CN114705443A - 一种柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及尾气处理技术领域，具体涉及一种柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法。该评价方法在主动再生性能测试和/或被动再生性能测试时，再生前的质量变化值通过如下步骤获得；S1，将DPF活化，获取DPF样品活化后的DPF重量m1；S2，在柴油机上将DPF样品碳烟加载至最大碳载量，并称重，获得加载碳烟后的DPF重量m2；再生前质量变化值为m2‑m1。通过先将DPF活化，再加载至最大碳载量，作为再生前的重量变化值，规范了主动再生和被动再生的测试条件，利于主动再生性能和被动再生性能表征评价，利于统一DPF在行业内的综合评价方法。
Description
技术领域
本发明涉及尾气处理技术领域，具体涉及一种柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法。
背景技术
为了满足国六排放要求，柴油后处理技术路线设计了包括氧化性催化剂（DOC）、颗粒捕集器催化剂（DPF）、选择性催化剂（SCR）、氨逃逸催化器(ASC)等来对发动机产生的尾气进行处理，其中DOC、SCR和ASC是处理发动机排气中的气态污染物，而DPF则是处理发动机排气中的颗粒污染物（PM、PN等，俗称碳烟）。DPF主要的功能首先是将发动机排气中的颗粒污染物捕集到DPF催化单元中，然后经过化学反应和高温后再将捕集的颗粒物进行处理，以此过程来控制颗粒物的排放。在DPF内部捕集了颗粒物后，需要将捕集的颗粒物进行处理，其中处理颗粒物的方式有两种，一种处理方式是被动再生，即在车辆正常行驶过程中，排气中的部分NOx会被DOC氧化成NO2，氧化的NO2会与DPF内部的颗粒物进行化学反应，除去DPF内部的部分颗粒物。另一种是处理方式是主动再生，即当DPF内部颗粒物捕集到一定量后，发动机会调整运行策略，开启燃油的远后喷，喷射大量的燃油，燃油经过DOC后会将燃油氧化，产生大量的热量，大量的热量会随着排气进入到DPF内部，然后采用高温的方式使DPF内部的颗粒物发生燃烧，以此来除去DPF内部大量的颗粒物。
为了满足GB 17691—2018的法规对颗粒污染物的要求，基本所有的柴油发动机都会安装DPF来满足法规中PM/PN的要求，虽然DPF的功能是捕集颗粒污染物，然后经过化学反应和高温燃烧的方式来除去DPF捕集的颗粒污染物。但是如果不能采用有效的方法来研究碳烟在DPF内部的变化情况，就无法根据DPF内碳烟的变化情况来设定相关的控制程序。当碳烟在DPF内部不能得到安全有效的处理，轻则会使车辆的油耗上升，甚至无法正常使用。重则会造成车辆烧毁，甚至威胁到人身安全。
在现目前柴油国六后处理的开发过程中，很多主机厂无法对DPF的性能提出一个明确的要求，这主要是由于各个主机厂的发动机燃烧和排放具有差异，导致的排放中的颗粒物的大小和数量有差异，并且由于各个主机厂对于DPF中碳烟的处理要求也各不相同，以及各个主机厂对于DPF的测试验证方法也不尽相同，进而无法对DPF的技术要求提出一个明确的要求。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存的碳烟处理要求不同和测试方法不同导致的DPF的技术要求不明确的问题，提供一种柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法。通过先将DPF活化，再加载至最大碳载量，作为再生前的重量变化值，利于规范了主动再生和被动再生的测试条件。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，在主动再生性能测试和/或被动再生性能测试时，再生前的质量变化值通过如下步骤获得；
S1，将DPF活化，获取DPF样品活化后的DPF重量m1；
S2，在柴油机上将DPF样品碳烟加载至最大碳载量，并称重，获得加载碳烟后的DPF重量m2；再生前质量变化值为m2-m1。
主动再生效率=主动再生后的质量变化值/再生前质量变化值；
被动再生效率=被动再生后的质量变化值/再生前质量变化值。
