柴油機顆粒捕集器快速積灰試驗研究

董光雷，劉海濱，張俊龍，呂志華，賈德民

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力揚州柴油機有限責任公司，江蘇 揚州 225000

0 引言

柴油機排放物中的顆粒物(particulate matter,PM)是大氣污染的重要來源，柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)可有效降低PM排放，是滿足國六排放標準的必備技術之一[1]。DPF載體材料主要是堇青石或碳化硅，通過將通道入口和出口分別錯位封堵，使氣流從進口流入后經載體壁流出，載體內部結構疏松多孔，通過擴散、攔截和慣性撞擊等不同方式將PM捕集[2]，PM過濾效率可達90%，顆粒物數量(particle number，PN)過濾效率[3]達到99%。

PM的成分主要是碳煙、可溶性有機物(soluble organic fraction，SOF)和灰分[4]，碳煙及SOF可氧化去除，但灰分不可氧化，最終殘留在DPF載體中[5-6]?；曳址e累過多，影響DPF壓降，嚴重影響發動機正常工作。為滿足發動機和DPF正常工作，當DPF壓降達到一定值后，應及時清除灰分，一般是固定的里程或者運行時長間隔。清灰之前，需獲知當前DPF中灰分量，進行碳載量計算、控制優化主動再生過程，然后提醒用戶進行清灰。某重型柴油發動機行駛106km以上，灰分積累過多，DPF壓降增大，估計碳載量偏高，主動再生過程提前[5]，嚴重影響發動機正常工作。發動機灰分的形成主要來自機油燃燒，但正常工作下機油消耗量較少，在發動機臺架進行灰分相關模型標定時，耗費時間過長，需要探索一種灰分快速加載方式，且制作的積灰件適合DPF碳載量評估試驗。

1 灰分產生機理

發動機機油添加劑是DPF灰分的主要來源[6]，發動機工作過程中，部分機油從活塞環組與缸套之間進入燃燒室，與柴油共同燃燒，發動機大部分灰分為機油添加劑中的S、P、Ca、Mg、Zn等燃燒后形成[7]，很小一部分來自發動機磨屑、柴油中無機添加劑、排氣管路銹蝕和通過空濾的微粒。

灰分在DPF中的分布主要在通道壁面、載體孔道和通道末端，如圖1所示?；曳中螒B受發動機機油消耗率、發動機使用工況、DPF再生方式等因素影響，DPF主動再生過程產生的高溫可能使灰分燒結在通道表面，造成通道堵塞[8]，積碳和灰分無法進入DPF，DPF有效使用體積明顯縮小，局部碳載量升高，且灰分層使氣體流動阻力增大，載體散熱能力減弱，DPF內部可能產生局部高溫[9-11]，嚴重時導致DPF損壞。

a)通道壁面 b)載體孔道 c)通道末端

在捕集初期，灰分顆粒進入載體孔道后使DPF壓降快速增加，并隨著通道壁面灰分層厚度的增加而逐漸增大，在形成積碳前，DPF壓降增加與積灰量呈線性關系，積灰量較大時灰分在通道末端堵塞，導致壓降快速增大。實際使用過程中，DPF中灰分和積碳同時存在，當灰分較少時，灰分會在通道壁面形成一層灰分層，灰分層阻止積碳深床捕集過程發生，出現膜層效應[12]，如圖2所示，此時DPF壓降比無灰分時降低。通常DPF碳載量估計方法是基于壓降和碳載量線性關系計算，但灰分的存在改變了壓降特性，使估計碳載量高于實際碳載量，此時若按照估計碳載量判斷并觸發主動再生，將導致主動再生觸發過早[13]，再生頻繁，造成不必要的燃油消耗及高溫安全隱患。

圖2 灰分沉積在壁面膜層效應示意圖

2 試驗方案

正常情況下灰分來自機油燃燒，快速積灰的目的是加速灰分積累速率。為了對比不同積灰方式對DPF壓降的影響，制定了提高機油耗、燃燒器快速積灰、模擬灰分、機油摻燒、進氣管滴油共5種DPF快速積灰試驗方案，分別測量各種快速積灰方案的DPF壓降，并與原發動機的臺架耐久試驗和整車真實測量數據進行對比。試驗用發動機為某滿足國六排放標準的增壓中冷、直列6缸、四沖程、高壓共軌柴油機，柴油機主要技術參數如表1所示。DPF材料為堇青石，參數如表2所示。

