装有DPF的轻型柴油车颗粒物排放特性的研究

微粒特性对柴油车DPF颗粒沉积影响的实验研究
蒲云飞;孟忠伟;王青春
【期刊名称】《成都电子机械高等专科学校学报》
【年(卷),期】2018(021)004
【摘要】基于柴油机颗粒捕集器(DPF)沉积可视化装置,利用碳黑模拟柴油机颗粒物进行了碳黑微粒特性对DPF内颗粒沉积过程影响的实验研究.研究结果表明:随碳黑颗粒沉积高度的增长,DPF过滤压降可以被划分为典型的深床过滤、过渡阶段以及颗粒层过滤三个阶段;在各颗粒层下,过渡阶段结束时的颗粒层高度为20μm左右;在深床过滤阶段,颗粒原生粒径与BET比表面积综合起来相对较小就更能获得更大的压降;颗粒层渗透系数、孔隙率同时受到比表面积和粒径的共同影响.
【总页数】4页(P52-55)
【作者】蒲云飞;孟忠伟;王青春
【作者单位】成都航空职业技术学院汽车工程学院,成都610100;西华大学汽车与交通学院,成都610039;西华大学汽车测控与安全四川省重点实验室,成都610039;成都航空职业技术学院汽车工程学院,成都610100
【正文语种】中文
【中图分类】TK421
【相关文献】
1.DPF对柴油车微粒物排放的影响研究 [J], 徐月云;侯献军;方茂东
2.过滤速度对DPF内颗粒沉积特性影响的试验研究 [J], 孟忠伟;蒲云飞;闫妍;韩伟
强
3.柴油机DPF湍流通道内微粒形态对微粒输运特性的影响 [J], 孙春华;宁智;白振霄;吕明;李元绪;付娟
4.DPF内颗粒沉积特性分析 [J], 蒲云飞;孟忠伟
5.微粒特性对柴油车DPF颗粒沉积影响的实验研究 [J], 蒲云飞;孟忠伟;王青春;;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

柴油机尾气排放颗粒物的控制与减少研究柴油机尾气排放颗粒物一直是环境污染的重要源头之一，对空气质量和人体健康带来不小的影响。

因此，对柴油机尾气排放颗粒物进行控制与减少的研究具有重要的理论和实践意义。

一、颗粒物生成机理及影响因素颗粒物的生成机理是影响控制与减少颗粒物排放的关键，柴油机尾气中的颗粒物主要来源于燃料的不完全燃烧和机油的挥发产物。

在燃烧过程中，柴油的燃烧质量与燃烧完全程度密切相关。

同时，燃烧室内温度、压力和混合气质量比等也会影响颗粒物的生成。

因此，通过提高燃烧效率、优化燃烧参数等措施，可以有效控制颗粒物的生成。

二、控制与减少颗粒物排放的技术手段1. 改进燃烧过程改进燃烧过程是降低颗粒物排放的有效方式之一。

采用高效燃烧室和先进的燃烧技术，可以使燃油完全燃烧，减少不完全燃烧产物的生成。

在掺混燃料和增加空气过剩系数的情况下，可以提高燃烧效率，减少颗粒物的形成。

2. 选用低排放燃料燃料的选择对颗粒物排放有重要影响。

低硫燃料和低芳烃燃料的应用可以降低颗粒物的排放。

此外，通过添加一些助燃剂和催化剂，可以促进燃料的完全燃烧，减少颗粒物的生成。

3. 安装颗粒物捕集装置安装颗粒物捕集装置是目前控制柴油机尾气排放颗粒物的常用方法。

颗粒物捕集装置可以使用滤筒过滤颗粒物，同时也可以利用电化学原理将颗粒物还原为原子状态分解。

这种方法不仅可以有效降低颗粒物排放，还可以对颗粒物进行后处理。

三、针对颗粒物排放的研究进展近年来，针对柴油机尾气排放颗粒物的控制与减少，研究不断进行。

在改进燃烧过程方面，研究者通过优化喷油系统和燃烧室结构，进一步提高燃烧效率，减少不完全燃烧产物的生成。

同时，开展了对颗粒物生成机理的研究，以便更好地控制颗粒物的生成。

在燃油选择方面，研究者探索了多种可替代燃油的应用，并评估燃烧效果和颗粒物生成情况。

针对颗粒物捕集技术，研究者提出了更高效的捕集装置设计和颗粒物还原方法。

此外，研究人员还通过模拟与实验相结合的方法，对颗粒物排放进行了全面评估和监测，为控制与减少颗粒物排放提供了科学依据。

柴油机颗粒物捕集系统DPF：可减排95%
佚名
【期刊名称】《农业装备与车辆工程》
【年(卷),期】2013(51)8
【摘要】我国现已成为全球内燃机生产和使用大国。