通过先将DPF活化，再加载至最大碳载量，作为再生前的重量变化值，规范了主动再生和被动再生的测试条件，利于主动再生性能和被动再生性能表征评价，利于统一DPF在行业内的综合评价方法。
步骤S1中，DPF活化温度为250℃以上。活化时间1-2h。
作为本发明的优选方案，步骤S1具体为，调整发动机工况，使排气温度达到500℃，将DPF在500℃下活化1h，取出DPF，保持DPF内部温度在200℃以上，此时DPF的重量即为活化后的DPF重量m1。
作为本发明的优选方案，步骤S2具体为，将DPF装载至柴油发动机的排气管路上，将DPF碳烟加载至最大碳载量，此时DPF的重量为加载碳烟后的DPF重量m2。
作为本发明的优选方案，在主动再生性能测试时，再生后的质量变化值通过如下步骤获得；S3，恒定发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口不高于300℃，稳定3-5min；提升DPF入口温度至620℃±20℃，保持温度不变，再生过程持续20-30min，退出再生模式，取下DPF进行称重，获得主动再生后的DPF重量m3；主动再生后的质量变化值为m2-m3；主动再生效率通过如下公式计算，主动再生效率=（m2-m3）/(m2-m1)。
作为本发明的优选方案，在被动再生性能测试时，再生后的质量变化值通过如下步骤获得；S4，调整发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口温度在预设温度，保持发动机排气空速和DPF入口温度稳定运行1-2h，然后取下DPF进行称重，获得被动再生后的DPF重量m4；被动再生后的质量变化值为m2-m4；所述预设温度大于所述DPF的平衡点温度；在预设温度下的被动再生效率通过如下公式计算，被动再生效率=（m2-m4）/（m2-m1）。
作为本发明的优选方案，步骤S4中，所述DPF的平衡点温度通过如下方式获得，
A1，在柴油机上将DPF碳载量加载至3g/L±0.5g/L；
A2，恒定发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口温度从250℃±10℃开始，以20℃的间隔升高DPF入口温度；
A3，在发动机工况稳定期间检测到DPF的压降出现明显下降时，记录DPF入口温度，此温度即为DPF的平衡点温度。
作为本发明的优选方案，步骤A3后，还包括步骤A4，持续升高DPF入口温度20℃，以确认上步骤A3压降下降记录的温度点。
作为本发明的优选方案，获取不同的预设温度下的被动再生效率，用于评价DPF的被动再生性能。
更具体的测试方案如下，
作为本发明的优选方案，主动再生性能测试，包括如下步骤，
步骤S1，调整发动机工况，使排气温度达到500℃，将DPF在500℃下活化1h，取出DPF，保持DPF内部温度在200℃以上，此时DPF的重量即为活化后的DPF重量m1；
步骤S2，将DPF装载至柴油发动机的排气管路上，将DPF碳烟加载至最大碳载量，此时DPF的重量为加载碳烟后的DPF重量m2；
再生前质量变化值为m2-m1；
S3，恒定发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口不高于300℃，稳定3min；适用缸内后喷射、排气管喷射或外部加热的方式，提升DPF入口温度至620℃±20℃；保持温度不变，再生过程持续20min，退出再生模式，取下DPF进行称重，获得主动再生后的DPF重量m3；主动再生后的质量变化值为m2-m3；
以DPF体积大小进行控制发动机排气流量，计算方法是：
SV=排气流量/（V*ρ空气）
SV是发动机排气空速，单位h-1；
V是DPF体积，单位L；
ρ空气为空气密度，取值1.29，单位Kg/m³
排气流量是测试设备直接测试的结果，排空速度SV是根据上述公式计算得到的计算结果。
主动再生效率通过如下公式计算，主动再生效率=（m2-m3）/(m2-m1)。
再生持续时间增加至20min，持续时间与使用时的实际再生时间接近，利于真实评价DPF主动再生效率。
作为本发明的优选方案，被动再生性能测试，包括如下步骤，
步骤S1，调整发动机工况，使排气温度达到500℃，将DPF在500℃下活化1h，取出DPF，保持DPF内部温度在200℃以上，此时DPF的重量即为活化后的DPF重量m1；
