灰分載量對cDPF 壓差的影響研究

陳 男，梁向京，陳 健，姜科楠

（黃岡職業技術學院 1.交通學院；2.智能制造學院 湖北 黃岡 438002）

隨著《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691-2018）的發布與實施，增加了排氣中顆粒物的數量（PN）限值，為達成該排放標準要求，后處理系統均采用了催化柴油微粒捕集器[1-2]（coated Diesel Particle Filter，cDPF）。

cDPF 主要采用物理過濾的方式實現對柴油機排氣顆粒物的捕集[3]。隨著顆粒物捕集量的增加，DPF對發動機的排氣阻力增加，從而增加了發動機的排氣背壓，影響發動機的動力性和經濟性。因此，需要對cDPF 內部的顆粒物進行清除，降低cDPF 對發動機的排氣阻力,這一過程被稱為cDPF 再生[4]。cDPF 再生有兩種方式，分別為主動再生和被動再生：主動再生是采用缸內遠后噴、排氣管電加熱、排氣管噴油等方式將DPF 前端溫度快速提升至550～650℃，排氣中氧氣將DPF 內部顆粒物進行燃燒消除的過程；被動再生是發動機排溫在250～350℃范圍內，排氣中的NO2在cDPF 內部涂覆催化劑作用下將cDPF 內部顆粒物進行氧化消除的過程[5-6]。

進氣雜質、機油和燃油添加劑在缸內的燃燒產物和發動機活塞缸套磨損物等以灰分形式被cDPF 捕集[7-8]。被捕集的灰分（主要以金屬氧化物）無法通過主動和被動再生消除，存在于cDPF 內部，也會增加cDPF阻力從而影響發動機的性能。由于國六柴油和低灰分潤滑油的使用，柴油機排氣中的灰分量較少，導致灰分加載試驗時間長。因此，目前主要針對于cDPF 灰分對cDPF 壓降的影響研究的主要基于主動再生和灰分快速加載為主，鮮有針對于柴油機實際排氣灰分對對cDPF 壓降的影響研究?；诖?，本研究通過搭載可靠性試驗和熱沖擊試驗完成了cDPF 的灰分加載，并在此基礎上開展灰分對cDPF 壓差的影響特性研究。研究成果能為國六重型柴油車清灰里程研究提供支撐。

1 試驗條件

1.1 試驗發動機

本試驗持續時間長，cDPF 灰分加載試驗主要搭載在可靠性試驗和熱沖擊試驗，試驗發動機為三臺同一型式發動機，主要參數見表1。

表1 發動機主要參數表

1.2 試驗用油與防凍液

機油：萊克DFCV－L40 15W/40 CI-4

防凍防銹液：嘉實多DFL-L40

燃油：0#（或-10#）市場國5 柴油

1.3 試驗環境

出水溫度：88±2℃；

燃油溫度：40±3℃；

進氣總管溫度（中冷后）：50±2℃；

排氣背壓：20±1kPa（額定工況）；

進氣阻力：≦3.5kPa（額定工況）；

中冷器壓降：12.5±1 kPa（額定工況）；

燃油回油壓力：≦20kPa

1.4 臺架試驗

試驗過程：1000h 可靠性試驗1 次，750h 熱沖擊試驗4 次，期間機油消耗試驗和熱機試驗等合計356h。共計試驗時間4356h。

cDPF：試驗用cDPF 為巴斯夫cDPF 產品，cDPF尺寸為10.5311（英寸）?；曳掷鄯e試驗之前，發動機調至高排溫工況，運行60 分鐘后，拆下cDPF，cDPF入口端肉眼觀測不到碳煙。試驗完成后，cDPF 入口段呈灰黑色，可能含有部分碳煙，大部分應該為灰分。

cDPF 稱重：cDPF 稱重之前，發動機工況調至標定工況運行30min，讓cDPF內部的碳煙微粒通過cDPF被動再生去除。為避免相對濕度對cDPF 重量影響，本試驗稱重過程期間cDPF 內部溫度為125±5℃。稱重用電子秤量程20kg，檢定分度值為0.1g。試驗前cDPF 稱重質量為12.505g，試驗完成后，cDPF 稱重質量為12.621kg，累積灰分為126g。