但与国际先进水平相比，内燃机产品在节能环保指标上仍有较大差距，关键核心技术欠缺，节能减排标准体系不健全，高能耗、高排放、低性能内燃机产品仍在广泛使用。

【总页数】1页(P23-23)
【关键词】节能减排;捕集系统;DPF;颗粒物;柴油机;内燃机;环保指标;标准体系【正文语种】中文
【中图分类】TK018
【相关文献】
1.不会堵塞柴油机颗粒物净化系统——依米泰克公司金属颗粒捕集器 [J],
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基于cdpf主动再生的scr工作特性研究随着汽车行业的发展，新能源汽车的技术也在不断更新和发展。

而主动再生的控制技术，也成为最新的一个技术热点，为了更新和发展汽车技术，使汽车能更经济、更环保地行驶，SCR（尾气后处理）技术被广泛用于新能源汽车，其中，CDPF（柴油颗粒滤清器）也是SCR技术重要的构成部分。

故本文将对基于CDPF主动再生的SCR工作特性进行研究，旨在探究CDPF主动再生对SCR工作性能的影响，为新能源汽车技术的发展提供重要的参考。

一、SCR技术及CDPFSCR（尾气后处理）技术是汽车排放系统的一项常见技术，其简单的原理就是利用尾气排放中的有害物质，将其还原成不会对环境造成污染的物质，从而达到汽车节能减排的目的。

而SCR技术中，CDPF （柴油颗粒滤清器）也是一个重要的组成部分，是可以收集和过滤尾气中的污染物的设备，其主要的特点就是可以把柴油机排放的PM（颗粒物）排出高度还原。

二、CDPF主动再生CDPF主动再生是一种新型的控制技术，可以实现CDPF的自动清洁，在使用多年之后，CDPF的滤网就会被柴油机排放的PM所积聚，从而影响到CDPF的过滤性能，而CDPF主动再生则可以有效地解决这种问题，在排放中添加一定量的催化剂，可以使PM被有效燃烧，从而彻底清洁CDPF，从而改善过滤性能。

三、基于CDPF主动再生的SCR工作特性研究（1）电子控制系统基于CDPF主动再生的SCR工作特性研究，必须从电子控制系统着手。

电子控制系统负责检测CDPF的过滤性能，一旦发现CDPF的滤网被积聚过多PM，就会自动启动主动再生程序，控制CDPF进行清洁，从而改善CDPF的过滤性能。

（2）催化剂的使用当电子控制系统自动启动主动再生程序后，就会在CDPF内部添加一定量的催化剂，当尾气中发生反应时，催化剂就会活化PM，使其进行有效燃烧，从而彻底清洁CDPF，从而提高CDPF的过滤性能。

（3）催化剂对PM的影响研究发现，催化剂对PM的影响是很大的，当PM在CDPF内部受到催化剂的作用，就会催化反应，使PM直接被燃烧，其反应速度很快，从而有效地清除PM，从而改善CDPF的过滤性能。

dpf可行性研究报告一、研究背景柴油颗粒过滤器（Diesel Particulate Filter，DPF）是一种用来捕捉柴油排放颗粒物的设备，它可以有效地降低柴油车辆的排放量，减少大气颗粒物的污染。

近年来，随着环保意识的增强和环境保护的要求日益严格，DPF已经成为柴油车辆的标配设备。

然而，DPF的可行性研究对于其广泛应用和进一步提高性能有着重要的意义。

二、研究目的本研究旨在深入探讨DPF的可行性，包括其技术原理、性能特点、应用领域以及未来发展方向，希望通过该研究为DPF在柴油车辆上的应用提供科学依据，同时为其进一步发展提供参考。

三、研究方法1. 文献综述：通过查阅相关文献资料，了解DPF的技术原理、性能特点、应用历程及未来发展方向。

2. 实地调研：走访柴油车辆生产厂家和DPF制造商，了解市场需求和产品实际应用情况。

3. 数据分析：对所获得的数据进行深入分析和比较，总结出DPF的可行性和发展前景。

四、研究内容1. DPF的技术原理：介绍DPF的结构和工作原理，分析其在捕捉颗粒物和减少排放中的作用。

2. DPF的性能特点：分析DPF在实际应用中的性能表现，包括捕捉效率、耐久性和清洁周期等方面。

3. DPF的应用领域：探讨DPF在柴油车辆领域的应用情况，包括重型货车、客车、工程机械等领域。

4. DPF的未来发展方向：分析全球环境保护趋势和市场需求，探讨DPF在未来的发展方向和应用前景。

五、研究成果1. 技术原理分析：DPF通过捕捉颗粒物并对其进行氧化分解净化排放气体的机制，实现对柴油车辆排放的治理。

2. 性能特点总结：通过对市场上各类DPF产品的性能分析，综合了解DPF在捕捉效率、清洁周期和耐久性等方面的表现。

3. 应用领域探讨：分析了DPF在各类柴油车辆上的应用情况，总结了其在不同领域的适用性和实际效果。

4. 未来发展前景展望：结合环保政策和市场需求，展望了DPF在未来的发展方向和应用前景。

六、研究结论1. DPF具备较高的可行性，其在柴油车辆上的应用前景广阔。

Internal Combustion Engine & Parts• 33•柴油车DPF再生时排气特性研究王继佳；陈桥(军事交通学院研究生管理大队，天津300161)摘要：柴油机颗粒过滤器（DPF，Diesel particulate Filter)被公认为处理柴油机颗粒物排放的最有效措施，但是D PF再生技术有待 进一步研究解决。