步骤S2，将DPF装载至柴油发动机的排气管路上，将DPF碳烟加载至最大碳载量，此时DPF的重量为加载碳烟后的DPF重量m2；
再生前质量变化值为m2-m1；
S4，调整发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口温度在预设温度，保持发动机排气空速和DPF入口温度稳定运行2h，然后取下DPF进行称重，获得被动再生后的DPF重量m4；被动再生后的质量变化值为m2-m4；
所述预设温度大于所述DPF的平衡点温度；
在预设温度下的被动再生效率通过如下公式计算，
被动再生效率=（m2-m4）/（m2-m1）；
步骤S4中，所述DPF的平衡点温度通过如下方式获得，
A1，在柴油机上将DPF碳载量加载至3g/L±0.5g/L；
A2，恒定发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口温度从250℃±10℃开始，以20℃的间隔升高DPF入口温度；
A3，在发动机工况稳定期间检测到DPF的压降出现明显下降时，记录DPF入口温度，此温度即为DPF的平衡点温度；
A4，持续升高DPF入口温度20℃，以确认上步骤A3压降下降记录的温度点；
不同预设温度下的被动再生效率用于评价DPF的被动再生性能。
平衡点温度为碳烟反应温度，通常直接用平衡点温度的高低来评价DPF的被动再生性能，不能具体的量化DPF的再生效率或者再生速率。上述方法中，用被动再生效率评价DPF的被动再生性能，从低温到高温动态持续的温度变化来评价DPF内部碳烟变化的趋势，评价了特定温度下DPF的性能。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，通过先将DPF活化，再加载至最大碳载量，作为再生前的重量变化值，DPF活化、排气空速的控制以及主动再生时持续时间增加至20min的参数控制，更接近实际使用时的再生时间，提升了再生效率的准确性。该方法通过发动机排温的分布情况进行统计，筛选代表性的温度点进行被动再生性能测试，通过对入口温度进行主动再生性能测试，简单易行，适用于评价DPF在被动再生和主动再生处理碳烟的性能。利于规范主动再生和被动再生的测试条件，利于主动再生性能和被动再生性能表征评价，利于统一DPF在行业内的综合评价方法。
附图说明
图1是本发明实施例1中的DPF平衡点温度测试结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，包括主动再生性能评价和被动再生性能评价。
1、主动再生性能
测试催化单元（DPF）尺寸直径为190.5mm，高度为177.2mm，孔目数为300cpsi，壁厚为9mil，催化剂体积为5.07L。
将DPF封装于一种简易的封装结构内，并将封装后的DPF安装与发动机的排气管路上；
启动发动机，调整发动机的运行工况，使发动机的排气温度达到500℃，在此工况的温度下活化DPF样品1h，活化后称取此时DPF的重量，得到活化后的DPF重量m1，14991g；
调整发动机工况加载碳烟，使DPF的碳烟加载量加载至最大碳烟量（5g/L±0.5g/L），称取重量，得到加载碳烟后的DPF重量m2，15015g；
在测试DPF前加装一支DOC，用于DPF主动再生升温使用。使用缸内后喷射，排气管喷射或外部提温方式，尽快提升DPF入口温度至620℃±20℃；
保持该温度不变，整个再生过程持续30min；
退出再生模式，拆下DPF进行称重，获得主动再生后的DPF重量m3，14995g；
计算DPF主动再生效率：DPF（主动再生效率）=（15015-14995）/（15015-14991）*100%=83.33%。
而在常规测试方法中，在主动再生性能测试时，未对DPF样品进行活化，温度持续时间仅为10分钟，与DPF的主动再生的实际控制工况不一致，操作过程的控制不清晰，且再生过程中的持续时间不长，与实际的再生时间具有较大差异，由于时间较短，不易真实评价出DPF在主动再生的时候的再生效率。
2、被动再生性能
2.1平衡点温度测试
在主动再生试验后，调整发动机工况，使DPF入口温度保持在620℃±20℃持续1h，以保证DPF内部的碳烟完全除去；
在发动机上将DPF内部的碳烟加载至至3g/L±0.5g/L；
恒定发动机工况，使发动机排气空速为60000 h-1，控制DPF入口温度从250℃±10℃开始，以20℃的间隔升高DPF入口温度，每个稳定的温度下运行20min；