表1 試驗用柴油機主要技術參數

表2 DPF參數

2.1 提高機油耗

發動機運行過程中，活塞組件的機油消耗占總機油消耗的80%左右[14]，提高機油耗試驗通過降低油環彈力，減少油環在活塞下行過程中的刮油量，使進入燃燒室的機油增加。本試驗中機油耗增加50%,試驗用機油型號為CK-4 15W-40，機油添加劑的質量分數為2%，積灰過程中發動機運行工況為額定轉速且滿油門，DPF前溫度高于450 ℃。

2.2 燃燒器

燃燒器快速積灰設備方案如圖3所示。柴油和壓縮空氣注入燃燒室內，火焰后溫度不低于1200 ℃。調節稀釋空氣1路進入量，減少燃燒產生的碳煙，機油在高壓空氣作用下霧化后于火焰中心處噴入，機油霧化后粒徑不大于80 μm，在高溫下燃燒生成灰分；調節稀釋空氣2路進入量，使DPF前溫度不高于550 ℃；調節機油噴入量實現灰分生成速率控制，每運行5 h后將DPF稱重以確定積灰量。

圖3 燃燒器快速積灰設備示意圖

2.3 模擬灰分

模擬灰分快速積灰設備方案如圖4所示，模擬灰分成分為Al2O3，顆粒直徑為5～10 μm，在高壓空氣作用下，模擬灰分在顆粒氣溶膠混合裝置中均勻混合，負壓吸氣裝置將混有模擬灰分顆粒的氣溶膠氣體吸出，氣體經過DPF，模擬粉末顆粒被捕集，通過調節氣溶膠中顆粒濃度及氣體流量調節灰分加載速率，整個加載過程在冷態下完成。

圖4 模擬灰分快速積灰設備示意圖

2.4 機油摻燒

機油摻燒方式快速積灰是將機油加注到燃油中攪拌均勻，通過燃油系統把機油噴入燃燒室，在額定轉速滿油門工況進行灰分加載。試驗中摻混機油質量分數分別為0.5%和1.0%，由于機油黏度比柴油大，若摻混比過高，可能導致霧化效果差且容易堵塞噴油器。

2.5 進氣管滴油

進氣管滴油快速積灰示意如圖5所示。機油從渦輪增壓器壓端前注入，由于壓端進氣為負壓，利于機油吸入，機油在增壓器葉輪快速旋轉下加速破碎霧化，通過調節機油注入量調節灰分生成速率，積灰過程中發動機運行工況為額定轉速且滿油門。

圖5 機油注入進氣管快速積灰示意圖

2.6 臺架耐久試驗

發動機在臺架進行1000 h耐久試驗，DPF在試驗過程中捕集發動機正常機油消耗產生的灰分。試驗工況為怠速、額定轉速、最大轉矩最高轉速、最大轉矩最低轉速和最高空車轉速之間循環運行，其中額定工況和最大轉矩工況滿油門。

2.7 整車試驗

整車試驗使用與表1、2中同規格的發動機和DPF，用戶在真實使用場景下駕駛車輛，行駛路況主要為國道。

3 試驗結果及數據分析

DPF積灰后壓降接近真實使用情況，才能進行積碳和灰分相關控制模型標定，提高模型精度，更好控制DPF工作。發動機為額定工況且滿油門時，不同積灰方式下的DPF壓降隨灰載量的變化如圖6所示。