本文对基于乙醇氧化的DOC辅助D PF再生技术的排气条件特性进行了研究，能更好寻找乙醇喷射时间点和规律，减少再生时产生的有毒气体。

关键词：DPF;乙醇喷射;排气特性0引言DPF工作一段时间后PM堆积粘附在过滤壁上，气体通过性显著下降，产生较大空气阻力，反作用于发动机[|]。

此时，必须及时除去颗粒物捕集器积存的颗粒，才能使发动机和颗粒物捕集器正常工作，这个过程称为再生。

目前，热再生技术主要包括:燃烧器再生、电加热再生、微波加热再生和喷乙醇助燃再生。

基于乙醇氧化的DOC辅助D PF再生技术是军事交通学院唐粵清、张卫锋等人设计的再生方法，利用乙醇燃点低等特性，采用向过滤体内部喷射乙醇的方式点燃PM实现再生，如图1所示[2]。

该方法成本较低，但乙醇在高温时发生复杂的化学反应，易生成有毒物质。

所以需要对 DPF再生时的排气条件进行研究，寻找适宜的乙醇喷射时 间点，防止有毒物质的生成。

1再生技术介绍乙醇的碳链相比柴油较短，且常温常压下乙醇的沸点 为78.5益，而柴油的沸点大于180益，乙醇在排气温度下更 易挥发成乙醇蒸汽，因此乙醇的喷射压力比柴油的喷射压 力小。

DPF再生系统通过对柴油机运行工况以及排气条件 进行监控，当判断柴油机排气条件符合系统再生条件时，在排气管道内喷射适量的乙醇，乙醇在气流和排气温度的 作用下雾化，利用DOC将乙醇蒸汽氧化，使D PF入□温 度达到颗粒物氧化所需的温度，从而实现DPF再生。

