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1、Internal Combustion Engine&Parts0 引言目前我国对非道路移动机械及其装用柴油机的排放要求，即将按照第四阶段标准执行。非道路柴油机对颗粒物和粒子数的排放控制提出了更高要求，因 DPF 可有效降低柴油机排气污染物中的颗粒物排放量，成为装用37kW 到 560kW 柴油机非道路移动机械后处理的必需配置。然而 DPF 对发动机排气阻力、油耗、再生性能、DTI 超温风险以及可靠性等产生重要影响。其载体结构出现多样化，可供发动机选择的范围也在不断增加，因此本文就DPF 载体结构对柴油机再生性能的影响进行分析研究，提高非道路柴油机在开发过程中对 DPF 选型的有效性，使发动机
2、动力性、经济性、排放特性以及可靠性满足要求。1 试验配置与研究方法1.1 试验设备和发动机本次试验在一台 4.5L 高压共轨柴油发动机上进行，采用设备为 AVL 性能排放测试台架，发动机布置示意图如图 1 所示，主要试验设备如表 1 所示，发动机主要技术参数如表 2 所示。1.2 DPF 载体结构方案试验所用的 DPF 载体材料均为堇青石，结构方案如表 3 所示。1.3 试验研究方法对所选用的 4 种不同载体结构的 DPF，分别进行各项对比试验。在保证 DPF 载体最高温度不超过 1200益，最高DPF 载体结构对非道路柴油机再生性能影响的试验研究Experimental Study on t
3、he Effect of DPF Carrier Structure on Regeneration Performance ofNon-road Diesel Engine邵传刚 SHAO Chuan-gang曰刘海林 LIU Hai-lin（天津中恒动力研究院有限公司，天津 300304）（China HI-TECH Engine Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300304，China）摘要院非道路柴油机对加装壁流式颗粒物捕集器 渊 DPF冤降低发动机排气污染物中的颗粒物和粒子数量做出了明确要求遥 DPF 对降低柴油机颗粒物排放起到决定性的作用袁同
4、时其不同材料载体和孔壁厚度又对发动机排气阻力尧油耗尧再生性能尧DTI 超温风险以及可靠性产生影响遥 因此袁DPF 必须尽可能降低排气阻力袁提高再生性能与捕集效率袁以利于发动机油耗和排放降低遥 本文就 DPF 载体结构对柴油机的影响进行深入分析研究遥Abstract:The addition of DPF to the non-road diesel engine makes a clear request to reduce the particulate matter and particlequantity in the exhaust pollutant of the engine.DP
5、F plays a decisive role in reducing particulate matter emissions of diesel engines,and itsdifferent material carriers and hole wall thickness have an impact on engine exhaust resistance,fuel consumption,regeneration performance,DTI overtemperature risk and reliability.Therefore,DPF must reduce exhau
6、st resistance as much as possible,improve regenerationperformance and capture efficiency,so as to reduce engine fuel consumption and emissions.In this paper,the influence of DPF carrierstructure on diesel engine is deeply analyzed and studied.关键词院非道路柴油机曰载体曰排放曰再生效率曰DPF曰DTIKey words:non-road diesel en
7、gines曰carrier曰emissions曰regeneration efficiency曰DPF曰DTI图 1 发动机布置示意图名称型号瞬态油耗测量仪滤纸烟度计排放分析仪颗粒测量仪Schneider 电力测功器测功器控制系统7351 CST415SAMA4000SPC472INDYS33-4/1400-1BS1WE23/PUMA表 1 主要试验设备表 2 发动机主要参数名称型号型式发动机排量/L压缩比额定功率/转速/（kW/rpm）最大扭矩/转速/（N.m/rpm）后处理型式直列四缸、增压中冷、高压共轨4.517.5:1110/2400600/1600DOC+DPF方案目数（cpi2）壁
8、厚（mil）体积（L）12344004006006006.54.34.33.58.38.38.38.3表 3 DPF 载体结构主要参数1内燃机与配件温度梯度不超过 580K/cm，并且在 DPF 载体温度 200益左右时进行称重。对发动机的燃油耗、不同排气流量时 DPF空载前后压差、过滤效率、200s 再生速率、600s 再生效率、DTI 最高温度以及 NRSC 试验 NOx 排放量进行测试，通过对比分析研究，确定载体结构对发动机性能和排放的影响。具体试验方法如下：1.3.1 燃油耗与 DPF 空载前后压差试验对安装不同 DPF 后的柴油机进行外特性试验，采集不同转速下的油耗数据用于分析对燃油
