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0 前言

柴油发动机在燃油经济性方面优于汽油发动机，但相关排放零部件的维修成本高。柴油颗粒过滤器(DPF)是这些高成本零部件中的其中之一，其在柴油车辆上作为排放控制装置被广泛使用。DPF的功能是捕捉发动机排出的颗粒并定期地通过燃烧再生，再生的触发信号包括行驶里程、燃油消耗、发动机运行时间、碳烟仿真模型和压力传感器[2]等。

研究中发现，当使用基于压力传感器的方法预测DPF中碳烟质量，并将其作为再生触发信号时，出现了DPF中碳烟质量和压力传感器读取值不一致的情况。通过破坏性分析研究发现了碳烟坍塌现象，这造成了背压骤增。这种失效模式会导致发动机故障灯点亮，可能造成高成本DPF的不必要更换。

Rui[3]等人曾仿真过一款商用发动机和DPF上的背压骤增现象，通过准时/实时观察和在线视频/离线纤维内窥镜图像的可视化方法，成功再现了这一现象。其研究确认了碳烟层的坍塌堵塞了DPF通道从而引起了背压骤增，碳烟坍塌现象出现在多个位置。

为了避免碳烟坍塌现象的发生，首先提出假设、对该物理现象开展研究显得尤为重要。

如前期研究[1]中所述，碳烟结构的坍塌导致背压骤增，这是众多因素综合所致。在长途高速行驶过程中，由于涂覆的DPF产生的实时原位NO2，碳烟被动再生时会在碳烟层和DPF通道壁上产生间隙。如果DPF上的碳载量非常高，接近于再生触发点，同时车辆在高湿度环境下长时间浸置，碳烟可能由于吸附水而变为凹形。车辆浸置后再进行急加速行驶，碳烟会坍塌并引起DPF背压骤增。压力反馈到发动机控制器时，会被识别为过滤器上有非常高的碳载量的信号，以致于使发动机故障灯点亮。

因为选择性催化还原过滤器(SCRF)技术是一种能够有效减少氮氧化物(NOx)排放的技术路线，因此研究了该过滤器出现背压骤增现象的可能性。基于前期研究，如果NO2来源于上游，而不是实时原位NO2，利用SCRF技术可以阻止原位NOx的生成，接下来被动再生也不会引起碳烟坍塌。其他条件如车辆浸置和急加速行驶模式保持一致，因为相对于产品的设计，这些是不可控的参数。

因此，就背压骤增现象而言，既不需要铂系金属(PGM)[4-5]，实时原位NO2功能也能被抑制，这将是SCRF的优势所在。

选择性催化还原(SCR)是一种借助于催化器将NOx转化为双原子氮(N2)和H2O的技术。气体还原器，通常是无水氨、氨水或尿素，被加入到烟道或排气气体中，并被吸附到催化器上。当尿素作为还原器时，碳氧化物CO2是其中一种反应产物[6-9]。

SCRF技术集两种催化器于一体，同时提供NOx还原和颗粒物过滤，并有潜力减小催化器尺寸和降低成本。由于像铂这样的贵金属可能氧化NH3，阻止了NH3和NOx发生反应，于是SCRF的涂层上没有铂系金属。这排除了在SCRF上生成实时原位NO2的可能性。

1 设备和搭建

1.1 样件状态

本文使用碳化硅型式的不对称单元结构的过滤器来研究SCRF上碳烟间隙的生成。过滤器的直径是177.8 mm，长度是150.5 mm，涂层是铜沸石，见表1。SCRF系统布置在距离涡轮增压器较近的位置(图1)。

表1 SCRF样件信息

1.2 发动机测功机试验工况和扫描电子显微镜(SEM)分析的取样点

SCRF布置在排气管路中最远的下游(图2)，选择碳烟生成速率高，且被动再生时温度不利于NO2及O2发生反应的试验工况下进行碳烟加载，如表2。

为了确认被动再生效应的后果，尝试再现SCRF上背压骤增的现象，催化器布置在离发动机比较近的位置，如图2(b)所示。被动再生时确认SCRF入口气体温度和NOx浓度影响的发动机试验工况见表3。

图2 发动机和后处理系统布局

项目参数转速/(r·min-1)3 000(3 089)3 000(3 064)扭矩/(N·m)50(49.6)50(48.6)SCRF的入口气体温度/℃210(210.0)210(209.7)入口气体流量/(kg·h-1)200(200.0)200(202.9)SCRF上的碳烟质量/(g·L-1)8.610.0车用尿素(DEF)喷射/(g·s-1)无无

表3 被动再生的发动机试验工况

使用发动机测功机研究了在不同的发动机试验工况下SCRF是否也将出现背压骤增现象(图3)。如前文所提到的，涂覆DPF的背压骤增现象出现在NO2增多的被动再生工况下。因此，试验中发动机选择在被动再生工况时运行，随后进行24 h浸置。

为了研究浸置时湿度的影响，当催化器还在试验箱内时，在SCRF入口处用喷枪喷入150 g H2O，过程如图4所示。浸置完成后，将零部件重新装回试验台架，同时发动机测功机在瞬态工况下运行以模拟急加速状态。