根据再生系统的原理和功能需求，由于乙醇沸点低，直接用喷嘴在排气管道中喷射乙醇可能出现气阻，因此确 定乙醇供给模块采用气助式喷射方式。

第39卷（2021）第3期内 燃 机 学 报 Transactions of CSICEV ol.39（2021）No.3收稿日期：2020-07-25；修回日期：2020-11-27．基金项目：国家自然科学基金资助项目(51676167)；四川省科技厅青年科技创新研究团队资助项目(2017TD0026)；四川省科技厅重大科技专项资助项目(2019YFS0499)；四川省教育厅科研创新团队资助项目(17TD0035)；四川省科技计划资助项目(2019YJ0594)；西华大学重点研发资助项目(Z17101)；流体及动力机械教育部重点实验室开放课题资助项目(szjj2018-135)；西华学者和青年学者支持资助项目(21010010)． 作者简介：孟忠伟，博士，教授，E-mail ：*************** ． 通信作者：方 嘉，博士，副教授，E-mail ：**************** ．DOI: 10.16236/ki.nrjxb.202103033DPF 再生时出口气体和颗粒排放特性的试验孟忠伟1, 2，谭 杰1, 2，方 嘉1, 2，覃子涵1, 2，秦 源1, 2，蒋 渊1, 2(1. 西华大学 流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039；2. 西华大学 汽车与交通学院，四川 成都 610039)摘要：基于再生性能测试台架，采用便携式固体颗粒物计数仪(Nanomet3)和气体分析仪，研究了不同再生温度与来流流量下柴油机颗粒捕集器(DPF )再生时出口气体和颗粒的排放特性．结果表明：DPF 再生存在快速再生期，随着再生温度升高，快速再生期的时间缩短，使DPF 出口的CO 和CO 2体积分数增加、排放的积聚态颗粒物增加且再生效率和效能比提高．随着来流流量增加，快速再生期的时间延长，DPF 出口的CO 和CO 2体积分数减少．在来流流量为25.2g/s 时积聚态颗粒明显减少，但再生效率和效能比也最低．根据出口气体排放情况可以清晰反映DPF 的再生情况，为再生策略制定提供重要的试验参考． 关键词：柴油机颗粒捕集器；排放特性；来流流量；再生效率；效能比中图分类号：TK421.5 文献标志码：A 文章编号：1000-0909(2021)03-0257-08Experimental Study on Emission Characteristics at the Outletof DPF During RegenerationMeng Zhongwei 1, 2，Tan Jie 1, 2，Fang Jia 1, 2，Qin Zihan 1, 2，Qin Yuan 1, 2，Jiang Yuan 1, 2(1. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery ，Ministry of Education ，Xihua University ，Chengdu 610039，China ；2. School of Automobile and Transportation ，Xihua University ，Chengdu 610039，China ) Abstract ：Based on the regeneration performance test bench ，emission characteristics at the outlet of diesel par-ticulate filter (DPF )dur ing r egener ation under differ ent r egener ation temper atur es and flow r ate wer e studied ex-perimentally by using a portable solid particle counter (Nanomet3)and an exhaust gas analyzer. The experimental results show that there is a rapid regeneration period during the DPF regeneration. With the increase of regeneration temperature ，the duration of rapid regeneration period is shortened ，leading to increase in the volume fraction of CO and CO 2，the aggr egated par ticle ，the r egener ation efficiency and the efficiency r atio. As the flow r ate in-creases ，the duration of rapid regeneration is prolonged ，leading to a decrease in CO and CO 2 volume fraction. When the flow rate increases to 25.2g/s ，the aggregated particles are significantly reduced ，but the regeneration efficiency and efficiency ratio are still very low. The emission characteristics at the outlet of the DPF during the re-generation provides an important experimental reference for the development of regeneration strategy.Keywords ：diesel pa r ticulate filte r (DPF )；emission cha r acte r istics ；flow r ate ；r egene r ation efficiency ；efficiency ratio柴油机拥有热效率高、燃油经济性好且可靠性高等优点，被大量应用于载货汽车及重型设备上[1-2]，柴油机颗粒捕集器(DPF )是目前机外降低颗粒物排放最有效的系统之一，其过滤效率可达95%以上[3-5]．