在发动机工况稳定期间检测到DPF的压降出现明显下降时，记录DPF入口温度；
持续升高DPF入口温度20℃，以确认上一步骤压降下降记录的温度点。试验示意图详见附图1，根据附图可以看出DPF的平衡点温度为310℃。
2.2 350℃被动再生性能
在平衡点温度试验后，调整发动机工况，使DPF入口温度保持在620℃±20℃持续1h，以保证DPF内部的碳烟完全除去，称取DPF重量，得到活化后的DPF重量m1，14991g；
调整发动机工况加载碳烟，使DPF的碳烟加载量加载至最大碳烟量（5g/L±0.5g/L），称取重量，得到加载碳烟后的DPF重量m2，15017g；
调整发动机工况，使发动机排气空速为60000 h-1，DPF入口温度350℃，保持发动机排气空速和DPF入口温度稳定运行2h，2h后称取DPF此时的重量15008；
停止发动机，计算DPF在350℃/60000 h-1工况下的被动再生效率：（15017-15008）/（15017-14991）*100%=34.62%。
2.3 400℃被动再生性能
在平衡点温度试验后，调整发动机工况，使DPF入口温度保持在620℃±20℃持续1h，以保证DPF内部的碳烟完全除去，称取DPF重量，14984；
调整发动机工况加载碳烟，使DPF的碳烟加载量加载至最大碳烟量（5g/L±0.5g/L），称取重量，15011g；
调整发动机工况，使发动机排气空速为60000 h-1，DPF入口温度400℃，保持发动机排气空速和DPF入口温度稳定运行1h，1h后称取DPF此时的重量14997；
停止发动机，计算DPF在400℃/60000 h-1工况下的被动再生效率：（15011-14997）/（15011-14984）*100%=51.85%。
350℃和400℃温度下的被动再生性能效率用于评价DPF的被动再生性能。
而在常规被动再生性能测试时，仅采用测试平衡点温度作为评价方法。仅仅从碳烟反应温度的高低来评价DPF的性能，不能具体的量化DPF的再生效率或者再生速率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，在主动再生性能测试和/或被动再生性能测试时，再生前的质量变化值通过如下步骤获得；
S1，将DPF活化，获取DPF样品活化后的DPF重量m1；
S2，在柴油机上将DPF样品碳烟加载至最大碳载量，并称重，获得加载碳烟后的DPF重量m2；
再生前质量变化值为m2-m1。
2.根据权利要求1所述的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，
步骤S1具体为，调整发动机工况，使排气温度达到500℃，将DPF在500℃下活化1h，取出DPF，保持DPF内部温度在200℃以上，此时DPF的重量即为活化后的DPF重量m1。
3.根据权利要求1所述的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，
步骤S2具体为，将DPF装载至柴油发动机的排气管路上，将DPF碳烟加载至最大碳载量，此时DPF的重量为加载碳烟后的DPF重量m2。
4.根据权利要求1-3任一所述的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，在主动再生性能测试时，再生后的质量变化值通过如下步骤获得；
S3，恒定发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口不高于300℃，稳定3-5min；提升DPF入口温度至620℃±20℃，保持温度不变，再生过程持续20-30min，退出再生模式，取下DPF进行称重，获得主动再生后的DPF重量m3；主动再生后的质量变化值为m2-m3；
主动再生效率通过如下公式计算，主动再生效率=（m2-m3）/(m2-m1)。
5.根据权利要求1-3任一所述的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，在被动再生性能测试时，再生后的质量变化值通过如下步骤获得；
