灰分對柴油機顆粒捕集器性能和可靠性影響試驗研究

劉海濱，董光雷，張俊龍，呂志華，賈德民，張建華

（濰柴動力股份有限公司，濰坊 261061）

0 概述

柴油機排放物中的顆粒物（particulate matter，PM）是大氣污染的重要來源之一，對人類的健康存在 危 害［1］。柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）可有效降低PM排放，是滿足國六排放法規所采用的必備技術之一［2］。

DPF載體材料主要為堇青石和碳化硅。DPF載體通道如圖1所示，通道的入口和出口分別錯位封堵，柴油機排氣流從入口進入，經載體壁流出后，從出口流出。圖2是使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）拍攝的載體內部疏松多孔結構圖片，載體通過擴散、攔截和慣性撞擊等方式捕集PM［3］，捕集效率可高達99%。

圖1 DPF載體通道示意圖

圖2 載體通道斷面結構SEM圖

PM的成分主要是碳煙、可溶性有機物（soluble organic fraction，SOF）［4］和灰分。柴油機氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）可氧化去除SOF，采用主動再生或被動再生措施可氧化燃燒去除碳煙，但灰分不可被氧化并最終殘留在載體中［5-7］。

柴油機潤滑油的添加劑是灰分最主要來源［5，8-10］，DPF中灰分積累量和潤滑油添加劑的消耗量成正比。柴油機在運行過程中，部分潤滑油會進入到燃燒室內與柴油一起參與燃燒。潤滑油添加劑中的Ca、Mg、P、Zn等元素燃燒后形成灰分，灰分在燃燒早期形成［11］。以Ca元素為例，在燃燒高溫期大部分Ca以氣態氫氧化物形式存在，隨著燃燒溫度降低，首先轉變為CaO，然后在更低溫度下轉變為CaSO4。Ca的化合物具體成分與實際燃燒反應速率有關，燃燒過程中產生的顆粒是單獨成核還是在積聚模式主要取決于燃燒后的冷卻速率和顆粒濃度，灰分顆粒排除燃燒室后被DPF捕集。盡管柴油機機油消耗水平已控制在較低水平，但DPF中灰分積累量依然隨柴油機使用時間增加而增多。

灰分在DPF通道壁面沉積后，可提高PM過濾效率，當灰分積累量較多且在通道末端形成堵頭時，DPF有效體積減小，壓差顯著增加［5，10，12-13］。

灰分中的硫和磷等元素會使DPF催化劑中毒，灰分層減小碳煙和催化劑反應面積，灰分堵塞通道后，氣流空速變大，使碳煙和催化劑反應時間縮短，上述因素綜合導致積炭被動效率降低［5，10，14］。

DPF主動再生控制策略主要基于通過壓差計算得到的炭載量估計值，由于灰分改變了壓差特性，使炭載量估計值與真實值偏差較大，主動再生時間判斷錯誤，使主動再生過于頻繁或者DPF內部產生異常高溫，不僅增加燃油消耗量，還可能導致載體損壞［5，14-16］。

隨著滿足國六排放的車輛行駛里程增加，灰分對DPF性能和載體可靠性的影響逐漸凸顯［7］。在此背景下，本文中在柴油機臺架上研究了不同灰載量下的DPF壓差特性和主動再生過程中載體內部溫度變化規律，研究結果對提高DPF炭載量計算精度和載體可靠性有指導意義。

1 試驗裝置

圖3為試驗裝置示意圖，試驗裝置主要包括測功機、柴油機和后處理系統，碳氫噴嘴安裝在渦輪增壓器后管路上。在主動再生過程中，當DOC前溫度達到催化劑起燃溫度時，碳氫噴嘴向排氣管中噴入碳氫，碳氫在DOC中催化氧化產生高溫，提高進入DPF的氣流溫度。DPF壓差傳感器用于測量DPF前后的壓差。試驗用柴油機和DPF主要規格信息如表1和表2所示。

表2 試驗用DPF基本參數

圖3 試驗裝置示意圖

表1 試驗用柴油機主要技術參數

在DPF載體內部，沿著載體中心軸向方向均勻布置10個溫度傳感器，編號分別標記為1#～10#，圖4為各溫度傳感器布置示意圖。

圖4 溫度傳感器布置示意圖

圖5為DPF積炭加載瞬態工況。積炭加載過程中DOC前溫度不高于250℃，DPF積炭前均將上次試驗殘留積炭消除干凈。通過提高柴油機機油消耗率方式進行灰分快速加載，試驗用潤滑油規格為15W-40，添加劑質量分數為2%?；曳挚焖偌虞d過程中DPF前溫度高于450℃，當灰分加載完成后進行主動再生，DPF前溫度為600℃，可去除全部積炭。為減少水分對顆粒物沉積質量的影響，DPF在稱量質量前，均在恒溫加熱箱中保持270℃至少0.5 h。

