驻车再生DPF的周期排放测试及评价方法研究

张 琳 翟学超 李腾腾 康 辉 景晓军 付铁强

（1-中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300 2-中汽研汽车检验中心（天津）有限公司）

引言

面对日益严峻的环境污染危机，更加严格的排放标准和政策法规对车用柴油机的污染物排放水平提出了更高的要求。对于重型车用柴油机而言，尽管采用高压共轨燃油喷射和燃烧优化技术并加装选择性催化还原后处理系统（SCR）能够满足目前正在实施的国五排放标准要求，但是一些城市对于在用车和新增车辆采取了更加严格的排放限制措施，要求加装壁流式颗粒捕集器（DPF）以进一步确保柴油车辆的颗粒物排放能够维持在很低的限值[1-3]。

DPF再生期间会引起污染物排放水平的恶化，因此对于安装周期性再生DPF的发动机，需要综合考量非再生状态和再生状态下发动机的加权周期排放。DPF再生方法和策略是影响DPF性能、可靠性和经济性的重要因素[4-7]。目前主动再生方法主要包括利用外部热源加热再生的方法和利用发动机热能进行再生的方法。

现行排放标准中规定了对发动机或车辆运行时能够进行再生的DPF的排放测试方法，可参考标准GB 17691-2005中相关要求[8]。但是一些采用外部能源加热进行再生的DPF需要在驻车状态下接入外部能源来进行周期性再生。由于再生期间无法进行瞬态循环（ETC）排放测试，因此标准规定的测试方法对此类DPF并不适用。采用何种方法来评价安装此类DPF的车用发动机污染物周期排放水平，对于考量DPF性能和有效进行形式核准试验具有显著的应用价值。

基于一款通过驻车电加热进行再生的DPF，模拟全流稀释采样系统（CVS）采样原理，搭建了驻车再生期间排气污染物采样系统，建立了发动机再生周期排放测试及评价方法，并基于发动机台架试验验证了该系统和方法，分析了再生期间的排放特性。

1 试验设备和测试方法

1.1 试验设备

对于安装周期再生DPF的发动机，将再生结束的时刻到下一次再生结束前的时间段定义为一个再生周期，发动机和后处理系统的周期排放评价，基于一个再生周期期间产生的总污染物排放量和总有效功。每个再生周期包含非再生过程和再生过程2个阶段。非再生过程中的排放评价基于GB 17691-2005中规定的发动机ETC循环测试，此测试需要使用如图1所示的发动机排气污染物测试系统[9]。

图1 发动机排气污染物测试系统

该系统包括交流电力测功机、CVS全流稀释系统、颗粒物取样系统、气态污染物分析仪和信息采集系统。利用本系统可以精确测定发动机的转速、转矩、燃油消耗量以及排气中的CO2、CO、HC、NOx等组分，也可以评价发动机排气中的颗粒物质量排放水平。

DPF再生过程中的排气污染物采样及测量基于图2所示的再生期间排气污染物采样系统。对于驻车再生DPF的再生污染物测量，需要将DPF拆下并安装到本系统进行。

图2 DPF再生期间排气污染物采样测量系统

当DPF开始再生后，再生供气泵将一定流量的新鲜空气送入DPF。电加热装置加热后的新鲜空气流经DPF载体将载体表面附着的颗粒物氧化为气态组分，进而将再生产生的污染物带入稀释通道，利用流量泵1和流量泵2控制总稀释流量。其中流量泵2采集的样气经过减压后进入AMA i60气态污染物分析仪，得到 CO2、CO、HC、NOx的浓度；流量泵 1 采集的样气进入颗粒物采样通道，SPC472颗粒物采样系统由此通道定量采集一部分样气并通过滤纸采集DPF再生过程中产生的颗粒物，剩余的气体经由通道末端的排气孔进入大气中。为了模拟CVS系统，采样过程中需保证稀释通道中的总流量保持一定，因此需控制流量泵1的流量Q1和流量泵2的流量Q2。

1.2 发动机和DPF参数

测试选取了一台安装了SCR系统且满足国五排放标准的共轨直喷柴油机；测试用DPF为一款基于驻车电加热进行再生的壁流式颗粒补集器。发动机和DPF主要参数如表1所示。发动机排放测试过程中，将DPF安装在SCR系统下游0.5 m处。

1.3 周期排放测试和评价方法

周期排放测试流程框图如图3所示，主要分为2部分，首先是非再生期间的排放测试。根据DPF特性参数，2次再生期间，发动机可进行的ETC循环为120次。首先主动触发DPF进行再生，再生完成后，测试发动机运行ETC循环的排气污染物比排放e1。将发动机连续运行120个ETC循环，使得DPF到达再生临界点，此时再次测试发动机运行ETC循环的排气污染物比排放e120。将这2次排放测试结果的算数平均值作为非再生期间的发动机污染物平均比排放e¯。基于e¯和非再生过程中运行ETC的总循环功得到非再生过程的污染物排放总量。