欧洲已从2013年1月全面实施欧Ⅵ排放法规，对颗粒物质量(PM )和颗粒物数量(PN )指标提出限制，强制·258· 内 燃 机 学 报 第39卷 第3期要求柴油机加装DPF [6-7]．随着柴油机的运行，颗粒物在DPF 内不断沉积，使得DPF 两端压降升高，影响发动机性能，所以需要使用再生技术对沉积的颗粒物进行清除，实现DPF 的再生[8-9]．其中，外加热源的主动再生技术仍是一种主要的再生技术[10]．对于DPF 的再生和排放情况，孟忠伟等[11]研究了微粒特性对DPF 再生性能的影响，结果表明：相同粒径、比表面积大的碳黑容易再生，其再生效率和效能比高．模拟可溶性有机成分(SOF )的热处理会改变内部微观结构，其更易氧化再生．Fang 等[12]探索了来流参数对DPF 再生特性和微粒排放特性的影响，研究发现，DPF 再生时温度波峰会集中出现在载体末端中心区域．在碳载量为5g/L 时，颗粒物平均粒径会随着再生温度的升高而增加，随着来流流量的增加而先升高后降低，其较优化的再生温度为550℃、来流流量为19.6g/s ．唐蛟等[13]建立了DPF 碳载量理论计算模型，提高了DPF 主动再生触发时刻判断的准确性．Rothe 等[14]基于重型柴油机研究柴油微粒在主动再生过程中的排放，结果表明：再生时出口颗粒物以80nm 的积聚态颗粒为主，且伴随着CO 等气体的产生，出口颗粒物数量浓度仅在再生初期和末期有小幅度升高，其他再生阶段时体积分数基本保持不变．Quiros 等[15]研究发现，随着再生时间的增加，DPF 出口颗粒从100nm 左右积聚态颗粒逐渐减小为20～30nm 左右的核态颗粒，且再生期内颗粒物数量浓度基本不变．同时，气体体积分数会影响DPF 的再生情况，施蕴曦等[16]以O 2为气源，利用自行设计的低温等离子体喷射系统对DPF 进行再生试验，通过监测再生产物中CO 、CO 2体积流量变化，分析了O 2流量控制策略对颗粒物的氧化分解和DPF 再生效果的影响，结果表明：采用递减流量法控制O 2流量随再生阶段由大到小变化，可达到较佳的DPF 再生效果．徐辉等[17]研究O 3/N 2氛围下微粒沉积特性对DPF 再生的影响，结果表明：DPF 内部微粒层的均匀分布可有效避免O 3穿透现象，提高O 3利用率，增大DPF 再生速度，缩短DPF 实现再生所用的时间．唐君实等[18]研究来流参数对DPF 热再生过程的影响，结果表明：随着来流氧体积分数和温度的增加，过滤体的再生时间和单位质量碳烟再生能耗减小；因而再生过程中应在保证再生安全性的条件下尽可能地提高氧体积分数．而且单位质量碳烟再生能耗随着来流质量流量的增加而增大，存在最佳质量流速使得再生时间最短． 以上研究为了解DPF 的再生过程以及控制DPF再生奠定了基础，然而对于DPF 再生时出口气体和颗粒排放特性的研究尚不充分，不足以揭示颗粒氧化过程、气体排放和颗粒排放三者之间相互关联的关系．笔者基于再生性能测试台架，研究不同再生温度与来流流量下DPF 出口的气体和颗粒排放特性，以期为深入了解DPF 的再生过程和再生性能特性、控制DPF 出口处的颗粒排放提供参考． 1 试验装置与方法1.1 试验材料 试验中的DPF 载体材质为堇青石，表1为DPF 的结构参数．试验采用Printex-U (PU )碳黑颗粒模拟真实碳烟颗粒，已有研究[19-22]表明，PU 具有较高的碳元素，是一种常用的柴油机商用模拟碳黑，主要参数如表2所示． 表1 DPF 结构参数 Tab.1 Physical properties of DPF参数 数值长度/m m 151.2 直径/m m 144.1孔密度/(个·cm -2) 15.5 过滤面积/m 2 1.32孔隙率/% 27.96 孔径/µm 7.62孔道宽度/m m 2.20 壁厚/m m 0.42表2 PU 碳黑的物理特性Tab.2 Physical properties of PU 参数 数值粒径/nm 25比表面积/(m 2·g -1) 100挥发物质量分数/% 51.2 碳黑加载装置 DPF 载体沉积碳黑的加载装置由颗粒发生器、碳黑加载主体段和抽气部分3部分组成，如图1所示．空气压缩机提供高压干燥空气，在压力调节阀的调节下进入颗粒发生器，将其内部的碳黑扬起，形成均匀气溶胶．在工业吸尘器的抽吸下，气溶胶进入DPF 主体段，使得颗粒在DPF 内沉积，实现颗粒在图1 碳黑加载装置示意Fig.1 Schematic of carbon black loading bench2021年5月孟忠伟等：DPF 再生时出口气体和颗粒排放特性的试验 ·259·DPF 载体内部的加载．图2为DPF 加载碳黑前、后的实物对比．（a ）加载碳黑前（b ）加载碳黑后图2 DPF 加载碳黑前、后对比Fig.2 Comparison of DPF before and after carbon blackloading1.3 外加热源再生台架图3为再生性能测试台架示意，主要由质量流量计、电加热器、压力传感器、再生主体段和数据采集程序组成，表3为仪器设备的测量精度．