圖5 DPF積炭加載工況

2 灰分成分及分布

使用光譜分析儀分析灰分元素的組成，結果顯示灰分主要成分為機油添加劑中Ca、Mg、P和Zn元素，還有少量的Fe和Cu，各元素的質量分數如表3所示。

表3 灰分主要成分質量分數

采用X射線電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）設備掃描試件，切割載體以確定通道內部灰分分布情況。圖6（a）為灰載量15 g/L時灰分分布情況，灰分主要積累在通道的壁面，在通道壁面形成灰分沉積層，載體切割后在通道末端未發現堵孔情況（圖6（b））。圖6（c）為灰載量25 g/L時灰分分布情況，灰分不僅在壁面形成沉積層，而且在通道末端積累形成堵頭（圖6（d））。堵頭完全堵塞通道，減少載體的有效體積?；曳侄骂^長度代表灰分積累量，灰分堵頭長度的分布如圖7所示，圖中X徑向和Y徑向分別表示載體的水平和垂直方向。堵頭的長度最長可達37 mm，約占載體長度的16%?；曳种饕性谳d體中間區域，灰分在整個載體徑向分布不均勻。

圖6 不同灰載量時灰分CT結果和通道末端切割后放大圖

圖7 灰分堵頭長度分布

3 灰分對DPF壓差影響分析

DPF從全新的狀態進行灰分加載，當灰分加載到目標灰載量后，在標定點測定DPF壓差，圖8表示不同的灰載量時的壓差數據。

圖8中，階段Ⅰ中灰分加載初始階段，此時灰載量小于3 g/L，灰分首先進入載體內部孔隙，出現深床捕集效應［3］，氣流通過載體流動阻力迅速增加，壓差相應變大，灰載量3 g/L時壓差達4.6 kPa。圖9是灰分在載體內部和壁面上的沉積狀態的SEM照片。

圖8 壓差與灰載量關系

圖9 灰分在載體內部和壁面沉積SEM圖

灰載量小于20 g/L時繼續加載灰分至進入積灰階段Ⅱ，灰分在通道內的沉積狀態如圖6（a）和圖6（b）所示，此時灰分主要分布在載體壁面，壓差隨著灰分層厚度增加而線性變化，灰載量為20 g/L時壓差可達到7.5 kPa。

灰載量超過20 g/L后進入積灰階段Ⅲ，灰分在載體通道末端的積聚狀態如圖6（c）和圖6（d）所示，DPF的有效體積減少，氣流通過載體的面積減少，氣體流動阻力快速增加?；逸d量28 g/L時壓差高達9.0 kPa，當壓差超過柴油機正常運行所需的排氣背壓限值時，DPF中的灰分必須用專用的清灰設備立即去除。

在DPF實際正常使用過程中，碳煙和灰分同時存在于載體中，當主動再生完全將碳煙去除后才存在只有灰分的情況。標定點穩態工況下，不同灰載量和炭載量時的壓差數據如圖10所示。

圖10 不同灰載量下DPF壓差隨炭載量的變化

在灰載量為0 g/L的情況下，當炭載量小于4.0 g/L時壓差與炭載量成線性關系。在這種情況下，碳煙在載體孔隙填充后，在載體壁面上逐漸形成積炭層，圖11是使用SEM拍攝的碳煙在載體壁面沉積狀態照片。

圖11 載體壁面的積炭層SEM圖

灰載量為5 g/L時，壓差相比無灰分時減小約1 kPa。主要原因是灰分在載體壁面上沉積后，灰分層將載體和積炭層分離產生膜層效應［6］，由于灰分粒徑比碳煙大，降低了氣體通過載體的流動阻力，因此少量灰分有助于降低壓差。圖12顯示了灰分和積炭在載體壁面上的沉積狀態。

圖12 灰分層將載體和積炭層分離放大圖

灰載量為15 g/L時壓差也與炭載量成線性關系，此時由于灰分層厚度增加，膜層效應變弱，壓差比無灰分高。

在灰載量為25 g/L的情況下，壓差僅在炭載量小于2.5 g/L時隨炭載量增加而線性增大，與灰載量為15 g/L時的線性關系趨勢一致。當炭載量大于2.5 g/L時，隨著炭載量的增加，壓差變化速度比灰載量為15 g/L時加快。主要原因是灰分堵塞通道末端后，積炭無法進入灰分堵塞后的通道，積炭開始在灰分堵塞通道位置的前端積聚，大幅度增加氣體通過載體的流動阻力。圖13是將載體切割后觀察到的灰分堵塞通道的放大照片。

