重康动力（深圳）有限公司

摘要：随着非道路移动机械及固定式柴油发电机组排放法规的日趋严格，颗粒物（PM）和颗粒物数量（PN）的排放限值被大幅压缩。在众多后处理技术路线中，壁流式颗粒捕集器（DPF）凭借其高效的过滤能力，已成为柴油机满足国三及以上排放法规的主流技术方案。DPF通过交替堵塞蜂窝陶瓷载体孔道的两端，使排气强制通过多孔壁面，从而将碳烟颗粒截留在壁面内部及表面，实现物理过滤。然而，DPF的性能并非恒定不变——随着捕集的碳烟逐渐累积，排气背压持续升高，影响发动机经济性和动力性；当碳载量超过安全阈值时，再生过程释放的热量可能烧毁载体。因此，对DPF的压差特性、极限碳载量及实际捕集效率进行系统性的台架与转毂测试评价，是DPF工程化应用的关键环节。本文以某QSB3.9系列康明斯柴油发动机匹配DPF后处理系统为研究对象，系统呈现其试验方案、特性评价方法及WLTC循环验证结果。

 

一、试验方案与工况设计

 

1. 试验台架与装置构成

（1）主要设备配置
试验台架以一台QSB3.9系列康明斯柴油发动机为研究对象，配套DPF后处理系统、发动机燃油供给及油耗测量系统、电力测功机及控制系统，以及完整的排放测试系统。排放测试部分包括气态排放物分析仪、颗粒物采样及称重设备，用于测量发动机原排及DPF后端处理后的污染物浓度。

（2）DPF载体规格
DPF采用碳化硅（SiC）壁流式蜂窝陶瓷载体，具有较高的热容量和抗热震性能，最高耐受温度可达1200℃。载体孔密度、壁厚及孔隙率等微观结构参数直接决定其过滤效率与压降特性。

2. 常规耐久工况设计——累碳点的选择

（1）累碳工况选取依据
为加速DPF累碳过程，需要选择柴油机原始排放烟度较高且排气温度适中（避免再生自发发生）的稳态工况点。综合考虑柴油机初始终端万有特性烟度分布，试验选取1500r/min @ 100N·m作为累碳点。该工况点初始烟度为7.174（消光烟度单位），在此工况下DPF从空载至满载的累碳时间约为1小时，试验效率较高。

（2）再生循环参数
再生试验时控制DPF前温度保持在650℃左右，通过后喷或尾管喷油催化燃烧的方式提高排气温度，点燃DPF内部累积的碳烟。共进行350次再生循环，以模拟长期使用过程中DPF性能的演变规律。

3. DTI降怠速极限工况设计

DTI（Drop to Idle，降怠速）试验用于模拟DPF在再生过程中发动机突然进入怠速状态时的极端热冲击工况。试验以再生时DPF内部温度达到650℃作为触发条件，进入再生过程后柴油机立即切换至怠速工况，考察此时DPF载体内部的温度峰值是否超出材料耐受极限。该试验是评价DPF在极限工况下安全性的关键手段。

 

二、DPF特性测试评价：压差与极限碳载量

 

DPF的压差特性和极限碳载量是评价其性能和安全性的两项核心指标。前者影响发动机的燃油经济性和动力响应，后者决定了再生控制策略中的目标碳载量设定值。

1. 不同碳载量下的压差特性

（1）压差构成的物理分解

柴油机排气气流通过DPF时产生的总压差由三部分叠加构成：过滤壁本身产生的压差、灰分累积产生的压差以及碳烟累积产生的压差。其数学关系可由以下公式表达：

$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">总</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">过滤</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">灰分</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">碳烟</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">B</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\rho </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\text{<span style="font-size: 14px;">公式1</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>$

其中各分量的表达为：

$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">过滤</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">滤</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">B</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\rho </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\text{<span style="font-size: 14px;">公式2</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>$

 

$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">碳烟</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">碳烟</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\text{<span style="font-size: 14px;">公式3</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>$

 