2 結果與討論

2.1 灰分累積試驗

圖1 為臺架試驗過程cDPF 質量隨發動機運行時間的變化關系圖?？梢钥闯?，熱沖擊試驗過程中cDPF質量與發動機運行時間呈良好的線性相關性，可靠性試驗的DPF 質量與運行時間點與直線對應點略有偏差，說明兩種試驗過程的灰分生成率不同。Bagi 等[8]研究結果表明，灰分主要來源于發動機磨損、機油和燃油添加劑。由于兩種試驗的發動機運行工況不同，可靠性試驗發動機運行在額定工況，熱沖擊試驗的試驗工況主要交變工況。不同轉速和負荷下，發動機磨損率、機油消耗速率有所差異，從而導致不同的灰分累積速率。

圖1 cDPF 灰分累積結果

2.2 穩態工況帶灰分cDPF 的壓差特性

灰分在cDPF 內部的堆積，勢必會增加cDPF 內部通道阻力，從而增加發動機排氣背壓，影響發動機的性能。因此，本節開展了cDPF 壓差特性的測試研究。發動機循環工況分為穩態和瞬態兩種，本試驗也從穩態和瞬態兩個方面考察了灰分對cDPF 壓降的影響。

臺架測量的發動機排氣流量為質量排氣流量，而cDPF對排氣的阻礙特性通過排氣的體積流量QV體現，需要采用公式（1）將發動機排氣質量流量轉化為體積排氣流量：

其中，Qm為發動機的排氣質量流量，單位kg/h，可從發動機控制單元中獲??；R為普適氣體常數，一般取R=8.31 J/(mol2K)；T為排氣流經cDPF 時的溫度，單位K，由公式（2）所得，其中t前、t后分別為cDPF 前溫傳感器和后溫傳感器測得的溫度，單位℃；Mg為排氣的摩爾質量，一般取Mg=29 g/mol；P為cDPF入口處的排氣壓力，本文取P=101+△P，其中△P為cDPF 壓差傳感器測得的壓差，單位kPa。

圖2 為灰分加載4356 小時后，cDPF 壓差隨基于公式（1）和公式（2）計算所得的穩態工況體積流量變化關系圖?？梢钥闯?，隨著體積流量的增加，cDPF壓差逐漸升高。中、高體積流量條件下，cDPF 壓差隨體積流量變化呈線性變化趨勢，而在低體積流量下，沒有呈現出具有明顯特征的變化規律。這主要是因為中、高體積流量工況，發動機轉速相對較高，由于流量較大，排氣向載體外部輻射的熱能和內部通道出現的能量損失所占自身總能量的比例較低，cDPF內部溫度場分布較為均勻，溫度梯度小，不同區域的氣體熱膨脹程度差別不顯著，對應的壓差隨排氣體積流量變化能夠呈現較好的線性關系。而在低排氣流量工況下，發動機轉速較低，排氣向載體外部輻射的熱能和內部通道出現的能量損失所占自身總能量的比例較高，且各處損失能量后溫度降幅較中、高體積流量工況大，cDPF 內部溫度分布不均勻，對應的壓差與排氣體積流量變化關系特征不顯著。

圖2 帶灰分cDPF 對穩態工況壓差影響圖

2.3 帶灰分cDPF 在瞬態工況的壓差特性

除穩態工況外，道路工況更多的為瞬態工況，因此本節對帶灰分的cDPF 開展了變工況的壓差特性研究。

圖3 為加速和減速過程的cDPF 壓差隨體積流量變化的關系圖。由圖可以看出，與穩態工況圖2 相似的是，DPF 壓差隨著體積流量的升高呈逐漸升高的趨勢。不同之處在于，瞬態工況下的DPF 壓差隨排氣體積流量變化吻合于二次擬合曲線。此外，加速工況和減速工況下的DPF 壓差隨排氣體積流量變化曲線不重疊，但是隨著體積排氣流量增加，相同排氣體積流量下的壓差差值逐漸縮小。