9、耗的影响；同时记录在不同排气流量下的 DPF 空载前后压差数据，判断不同 DPF 载体结构对排气阻力的影响。1.3.2 过滤效率试验对安装不同 DPF 后的柴油机进行 NRTC 稳态循环试验，分别检测 DPF 前后 PM 排放量，用于计算 DPF 过滤效率。DPF 过滤效率=（单位时间 DPF 前 PM 排放量-单位时间 DPF 后 PM 排放量）/单位时间 DPF 前 PM 排放量伊100%。1.3.3 再生效率试验控制 DPF 入口温度为 650益保持 2 小时，再生清空DPF 后称重，记录空载 DPF 重量。利用发动机稳态工况对DPF 进行碳加载，碳载量为 4g/L 时将 DPF 进行称
10、重，记录实际碳载量。分别设定 DPF 入口目标温度为 620益和580益，在发动机稳态工况 2000rpm/100N.m 时进入再生，10min 后退出再生。将 DPF 进行称重记录剩余碳载量。DPF 再生效率=（再生前 DFP 中 PM 质量-再生后DFP 中 PM 质量）/再生前 DFP 中 PM 质量伊100%。1.3.4 再生速率试验与上述再生效率试验前操作一致，清空 DPF 后称重记录并进行碳加载，碳载量为 4g/L 时将 DPF 进行称重，记录实际碳载量。分别设定 DPF 入口目标温度为 620益和 580益，在发动机稳态工况 2000rpm/100N.m 时进入再生，200s 后
11、退出再生。将 DPF 进行称重记录 DPF 剩余碳载量。DPF 再生速率=（再生前 DFP 中 PM 质量-再生后DFP 中 PM 质量）/再生时间。1.3.5 DTI 试验DPF 内部温度传感器分布位置如图 2 所示，在载体内部安装温度传感器。再生清空 DPF 后称重，记录空载 DPF 重量；发动机稳态工况对 DPF 进行碳加载碳载量为 4.5g/L 左右时进行称重，记录 DPF 实际碳载量。在发动机稳态工况 2000rpm/500N.m 进入再生模式，待 DPF 入口温度达到目标温度 620益并稳定后保持 10s，发动机回怠速并测量 DPF 内部温度变化记录最高温度。1.3.6 NOx 排
12、放量试验由于 DPF 不同载体结构产生的排气阻力不同，从而导致参与燃烧的空气量发生变化，NOx 的排放量随之变化，因此对发动机安装 4 种不同 DPF 载体结构的状态进行 NRSC 试验，对比 NOx 排放量的区别。2 试验结果分析按照设计的试验研究方法对安装不同 DPF 的发动机分别进行各项对比试验。2.1 燃油耗与 DPF 空载前后压差对比发动机外特性油耗率曲线对比如图 3 所示，外特性不同排气流量下 DPF 前后压差曲线对比如图 4 所示。方案 2燃油耗与 DPF 前后压差最小，分别为：206.83g/kW.h，6.38kPa。载体相同目数情况下外特性油耗率与 DPF 前后压差随载体孔壁
13、厚度增加而增加，相同孔壁厚度情况下外特性油耗率与 DPF 前后压差随目数增加而增加。2.2 过滤效率分别进行连续两次的 NRTC 循环试验，过滤效率对比如图 5 所示，随着载体孔壁厚度的增加，对 PM 颗粒的过滤效率逐渐提高，且目数较大者过滤效率较高。2.3 再生效率进行 10min 再生效率试验，对比曲线如图 6 所示。DPF 入口温度的增加有助于再生效率的提高，在目数相同情况下有随壁厚增加而降低的趋势，但壁厚相同情况下目数越多效率越高。2.4 再生速率图 2 温度传感器位置示意图图 4 DPF 前后压差对比曲线图 3 外特性油耗对比曲线2Internal Combustion Engine
14、&Parts进行 200s 再生速率试验，DPF 入口目标温度设定与再生效率试验相同，对比曲线如图 7 所示。DPF 入口温度的增加有助于再生速率的提高，在目数相同情况下有随壁厚增加而降低的趋势，但壁厚相同情况下目数越多速率越高。2.5 DTI 最高温度对比试验在碳载量相同的情况下进行各种方案的 DTI 试验，最高温度变化曲线如图 8 所示，方案 1 峰值温度出现最晚且最高，峰值温度为 900益。目数较大壁厚较小的载体，呈现出燃烧初期时温度较高但峰值较低的现象。2.6 NOx 排放测试进行 NRSC 稳态 8 工况试验循环，匹配不同载体方案后各工况点的 NOx 排放量对比如图 9 所示，根据对
15、比可知，NOx 排放量随目数和壁厚的增加有降低的趋势，更加有利于 NOx 排放量的控制。3 结论本文通过对比试验分析，以堇青石为载体材料的DPF，其不同载体结构对柴油机性能的影响如下：淤相同目数情况下外特性油耗率与 DPF 前后压差随载体孔壁厚度增加而增加，相同孔壁厚度情况下外特性油耗率与 DPF 前后压差随目数增加而增加。于由于载体结构于排气阻力直接相关，对进气量产生影响，从而导致 NOx 排放量出现区别，有随目数和孔壁厚度增加而降低的趋势。盂随着孔壁厚度的增加，对 PM 颗粒的过滤效率逐渐提高，且目数较大者过滤效率较高。榆DPF 入口温度的增加有助于再生效率和速率的提高，在目数相同时有随孔
16、壁厚度增加而降低的趋势，但孔壁厚度相同时目数越多效率和速率越高。目数较大孔壁厚度较小的载体，由于燃烧速率较快，相同时间内剩余碳载量相对较少，DTI 试验过程中呈现出燃烧初期时温度较高但峰值较低的现象，有利于载体可靠性与使用寿命的增加。参考文献院1GB 20891-2014，非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）S.22-25，43-51.2HJ451-2008 柴油机排气后处理装置试验方法.3张德满.DOC 辅助 DPF 再生方法研究D.江苏：南京大学，2011：28-35.4黄会波.壁流式柴油机颗粒捕集器技术及研究进展J.柴油机设计与制造，2015，21（2）：57-63.5孟忠伟，陈超，等.载体材料对 DPF 再生性能影响的试验研究J.内燃机工程，2018，39（3）：53-57.6许晟，仲颖，黄云鹏，孙旭晨.小型非道路柴油机内部 EGR系统参数的优化设计J.内燃机与配件，2018（15）：1-4.图 5 不同方案 DPF 过滤效率图 6 不同方案 DPF 再生效率图 7 不同方案 DPF 再生速率图 8 DTI 最高温度对比曲线图 9 NRSC 稳