$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">灰分</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">灰分</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\text{<span style="font-size: 14px;">公式4</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>$

且：

$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">过滤</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">碳烟</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">灰分</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\text{<span style="font-size: 14px;">公式5</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>$

 

式中，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P<span\; style="font-family:\; Arial,\; Verdana,\; sans-serif;">为压差，</span></span>}$$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}$为排气体积流量，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu </span>}$为排气动力粘度，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\rho <span\; style="font-family:\; Arial,\; Verdana,\; sans-serif;">为排气密度，</span></span>}$$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}$和$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">B<span\; style="font-family:\; Arial,\; Verdana,\; sans-serif;">分别为与结构相关的粘性阻力系数和惯性阻力系数。在DPF初始状态（全新或再生干净）下，灰分累积量较少，其对压差的影响可忽略不计，此时总压差主要反映过滤壁与碳烟的联合贡献。</span></span>}$

（2）累碳过程的压差变化规律
通过压力传感器测试总压差，并结合排气流量计算通过过滤壁的压差，可间接获得碳烟单独贡献的压差分量。试验结果如图1所示，从图中可以观察到明确的阶段性特征：

● 累碳初期：压差增加较快，斜率较大。这是因为初始累积的碳烟首先进入DPF壁面内部的微孔通道中，在壁面内部形成“深层过滤”状态，流道截面积迅速减小，流动阻力陡增，压差上升明显。

● 累碳中后期：随着累碳量继续增加，压差增加变缓，斜率变小。此时碳烟已完全覆盖过滤壁表面，形成一层多孔的“蛋糕层”（cake layer）。蛋糕层的存在使得后续碳烟在表面均匀堆积，压差与碳载量之间基本呈正相关关系，增加幅度趋于线性。

这一规律为DPF再生触发阈值的设定提供了直接依据：应在压差斜率由陡变缓的转折点附近设定再生触发碳载量，以平衡捕集效率与发动机排气背压。

 

 

 

图1 不同碳载量下的DPF压差

 

2. 循环再生过程中的压差演变与灰分累积

（1）初始阶段（前10次循环）
图2所示为试验初始阶段再生循环过程中DPF前后压力变化曲线。随着DPF碳载量不断增加，其前后压差逐次爬升。当DPF达到满载时，前后压差达到约7kPa。随即触发再生工况，碳烟被氧化燃烧后压差快速下降。再生完全后（即空载状态），DPF前后压差保持在约2.5kPa左右，此为基础过滤壁压差。

（2）结束阶段（最后10次循环）
图3所示为试验结束阶段最后10次再生循环的DPF前后压力变化曲线。与初始阶段相比，满载时前后压差基本一致，仍保持在约7kPa。但在再生完成后，DPF空载压差上升至约3kPa，较初始阶段增大约0.3～0.5kPa。通过对DPF进行称重，该差异被证实为累积灰分所致——经过350次再生循环后，DPF内部灰分含量约为7.3g。这些灰分主要来源于发动机机油中金属添加剂燃烧后的无机残留物，不可通过主动再生清除，将伴随DPF整个使用寿命周期，并逐渐导致空载压差缓慢升高。

 

 

图2 DPF初始10次循环压差曲线图

图3 DPF最后10次循环压差曲线图

 

3. 极限工况下的碳载量标定

降怠速（DTI）极限试验是确定DPF最大允许碳载量的核心手段。试验通过测试在不同入口温度和不同碳载量条件下的再生最高温度峰值，评估DPF载体的热安全性。

（1）6g/L碳载量试验
图4所示为6g/L碳载量下的DTI温度变化曲线。进入DTI时刻以DPF中心温度达到650℃为标志，此时DPF前温度约为620℃（即再生温度），从再生温度点至DTI触发时刻间隔约36秒。DTI发生后，由于排气流量骤降，反应热量无法迅速带走，DPF中心温度峰值达到约955℃，该值低于碳化硅载体长期使用的安全上限，处于安全可控范围。