圖13 灰分堵塞通道放大圖

當炭載量相同時，如果灰分積累量較大，則壓差會明顯增加。在以壓差為基礎計算炭載量時，為得到真實的炭載量，需除去灰分產生的壓差。以圖10中所示的主動再生觸發壓差為基準，主動再生觸發炭載量在無灰分時為3.0 g/L，灰載量15 g/L時為2.4 g/L，但灰載量25 g/L時僅為1.2 g/L，使主動再生觸發時間提前。兩次主動再生的時間間隔明顯縮短不僅造成燃油消耗增加，還會導致催化劑的老化速度加快，應通過積灰模型標定方法消除灰分壓差，提高炭載量的計算精度。

4 灰分對DPF主動再生溫度場影響分析

當灰載量分別為0 g/L、15 g/L和25 g/L時，繼續積炭，直至炭載量為4.0 g/L，并在標定點工況觸發主動再生。主動再生過程中，載體內部2#、5#、8#和10#測點的溫度變化數據如圖14所示，各測點的溫度峰值數據如圖15（a）所示，相鄰兩個測點的溫度梯度峰值數據如圖15（b）所示。溫度梯度為當前時刻的相鄰兩個測點的溫度差絕對值除以兩個測點之間的距離，例如，梯度位置“1-2”表示計算測點1#和2#兩個測點之間的溫度梯度，溫度梯度越大表明熱應力越大，載體越容易出現環裂和面裂等損壞情況。

圖14 不同灰載量時主動再生過程中載體內部溫度

圖15 不同灰載量下主動再生過程中溫度和溫度梯度峰值變化

無灰分時，整個主動再生過程中，各測點的溫度變化平緩，溫度沿著氣流方向從前到后依次升高，最高溫度出現在最后端的10#測點，溫度的峰值達到751℃，溫度梯度的峰值最大為31.5℃/cm，溫度和溫度梯度的峰值都明顯低于有灰分時。

灰載量為15g/L時，與無灰分情況相比，位于4#測點以后各測點的溫度和溫度梯度的峰值均顯著提高，溫度最高點仍位于10#測點，達到1 010℃，比灰分時高258℃。DPF中/后部出現顯著的溫度峰值，5#和9#測點之間的溫度均超過840℃。最大溫度梯度出現在8#和9#測點之間，達到180℃/cm，比無灰分時高148℃/cm。5#和6#測點之間、6#和7#測點之間及7#和8#測點之間的溫度梯度峰值均超過100℃/cm，此時載體的中部和后部位置在主動再生過程中產生較大的熱應力，多次主動再生后可能導致載體損壞。

灰載量為25 g/L時，溫度最高的位置出現在6#測點，溫度達到945℃，其次是5#測點，溫度達到940℃。高溫區域主要位于4#和7#測點之間，與灰載量為15 g/L的情況相比，高溫區域向DPF前端移動。最大溫度梯度出現在4#和5#測點之間，溫度梯度的峰值可達198℃/cm，比灰載量15 g/L的情況高18℃/cm，在2#和3#測點之間、3#和4#測點之間、5#和6#測點之間及6#和7#測點之間溫度梯度的峰值均超過100℃/cm。盡管此時溫度的峰值略低于灰載量15 g/L時，但溫度梯度的峰值卻增加10%，說明載體中間部位溫度變化劇烈，依然對載體可靠性產生嚴重影響。

5 結論

（1）DPF中無灰分時，壓差隨炭載量增加而線性增大，在主動再生過程中載體的內部溫度最高僅為751℃，各測點之間的溫度梯度接近，溫度變化平穩，DPF載體無損壞風險。

（2）在DPF灰分積累初期階段，當灰載量小于3 g/L時壓差迅速增加?；逸d量為5 g/L時在載體壁面上形成灰分層，壓差比無灰分時減小約1 kPa。

（3）DPF灰載量為15 g/L時，灰分分布在通道壁面，通道末端沒有堵頭，壓差隨炭載量增加而線性增大。在主動再生過程中，溫度峰值達到1 010℃，溫度梯度達到180℃/cm，比無灰分時均大幅度升高，對載體可靠性產生嚴重影響。

（4）DPF灰載量為25 g/L時，堵頭長度約占載體長度的16%，載體的有效體積減少，積炭位置向載體前端移動。主動再生過程中溫度峰值達到940℃，溫度梯度達到198℃/cm，可能對載體可靠性產生嚴重影響。

（5）DPF灰載量大于15 g/L時，灰分產生的壓差大幅度降低主動再生炭載量的實際觸發值，使主動再生觸發時間提前，主動再生間隔大幅度縮短。