空气经空气压缩机压缩和过滤器过滤后，形成高压干燥气体，在质量流量计的控制下达到试验所设定的流量；再经过电加热器加热，升到试验设定的温度，之后高温气体进入再生主体段使得DPF 再生．DPF 再生时的温度场和压降变化数据由温度传感器和压力传感器测量，由采集程序进行采集和控制，并在线显示和存储．便携式固体颗粒物计数仪(Nanomet3)的测量原理为：通过扩散粒子分类器在单极扩散充电器中给气溶胶充电，充电后的气溶胶通过扩散阶段，在此阶段图3 再生性能测试台架示意Fig.3 Schematic of the regeneration test bench 表3 仪器设备的测量精度Tab.3 Measurement accuracy of instruments and equipment设备名称测量型号测量精度质量流量计 莱峰LF400 ±1% 电加热器 Leister 10000DF ±5℃ 温度传感器 K 型热电偶 ±1℃ 压力传感器 O m ega PX409 ±0.08% 气体分析仪 德国AGM30和Gasmitte-CO ±2%粒子会因扩散沉积产生的电流由敏感的静电计测量，剩下的粒子在第二阶段——过滤阶段进行收集，并再次测量电流．因为每个颗粒所带电荷是粒径的函数，一旦得知，就可以从总电流和流量计算出颗粒数量．将气体分析仪和便携式固体颗粒物计数仪(颗粒物数量浓度的测量范围为1.0×103～3.0×108个/cm 3、粒径的测量范围为10～300nm )的采样管插入排气管出口处分别测量尾气中的气体和颗粒物． 1.4 数据处理试验通过K 型热电偶测试DPF 内部温度，载体内部共有14个温度测点．直径为35mm 处沿轴向均匀分布5个测点；在直径为72、95和120mm 处分别有3个测点，共9个测点，具体分布如图4所示．其中，0～1.00代表DPF 载体轴向上X /L 的比值．（a ）测点轴向分布 （b ）测点径向分布图4 DPF 内部测试温度示意Fig.4 Schematic of temperature measuring points inside DPF分析DPF 再生性能时参数有in /t tt tQ εη=∑∑ (1)in p m 10()d tt Q c q T T t =−∫ (2)210/m m m η=−() (3)1122212m mV M V Mm k k V V =+ (4)式中：ε为实时效能比；in Q 为实时再生能耗；p c 为定压比热容；m q 为来流质量流量；1T 为DPF 入口温度；0T 为来流初始温度；t 为加热器加热时间；η为实时再生效率，则1η−为实时DPF 内剩余碳黑质量分数；0m 为未加载的DPF 白载体烘干之后的质量；1m 为加载碳黑后的DPF 白载体在烘干之后的质量；2m 为换算的DPF 内碳黑实时氧化的质量；1k 和2k 分别为CO 和CO 2中碳的相对分子质量所占的比例；1V 和2V 分别为CO 和CO 2的实时体积分数；1M 和2M 分别为CO 和CO 2的摩尔质量；m V 为气体的摩尔体积常数，其值为22.4L/mol ．依据单一变量的研究方法，表4为再生试验工况，其中工况1～5的变量为再生温度，工况6～10·260·内 燃 机 学 报第39卷 第3期的变量为来流流量．试验设定的DPF碳载量为5g/L，来流空气质量流量的变化范围为14.0～25.2g/s，来流氧体积分数为21%(压缩空气)，温度的变化范围为475～575℃，再生时间控制为1000s．表4再生试验工况Tab.4Experimental conditions for regeneration tests工况碳载量/(g·L-1)再生温度/℃来流流量/(g·s-1)再生时间/s1 5 475 16.8 10002 5 500 16.8 10003 5 525 16.8 10004 5 550 16.8 10005 5 575 16.8 10006 5 500 14.0 10007 5 500 16.8 10008 5 500 19.6 10009 5 500 22.4 100010 5 500 25.2 1000 2试验结果与讨论2.1不同再生温度下DPF出口气体和颗粒的排放特性2.1.1不同再生温度下DPF出口的气体排放特性图5为不同再生温度(工况1～5)下DPF出口气体排放特性．根据DPF载体内部温度的变化，可将其分为升温、再生和降温3个阶段，其中升温阶段为DPF载体达到加热器设定温度的阶段，再生阶段可细分为快速再生期和缓慢再生期．例如，当再生温度为475℃时，DPF载体达到加热器设定温度所用时间为196s，即为升温阶段；在196～610s所用的414s 为DPF载体内部最高温度高于加热器设定温度，且伴随着CO和CO2快速释放的时期，即为快速再生期；在611s～1159s所用的548s为载体内部最高温度稳定的时期，即为缓慢再生期．由图5可知，随着再生温度的增加，升温阶段的时间从196s逐渐延长到402s，快速再生期的时间从414s不断缩短到123s，且产生的CO和CO2的体积分数逐渐增加．DPF载体内部最高温度在500℃时就已经开始出现明显的温度波峰．同时，CO2体积分数波峰会在CO体积分数波峰之后出现．分析其原因：当再生温度为475℃时，DPF载体内部最高温度的峰值为494℃，无法达到碳黑颗粒的起燃温度，仅有极少量碳黑颗粒氧化，产生出少量的CO2，未产生CO．随着再生温度增加到500℃及以上，碳黑颗粒开始剧烈燃烧，DPF内部温度上升，形成温度波峰，并伴随着大量的CO和CO2产生，因此，体积分数随之上升．在升温阶段，碳黑颗粒部分燃烧，产生少量的CO和CO2．