S4，调整发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口温度在预设温度，保持发动机排气空速和DPF入口温度稳定运行1-2h，然后取下DPF进行称重，获得被动再生后的DPF重量m4；被动再生后的质量变化值为m2-m4；
所述预设温度大于所述DPF的平衡点温度；
在预设温度下的被动再生效率通过如下公式计算，
被动再生效率=（m2-m4）/（m2-m1）。
6.根据权利要求5所述的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，步骤S4中，所述DPF的平衡点温度通过如下方式获得，
A1，在柴油机上将DPF碳载量加载至3g/L±0.5g/L；
A2，恒定发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口温度从250℃±10℃开始，以20℃的间隔升高DPF入口温度；
A3，在发动机工况稳定期间检测到DPF的压降出现明显下降时，记录DPF入口温度，此温度即为DPF的平衡点温度。
7.根据权利要求6所述的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，步骤A3后，还包括步骤A4，
A4，持续升高DPF入口温度20℃，以确认上步骤A3压降下降记录的温度点。
8.根据权利要求5所述的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，获取不同的预设温度下的被动再生效率，用于评价DPF的被动再生性能。
9.根据权利要求1所述的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，主动再生性能测试，包括如下步骤，
步骤S1，调整发动机工况，使排气温度达到500℃，将DPF在500℃下活化1h，取出DPF，保持DPF内部温度在200℃以上，此时DPF的重量即为活化后的DPF重量m1；
步骤S2，将DPF装载至柴油发动机的排气管路上，将DPF碳烟加载至最大碳载量，此时DPF的重量为加载碳烟后的DPF重量m2；
再生前质量变化值为m2-m1；
S3，恒定发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口不高于300℃，稳定3min；提升DPF入口温度至620℃±20℃，保持温度不变，再生过程持续20min，退出再生模式，取下DPF进行称重，获得主动再生后的DPF重量m3；主动再生后的质量变化值为m2-m3；
主动再生效率通过如下公式计算，主动再生效率=（m2-m3）/(m2-m1)。
10.根据权利要求1所述的柴油颗粒捕集器发动机台架性能评价方法，其特征在于，被动再生性能测试，包括如下步骤，
步骤S1，调整发动机工况，使排气温度达到500℃，将DPF在500℃下活化1h，取出DPF，保持DPF内部温度在200℃以上，此时DPF的重量即为活化后的DPF重量m1；
步骤S2，将DPF装载至柴油发动机的排气管路上，将DPF碳烟加载至最大碳载量，此时DPF的重量为加载碳烟后的DPF重量m2；
再生前质量变化值为m2-m1；
S4，调整发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口温度在预设温度，保持发动机排气空速和DPF入口温度稳定运行2h，然后取下DPF进行称重，获得被动再生后的DPF重量m4；被动再生后的质量变化值为m2-m4；
所述预设温度大于所述DPF的平衡点温度；
在预设温度下的被动再生效率通过如下公式计算，
被动再生效率=（m2-m4）/（m2-m1）；
步骤S4中，所述DPF的平衡点温度通过如下方式获得，
A1，在柴油机上将DPF碳载量加载至3g/L±0.5g/L；
A2，恒定发动机工况，使发动机排气空速为50000-60000 h-1，控制DPF入口温度从250℃±10℃开始，以20℃的间隔升高DPF入口温度；
A3，在发动机工况稳定期间检测到DPF的压降出现明显下降时，记录DPF入口温度，此温度即为DPF的平衡点温度；
A4，持续升高DPF入口温度20℃，以确认上步骤A3压降下降记录的温度点；
不同预设温度下的被动再生效率用于评价DPF的被动再生性能。
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