统就可收集并消除这种现代发动机排出的PM。在这种汽车上使用活性清洁型加热再生器进一步降低了PM排放。

    6 结论

    活性清洁型加热再生系统可在任何发动机工况下再生过滤器。该系统可在低怠速、低排气温度以及钝性系统无效时再生过滤器。试验和现场装置证明单路式TR系统在小型发动机上有效，大直径双路式系统扩大了TR系统的能力，适用于较大的发动机。

    美国FTP循环试验表明，一台欧2柴油机的PM 降低了92 9／6，而一台l988年型越野车发动机的PM 降低了8O 。目前的安装证明该系统可用于各种汽车。在几种工业应用中对活性清洁型加热再生系统进行了评估，并已显示出该系统具有达到未来柴油排放法规的巨大潜力。

上海联兵环保科技有限公司
地址：上海市松江区工业区茸北分区茸阳路69号
总机：021-51691929
传真：021-57784244
免费电话：400-600-5030
技术支持：13641659499
E-mail：zhanglianbing@126.com
http://www.shlbhb.com