在快速再生期，更多的碳黑颗粒完全（a）475℃（b）500℃（c）525℃（d）550℃（e）575℃图5不同再生温度下DPF出口的气体排放特性Fig.5Gas emission characteristics of DPF outlets at dif-ferent regeneration temperatures2021年5月 孟忠伟等：DPF 再生时出口气体和颗粒排放特性的试验 ·261·燃烧，CO 会与来流气体中的O 2反应生成CO 2，CO 2体积分数随之上升，CO 体积分数逐渐下降，从而导致CO 2的峰值高于CO 峰值，且延后出现．在缓慢再生期，载体内部温度下降至加热器的设定温度，由于碳黑氧化释放的热量沿气流方向向后传递并聚集，从而使得缓慢再生期的温度会高于加热器的设定温度．而当再生温度增加为575℃时，DPF 载体温度在缓慢再生期继续聚集，最高达到610℃，导致CO 体积分数出现双波峰．2.1.2 不同再生温度下DPF 出口的颗粒排放特性图6为不同再生温度(工况1～5)下DPF 出口的颗粒排放特性．升温阶段出口的颗粒物数量浓度曲线均出现波峰(增加约1个数量级)且以50nm 以下的核态颗粒物为主．快速再生期除475℃外，颗粒物数量浓度和平均粒径均出现较大陡增，数量浓度最大可增加约3个数量级，平均粒径以50nm 以上的积聚态颗粒为主．在缓慢再生期，再生温度越高，DPF 出口的颗粒物数量浓度和平均粒径越高．分析其原因：在升温阶段，由于DPF 内部沉积的碳黑受到高温来流气体冲击，温度升高使气体黏度增加，导致吸附在DPF 载体内部的碳黑颗粒容易脱落，造成大量颗粒逃逸出DPF ，且以50nm 以下的核态颗粒物为主．在快速再生期，DPF 前端中心区域的碳黑氧化释放的热量沿气流方向在DPF 载体通道内向后传递并聚集，达到一定程度后，使得DPF 后端沉积的碳黑剧烈燃烧，且在载体末端中心处出现局部高温[12]．局部高温形成温度波峰，使得颗粒层结构发生巨大变化，大量团聚状颗粒物燃烧裂解后穿透DPF 载体壁面而排出DPF ，产生二次污染．在缓慢再生期，随着再生过程的进行，载体内部碳黑颗粒减少，导致排出的颗粒物数量逐渐降低，数量浓度和平均粒径不会再次出现波峰．并且随着来流气体的热量不断在载体后端堆积，再生温度越高导致DPF 出口的聚集态颗粒物越多．当再生温度为图6 不同再生温度下DPF 出口的颗粒排放特性 Fig.6 Particle emission characteristics of DPF outlets atdifferent regeneration temperatures 475℃时，载体内部最高温度并未达到碳黑的起燃温度，DPF 内碳黑颗粒并不会剧烈燃烧，因而再生阶段的颗粒物数量浓度并未出现波峰，且以50nm 以下逃逸性较强的核态颗粒为主．2.1.3 DPF 内剩余碳黑质量分数和实时效能比图7为不同再生温度下DPF 内剩余碳黑质量分数和实时效能比．DPF 内剩余碳黑质量分数随再生温度的增加而逐渐下降，即再生效率逐渐增加．随着时间的延长，实时效能比呈现先上升后下降的趋势，在快速再生期出现波峰，且再生温度越高，实时效能比越大，峰值达到1.56×10-7 J -1．在快速再生期后，效能比曲线已经进入下降趋势．因此，在快速再生期后，长时间的投入再生能耗已不能获得大幅再生效率的提升，因而建议在快速再生期后可适当缩短再生时间．随着再生温度增加，颗粒物的氧化速率越大，氧化燃烧的碳黑越多，导致再生效率越高．加热器投入的能量随着再生温度的增加而增大，再生效率增加速度高于加热器能量投入速度，能量利用率越高，实时效能比越高．当再生温度为475℃时，由于载体内部温度较低，碳黑颗粒在载体内部缓慢氧化，因而再生效率最低(9%)，且实时效能比最低．当再生温度为500℃及以上时，载体内部最高温度出现明显波峰，此时颗粒物剧烈燃烧，质量分数减少速率变快，再生效率和实时效能比变化明显．当再生温度为575℃时，再生效率达到最高(88%)．在降温阶段，由于加热器处于关闭状态，无能量投入，因而无效能比变化．图7不同再生温度下DPF 内剩余碳黑质量分数和实时效能比Fig.7Mass percentage of residual carbon black andreal -time efficiency ratio in DPF at different re -generation temperatures2.2 不同来流流量下DPF 出口气体和颗粒的排放特性 2.2.1 不同来流流量下DPF 出口的气体排放特性图8为不同来流流量(工况6～10)下DPF 出口气体排放特性．随着来流流量的增加，载体内部最高温度的峰值温度逐渐降低，升温阶段的时间从335s 不断延长到708s ，快速再生期从213s 延长到749s ，·262·内 燃 机 学 报第39卷 第3期（a）14.0g/s（b）16.8g/s（c）19.6g/s（d）22.4g/s（e）25.2g/s图8不同来流流量下DPF出口的气体排放特性Fig.8Gas emission characteristics of DPF outlets at dif-ferent flow rates CO和CO2体积分数先升高再降低．在来流流量为22.4g/s时CO体积分数出现双波峰．其原因是：随着来流流量的增加，DPF内部碳黑氧化热量被带走得越迅速，来流对载体的冷却作用越明显．因此，随着来流流量的增大，载体内部的最高温度的峰值会逐渐减小，碳黑氧化的时间增加，导致快速再生期延长．当来流流量为14.0～19.6g/s时，碳黑氧化燃烧剧烈，CO2体积分数在19.6g/s时达到最高．因为随着流量的增大，单位时间来流气体中O2质量增加，更多CO 被消耗，导致CO2体积分数增加．当来流流量为22.4g/s时，随着热量在DPF后端的聚集，载体内部最高温度出现峰值，此时燃烧最为剧烈，CO体积分数开始出现波峰．随着大量的CO会被消耗，CO体积分数会急剧降低，但由于来流流量较大，DPF载体内部最高温度的峰值温度持续时间延长，载体内部碳黑继续氧化燃烧，从而导致CO体积分数再次升高，形成双波峰．