表1 发动机和DPF主要参数

图3 周期排放测试流程框图

其次是再生期间的排放测试。由于再生过程中，发动机不运行，没有产生有效功。利用再生期间排气污染物采样系统获得再生期间的排气污染物总排放量Er。基于再生周期期间的排气污染物总排放量和非再生期间的发动机总有效功Wp，得到再生周期污染物比排放ew。再生周期污染物加权比排放ew的计算如公式（1）。

式中：e1为再生后的首次ETC排放结果；en为再生前的最后一次ETC排放结果，对于本次使用的DPF，n值为120；Wp为n次ETC的循环功总和。

为了评价DPF再生对发动机排放的影响程度，定义再生因子fr，其计算方法如公式（2）。fr越大，表明DPF再生对发动机排放恶化的作用越大。

DPF再生污染物测量过程中，设定流量泵1的流量Q1为120 g/min，流量泵2的流量Q2为36g/min。SPC 472系统的采样流量Q3为30 g/min，采样时间t为300 min。采样和分析结束后，按照公式（3）计算再生过程中产生的气态污染物总量。

式中：GASmass代表 NOx、CO、THC 的总质量，α 为转换系数（对 NOx、CO、THC 分别为 0.001 587、0.000 966、0.000 479），GASconc代表因再生生成 NOx、CO、THC 的平均浓度，MTOTW为流经稀释通道的总气体质量。依据公式（4）和公式（5）分别得到GASconc和 MTOTW。

式中：GASreg表示再生过程中分析仪测得的样气中NOx、CO、THC 浓度的算数平均值，GASair为稀释空气中NOx、CO、THC的浓度。按照公式（6）计算再生过程中生成的颗粒物质量PM。

式中：PMfilter为滤纸上采集颗粒物的质量。

2 试验结果和分析

根据测试结果，首先分析了再生过程中气态污染物的变化规律，如图4所示。

DPF加热系统通电后，气流温度逐渐上升，在2 800 s左右，DPF载体表面附着的颗粒开始与空气反应，气态污染物浓度开始上升。主体再生过程持续约6 000 s左右，此后不再显著生成气态污染物。再生过程中NOx、THC的变化均不剧烈，峰值分别可达25×10-6和70×10-6，但是大量生成CO，峰值可达10 000×10-6以上。考虑到当DPF装车再生时，并无二级稀释设备，再生过程中流出排气管的气流CO含量峰值浓度可以达到30 000×10-6以上。因此，装车后的DPF在进行驻车再生时，一定要注意车辆周围的通风，且不宜有人员出现在附近，避免出现中毒风险。

按照公式（1）～（6）计算了再生过程中的污染物生成量和各排气污染物组分的再生因子，如表2所示。

图4 再生过程中NO x、CO、THC的浓度

表2 排气污染物组分的再生因子

DPF未发生再生的状态下，在一个再生周期中，试验用发动机ETC瞬态循环排放能够很好地满足国五标准限值。由于再生过程中产生的污染物总质量微乎其微，考虑再生后的发动机周期加权比排放仍能够满足国五排放限值，且其颗粒物比排放仅为限值的6%左右。再生过程中产生的污染物中，只有CO的再生因子为1.02左右，其它污染物组分的再生因子均接近于1，对于发动机的周期排放影响很小。

通过试验可以发现驻车电加热再生DPF具有一定的优势：不需要发动机增加燃油后喷或碳氢喷射以提高DPF温度进而引发再生，降低了油耗且未引入额外的污染源，对发动机周期排放影响很小；不需要针对DPF再生对发动机热管理策略和再生控制进行标定，节省了大量研发成本；再生方式简单，降低了对客户的技术要求。同时也存在一定的劣势：只能驻车状态下再生，会产生一定的电能消耗；额外增加了再生供气泵和加热装置，成本有所提升；由于其构造特殊，难以与其它后处理装置（如DOC、SCR等）封装在一起，增加了整车布置的难度。

3 结论

基于一款通过驻车电加热进行再生的DPF，模拟全流稀释采样系统（CVS）采样原理，搭建了驻车再生期间排气污染物采样系统，建立了发动机再生周期排放测试及评价方法，并基于发动机台架试验验证了该系统和方法，结论如下：

1）基于建立的系统和方法能够客观评价安装驻车再生DPF的发动机的周期排放水平。

2）驻车电加热再生DPF在再生期间能够产生大量的CO，CO再生因子可达1.02左右，其余污染物对发动机周期排放的影响很小。

3）满足国五排放标准并加装电加热再生DPF的车用柴油机，考虑再生期间排放后的加权排放仍能满足国五排放标准要求。