（2）7g/L碳载量试验
图5所示为7g/L碳载量下的DTI温度变化曲线。进入DTI条件与6g/L工况相同，但峰值温度显著升高至约1067℃。尽管该温度仍小于碳化硅载体最高耐受温度1200℃，但考虑到工程安全裕量以及实际使用中碳载量分布的不均匀性，1067℃已接近工程建议的上限边界。

综合两次试验结果，建议最大碳载量标定值设定为7g/L，并以此作为再生控制策略中触发再生终止的目标碳载量输入。

 

图4  6g碳载量极限温度

图5  7g碳载量极限温度

 

三、WLTC循环排放验证与捕集效率评价

 

台架标定完成后，需要在转毂试验室上按照全球统一轻型车测试循环（WLTC）进行排放验证试验，以确认DPF在实际瞬态工况下的颗粒物捕集性能。其污染物的捕集过程如图6所示。

1. 试验方法与测试系统

试验严格按照GB 18352.6-2016标准要求执行，采用滑行法加载以模拟整车行驶阻力，匹配计算机换挡线。试验在配备CVS-4000型定容采样系统、AMA-4000型气态排放物分析系统、HORIBA 2000spcs颗粒物数量（PN）计数器以及METTLER TOLEDO-XP2U精密称重设备的转毂试验室中完成。试验重复进行三次，以考察DPF随碳烟累积而变化的捕集效率演变趋势。

2. PN排放模态分析与捕集效率

（1）捕集效率随累碳而提升
从模态数据分析可清晰观察到，随着试验循环的持续进行，DPF对颗粒物数量的瞬时捕集效率逐渐提升。这是因为在试验初期，DPF壁面微孔尚未被碳烟覆盖，部分亚微米级颗粒可穿透壁面逃逸；随着测试推进，累积的碳烟逐渐填充壁面孔隙并形成蛋糕层，过滤机制从“深层过滤”向“表面过滤”过渡，过滤精度显著提升。

（2）三次试验的转化效率对比
在发动机原排PN浓度为3.52×10^12个/kWh的基准条件下，加装DPF后的WLTC测试结果如下：

• 第一次试验：DPF对PN的转化效率约为82%，尚未达到工程目标。

• 第三次试验：DPF已累积一定碳载量，过滤效率显著提升，PN排放降至2.8×10^11个/kWh，转化效率达到92%，已超出90%的设定转化效率目标。

最终排放值低于4.2×10^11个/kWh的工程设计目标，表明该DPF系统在实际瞬态工况下具备可靠的颗粒物捕集能力，完全满足工程应用要求。试验结果如图7所示。

 

图6  排烟污染物示意图

图7  柴油机DPF捕集效率

 

四、结论与工程意义

 

本研究针对某型柴油发电机组排放开发目标，对设计的DPF后处理系统进行了系统的台架特性测试与转毂排放验证，主要结论如下：

（1）压差特性方面：累碳初期压差增加较快，主要是碳烟进入DPF过滤壁内微孔形成深层过滤，导致流动阻力迅速增加；随着累碳量的增加，碳层在壁面覆盖形成蛋糕层后，压差与碳载量呈近似正相关关系，增幅趋缓。这一规律为再生触发策略提供了清晰的物理边界。

（2）极限碳载量方面：通过DTI降怠速极限试验，分别在6g/L和7g/L碳载量条件下测得再生峰值温度为955℃和1067℃，均低于碳化硅载体1200℃耐受极限，但7g/L已接近工程安全边界。因此，最大碳载量标定值建议设定为7g/L。

（3）排放验证方面：WLTC循环三次试验结果表明，DPF的最终捕集效率达到92%，PN排放值为2.8×10^11个/kWh，低于4.2×10^11的工程设计目标，余量充足。

综合而言，该DPF后处理系统在压差特性、热安全边界及捕集效率三项核心指标上均满足工程应用要求，为满足国三及以上排放法规的柴油发电机组提供了可靠的技术支撑。本研究建立的测试评价方法及所得数据，也可为同类机型DPF标定提供模型输入参考。

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