圖3 帶灰分cDPF 對瞬態工況壓差影響

加速工況過程中，排氣體積流量逐漸增加，與相同排氣流量的穩態工況相比，壓差偏小。發動機的體積排氣流量結果是根據ECU 中進氣流量、循環噴油量和公式（2）得到的溫度計算所得，由于排氣流過DPF內部的時滯特性，DPF 內部的從入口端到出口端的體積流量逐漸降低，入口端的體積排氣流量為穩態工況的體積排氣流量，出口端為之前工況的體積排氣流量，DPF 內總排氣體積相比于穩態工況偏小。而在減速工況試驗過程中，排氣流過DPF 內部的時滯特性導致DPF 內部的從入口端到出口端的體積流量逐漸升高，入口端的體積排氣流量為穩態工況的體積排氣流量，出口端為之前工況的體積排氣流量，其總排氣體積相比于穩態工況偏大，導致排氣壓差較穩態工況偏大。

2.4 與空載DPF 壓差特性對比

灰分在DPF 內部的附著，會引起DPF 內部的通道的變窄，從而帶來更大的排氣阻力?；曳衷贒PF 內部分布不均勻，以及灰分孔隙率和孔徑與載體的差異，更容易引起流體局部能量損失的增加。

圖4 為帶灰分的cDPF 與空白cDPF 在變加速和變減速工況下的壓差對比?？梢钥闯?，灰分在cDPF 內部累積后的壓差明顯高于空白cDPF 的壓差。因此，基于壓差的碳載量模型標定需要通過cDPF 載灰后的壓差特性進行修正。否則灰分累積一定程度后，會頻繁出現再生觸發，增加整體的燃油消耗率。

圖4 空白cDPF 和帶灰分cDPF 瞬態工況壓差對比

2.5 與帶碳煙cDPF 壓差特性對比

圖5 為帶10g/L 灰分的cDPF 與帶3.5 g/L 碳載量的cDPF 在變加速和變減速工況下的壓差對比?？梢钥闯?，在小體積排氣流量下，兩種情況下的cDPF壓差差別不明顯，隨著體積排氣流量的增加，帶3.5g/L 碳載量的cDPF 壓差較帶10g/L 灰分cDPF 的壓差隨排氣體積流量的升高率更高。盡管灰分質量較碳煙質量多，在中、高排氣體積流量下，帶碳載量的cDPF 壓差明顯高于帶灰分的cDPF 壓差，這主要是由于灰分與碳煙微粒的物理結構特性不同引起的。一定量的顆粒物經過濾方式被cDPF 捕集后，會以碳煙層形式附在cDPF 載體表面，顆粒與顆粒之間的孔徑和孔隙率及低。而灰分主要以化合物形式嵌入在發動機的排氣顆粒物中，顆粒物被捕集再生后，灰分之間的碳煙被氧化消耗掉，剩余的灰分微粒間的空隙較大，盡管經過流動遷移堆積，重新堆積形成的灰分孔隙率和孔徑明顯大于碳煙層的孔隙率和孔徑，從而使得中、高排氣體積流量下的壓差低于帶碳載量cDPF 的壓差數值。

圖5 帶灰分cDPF 與帶3.5g/L 碳載量cDPF 瞬態工況壓差對比

3 結論

本研究利用可靠性試驗和熱沖擊試驗完成了純被動再生cDPF灰分加載，并開展了被動再生灰分對cDPF壓降的影響研究。主要結論：①純被動再生的灰分加載速率與試驗工況相關；②穩態工況的中、高排氣流量時，帶灰分的DPF壓降與體積排氣流量呈明顯的線性相關性，而低排氣流量特征不明顯；③加速過程和減速過程的壓差隨體積排氣流量變化曲線具有較大的差異；④灰分在cDPF內部累積后的壓差明顯高于空載DPF的壓差?；趬翰畹奶驾d量模型標定需要通過DPF載灰后的壓差特性進行修正；⑤中、高排氣體積流量下，帶3.5 g/L碳載量的DPF壓差高于帶10 g/L灰分的cDPF壓差。