图4 在高湿度试验箱内进行水暴露和24 h浸置[1]

图5 SEM分析的取样点

使用有损探伤法和扫描SEM对试验后的SCRF进行分析以确认碳烟积累型式。在23个取样点中，第一轮试验中①、②和③点、第二轮试验中①、②、③、④和⑤点被取出用于SEM分析。如图5所示，相对于SCRF入口面，测量点分别位于15 mm、75 mm和135 mm。

2 结果和讨论

2.1 SCRF被动再生的第一轮试验

第一步为了确认发动机测功机在试验工况下是否正常工作，进行第一轮试验以确认碳烟积累以及碳烟被动再生的特性。被动再生时的发动机试验工况、发动机出口NOx浓度和排气温度如图6所示，并在表3中进行了总结。

图6 第一轮试验的发动机试验工况和SCRF被动再生的出现

试验结果表明发动机大约运行30 min，背压从7.4 kPa降低到5.9 kPa(-20%)，基于过滤器质量的被动再生效率约为11.3%。

SEM分析图片见图7。结果表明碳烟层厚度在排气流方向上递增。距离入口侧15 mm的测量点碳烟层厚度为30～50 μm，距离入口侧135 mm的测量点碳烟层最厚，约为170～225 μm，如图8所示。这种碳烟层厚度的梯度现象可能是由于碳烟加载时的沉积物生产和NO2带来的碳烟被动氧化共同造成的。

图7 第一轮试验被动再生后SCRF的SEM分析结果

图8 第一轮试验SCRF每个位置(A、B、C)的碳烟层厚度

研究中碳烟层和SCRF通道壁上没有观察到间隙或分离，可能是由于SCRF上没有生成实时原位NO2。这与前期研究中未经涂覆处理的DPF所观察的现象类似。由于没有在高湿度环境下浸置，通道内的碳烟层保持吸管状，没有出现凹形。涂覆铂/钯催化剂的DPF和SCRF的基于NO2被动碳烟氧化的对比如图9所示。可以看出SCRF的氧化水平远远低于涂覆的DPF。在第一轮试验中，确认了被动再生效果，在第二轮试验中以仿真手段模拟背压骤增。

图9 SCRF和涂覆Pt/Pd催化剂的DPF的间隙生成情况[1]

2.2 SCRF背压骤增仿真的第二轮试验

为了研究背压骤增现象，按照图3所示进行第二轮试验。被动再生时的发动机出口NOx浓度和排气温度如图10所示，并在表3中进行总结。喷水后进行浸置，最后进行急加速试验。

图10 第二轮试验的发动机试验工况和SCRF被动再生的出现

为了研究SCRF通道壁上碳烟坍塌，对多个测量截面上众多取样点进行SEM分析，如图11所示。有损探伤结果显示出碳烟层厚度在排气流方向上越来越厚，这与第一轮试验的结果相同，同时在SCRF通道壁上没有出现碳烟层分离，在通道内也没有凹形碳烟生成。另外急加速不能造成过滤器通道内的碳烟坍塌。

图11 第二轮试验急加速后SCRF的SEM分析结果

3 结语

通过前期研究[1]，认为使用PGM涂层技术的DPF背压骤增是由以下3个步骤综合引起的(图12)：

图12 涂覆Pt/Pd催化剂的DPF背压骤增假设的描述

(1)碳烟的被动再生(与NO2反应)通常发生在高速行驶时。在涂覆的DPF上，由于实时原位NO2的存在，使这种被动再生引起碳烟局部燃烧，在碳烟层和DPF壁之间产生间隙。

(2)具有较高碳载量的车辆浸置12 h后，碳烟吸附H2O生成凹形碳烟。除了存在的间隙导致DPF通道壁不能支撑碳烟层之外，H2O的吸附也导致碳烟层质量增加。

(3)带有急加速的冷起动容易引起碳烟层坍塌，这会引起DPF通道的气体流动限制，从而造成传感器读取的涂覆DPF背压增大。

通过试验确认了，如果上述条件中的任何一条无法满足，就可以防止碳烟坍塌现象的出现。研究的焦点是SCRF技术，以及该技术是否会出现背压增大现象。试验确认了被动再生期间未生成间隙以及急加速时无碳烟坍塌现象的发生。可能是因为缺少充足的实时原位NO2，这是产生背压骤增现象的必要条件。

对于汽车制造厂商而言，设计阶段唯一有效的控制因素是尽量减少或者消除碳烟层和DPF通道壁之间的间隙。高速行驶、高湿度环境下浸置，以及急加速行驶属于用户行为，制造商无法控制。因此为了解决背压骤增现象，SCRF成为了一种潜在措施。对于涂覆铂系金属的DPF而言，另外一种潜在措施是不对其进行涂覆处理以避免不必要的DPF售后更换，但是这会带来其他不理想的性能问题。因为SCRF没有表现出背压骤增问题，对于这种技术无需采用特殊的标定策

略。从硬件的角度考虑，研究认为使用不涂覆或只涂覆钯或者基础金属的DPF可能是减少或者避免背压骤增，从而导致DPF不必要的售后更换问题的最理想解决方案。