之后随着载体内部最高温度的降低，CO 和CO2体积分数逐渐下降，开始进入缓慢再生期．当来流流量为25.2g/s时，由于来流流量较大，因而升温阶段的时间延长到708s．在快速再生期，随着来流气体的热量不断在载体后端堆积，从而导致CO和CO2的体积分数增加．在缓慢再生期，由于热量堆积载体内部温度较高，碳黑会逐渐氧化，因而CO和CO2的体积分数并不会马上降低到升温前的状态．2.2.2不同来流流量下DPF出口的颗粒排放特性图9为不同来流流量(工况6～10)下DPF出口的颗粒排放特性．升温阶段的颗粒物数量浓度均出现波峰(增加约1个数量级)，且平均粒径以50nm以下核态颗粒为主．当来流流量为25.2g/s时，在快速再生期的颗粒物数量浓度和平均粒径均未出现波峰，且50nm以上积聚态的大粒径颗粒明显减少．其原因是：在升温阶段，因为DPF内部沉积的碳黑受到被加热的来流气体冲击使得气体黏度增加，所以吸附在DPF载体内部的碳黑颗粒容易脱落，导致颗粒物数图9不同来流流量下DPF出口的颗粒排放特性Fig.9Particle emission characteristics of DPF outlets at different flow rates2021年5月 孟忠伟等：DPF 再生时出口气体和颗粒排放特性的试验 ·263·量浓度均出现波峰；同时流量越大，颗粒物数量浓度的峰值越明显，且以50nm 以下逃逸能力较强的核态颗粒物为主．在来流流量为25.2g/s 时，由于来流气体会带走更多的热量，使得载体内部最高温度并未继续出现温度波峰．此时，碳黑颗粒没有剧烈燃烧，而是进行缓慢氧化，使得50nm 以上的积聚态颗粒明显减少，因而在快速再生期的颗粒物数量浓度和平均粒径并未继续出现波峰．此外，在缓慢再生期，25.2g/s 的大流量会导致更多的颗粒随着来流气体带出DPF ，使得DPF 出口的颗粒物数量浓度会略高于其他来流流量．2.2.3 DPF 内剩余碳黑质量分数和实时效能比图10为不同来流流量下DPF 内剩余碳黑质量分数和实时效能比的变化．DPF 内剩余碳黑质量分数在快速再生期明显下降，实时效能比在来流流量为14.0g/s 时最高，在25.2g/s 时最低．其原因是：在快速再生期，较小的流量使得载体内部最高温度更容易形成温度波峰，即局部高温，将导致碳黑氧化燃烧剧烈程度增加，使得DPF 内剩余碳黑质量分数明显下降．在来流流量为14.0g/s 时，载体内部出现严重的局部高温，最高温度达到约1200℃，其效能比在所有流量中为最高，峰值为9.94×10-8 J -1．这和再生温度对效能比的影响类似，小流量下载体容易形成局部高温，再生效率较高，也能获得较大的效能比．但此时载体内部的局部高温容易造成DPF 载体的热熔损坏，需要综合进行权衡．在来流流量为22.4～25.2g/s 时，虽然加热器投入的能量不断增大，但由于大流量下来流的冷却作用明显增加，使得剩余碳黑的质量分数下降缓慢，因而再生效率不高；此时，来流流量的增大将导致能量利用率不高．图10 不同来流流量下DPF 内剩余碳黑质量分数和实时效能比Fig.10 Mass percentage of residual carbon black and real -time efficiency ratio in DPF at different flow rates2.3 不同阶段下DPF 的再生效率变化图11为不同再生温度(工况1～5)和不同来流流量(工况6～10)下DPF 的再生效率变化．随着再生温度的升高，再生效率从9%增加到88%．当再生温度为575℃时，缓慢再生期的再生效率达到最高(43%)；同时不同来流流量的快速再生期的再生效率在整个再生过程中占主要比例．其原因是：随着再生温度的升高，颗粒物的氧化速率逐渐增加，相同再生时间内氧化燃烧的碳黑增多，使得再生效率不断增加．当再生温度提升为575℃时，缓慢再生期的载体内部最高温度达到600℃左右，释放的CO 和CO 2体积分数增加，使得再生效率达到43%．随着来流流量的逐渐增加，虽然升温阶段的时间明显增加，但是由于CO 和CO 2的释放集中在快速再生期，因而使得快速再生期的再生效率占比达到80%左右．图11 不同工况下DPF 的再生效率变化Fig.11Regeneration efficiency of DPF under differentconditions3 结 论(1) 随着再生温度的升高，快速再生期的时间缩短，DPF 出口CO 和CO 2体积分数逐渐增大，再生效率和效能比增加；在快速再生期后，效能比会逐渐降低，增加的再生能量不能提升再生效率．(2) 升温阶段，DPF 出口颗粒均以50nm 以下的核态颗粒排放为主，颗粒物浓度增加约1个数量级；在快速再生期，当载体内部出现局部高温时，排放颗粒则以50nm 以上的积聚态颗粒为主，颗粒物浓度最大增加约3个数量级；在缓慢再生期，随着再生温度的增加，颗粒物浓度和平均粒径均呈现逐渐增加的趋势．(3) 随着来流流量的增加，来流的冷却作用越明显，导致CO 和CO 2体积分数逐渐减少，但对DPF 出口的颗粒数量排放却有逐渐增加的趋势；在来流流量增加到25.2g/s 时，50nm 以上的积聚态颗粒明显减少，但其再生效率和效能比也最低．(4) 再生流量较小有利于载体内部形成局部高温，导致获得较高的效能比和再生效率；效能比在来流流量为14.0g/s 时达到最高．·264·内 燃 机 学 报第39卷 第3期参考文献：［1］Duvvuri P P，Sukumaran S，Shrivastava R K，et al.Modeling soot particle size distribution in diesel engines[J]. 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