圖6 不同積灰方式DPF壓降對比

由圖6可知：1)整車試驗的最小灰載量為5 g/L，對應壓降為42 hPa；最大灰載量為15 g/L，對應壓降為60 hPa；2)提高機油耗試驗件DPF壓降介于臺架耐久試驗件和整車試驗件之間，灰載量為5 g/L時DPF壓降為46 hPa左右，灰載量為15 g/L時DPF壓降為62 hPa左右，且比整車試驗件大2 hPa，DPF壓降和灰載量成線性關系且與整車試驗件近似，在純灰分狀態下，提高機油耗方式產生灰分的DPF壓降較接近整車試驗件，且基本與臺架耐久搭載件的DPF壓降相同；提高機油耗快速積灰方式沒有改變灰分產生原理[15]，但灰分積累速率比正常耐久發動機僅提高50%左右，若達到標定高灰分量，所需時間更長；3)燃燒器試驗件灰載量為5 g/L時DPF壓降為47 hPa，灰載量15 g/L時DPF壓降為67 hPa，比整車試驗件大7 hPa，壓降整體稍高于整車試驗件；4)模擬灰分試驗件灰載量為5 g/L時DPF壓降為43 hPa，灰載量為15 g/L時DPF壓降為55 hPa，比整車試驗件小5 hPa；5)機油摻燒和進氣管滴油試驗件產生的DPF壓降均大幅高于整車試驗件，主要原因是灰分在沉積過程中出現堵孔；6)臺架耐久試驗件灰載量為5 g/L時DPF壓降為45 hPa左右，灰載量為15 g/L時DPF壓降為63 hPa左右，且比整車試驗件大3 hPa，DPF壓降和灰載量成線性關系且與整車試驗件幾乎相同。

灰載量為15 g/L時，整車試驗件、燃燒器試驗件、模擬灰分試驗件電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)圖像分別如圖7～9所示。

圖7 整車試驗件CT

由圖7可知：整車試驗件氣流方向為從上向下，灰分未見在通道末端積聚。由圖8可知：燃燒器試驗件未見灰分在通道末端積聚，燃燒器試驗件與整車試驗件宏觀灰分分布未見明細差異，但由于CT掃描精度較低，無法清晰展示壁面層灰分分布，且燃燒器產生的灰分粒徑及形態與正常燃燒存在差異，可能導致燃燒器試驗件壓降與整車試驗件存在差異。由圖9可知：部分模擬灰分顆粒在通道末端沉積。由于灰分在壁面沉積產生的DPF壓降大于末端沉積，所以模擬灰分在低灰載量時DPF壓降接近整車試驗件，但灰載量較高時DPF壓降低于整車試驗件。

圖8 燃燒器試驗件CT 圖9 模擬灰分試驗件CT

機油摻燒比為0.5%,試驗件灰載量分別為10、15 g/L時，積灰異常CT圖像如圖10所示。

a)灰載量10 g/L b)灰載量15 g/L

由圖10a)可知，灰載量為10 g/L時，試驗件CT圖像顯示DPF前端面灰分大量在進氣口沉積，灰分厚度約2 mm；圖10b)可知，灰載量為15 g/L時，試驗件CT圖像顯示灰分堵塞通道，在整個載體中出現不連續沉積。進氣管滴油壓降與機油摻燒比0.5%時近似，但壓降和灰載量不再成線性關系，有一定波動，原因是機油進入增壓器經中冷管路期間，部分機油被吸附在管壁，無法全部進入燃燒室。

不同積灰方式的DPF壓降和積灰效率對比如表3所示，其中整車試驗作為其他積灰方式對比基準，+數量越多代表指標越好。

表3 不同方案的DPF壓降和積灰效率對比

由表3可知：提高機油耗的積灰速率相比臺架耐久試驗有所提高，且DPF壓降效果接近整車試驗。燃燒器和模擬灰分2種積灰方式的積灰速率較快，但DPF壓降效果比整車試驗略有偏差。機油摻燒和進氣管滴油2種積灰方式的DPF壓降效果大幅度偏離整車試驗。

4 結語

在積灰樣件制作時間充足情況下，提高機油耗方式是快速制作積灰件的最佳方式；其次是模擬灰分和燃燒器2種積灰方式，機油摻燒和進氣管滴油方式產生的灰分無法應用于臺架模型標定。本研究為后期精確計算DPF積灰量、優化灰分模型、深入研究主動控制提供試驗依據。