柴油机颗粒捕集器快速积灰试验研究

董光雷，刘海滨，张俊龙，吕志华，贾德民

1.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力扬州柴油机有限责任公司，江苏 扬州 225000

0 引言

柴油机排放物中的颗粒物(particulate matter,PM)是大气污染的重要来源，柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)可有效降低PM排放，是满足国六排放标准的必备技术之一[1]。DPF载体材料主要是堇青石或碳化硅，通过将通道入口和出口分别错位封堵，使气流从进口流入后经载体壁流出，载体内部结构疏松多孔，通过扩散、拦截和惯性撞击等不同方式将PM捕集[2]，PM过滤效率可达90%，颗粒物数量(particle number，PN)过滤效率[3]达到99%。

PM的成分主要是碳烟、可溶性有机物(soluble organic fraction，SOF)和灰分[4]，碳烟及SOF可氧化去除，但灰分不可氧化，最终残留在DPF载体中[5-6]。灰分积累过多，影响DPF压降，严重影响发动机正常工作。为满足发动机和DPF正常工作，当DPF压降达到一定值后，应及时清除灰分，一般是固定的里程或者运行时长间隔。清灰之前，需获知当前DPF中灰分量，进行碳载量计算、控制优化主动再生过程，然后提醒用户进行清灰。某重型柴油发动机行驶106km以上，灰分积累过多，DPF压降增大，估计碳载量偏高，主动再生过程提前[5]，严重影响发动机正常工作。发动机灰分的形成主要来自机油燃烧，但正常工作下机油消耗量较少，在发动机台架进行灰分相关模型标定时，耗费时间过长，需要探索一种灰分快速加载方式，且制作的积灰件适合DPF碳载量评估试验。

1 灰分产生机理

发动机机油添加剂是DPF灰分的主要来源[6]，发动机工作过程中，部分机油从活塞环组与缸套之间进入燃烧室，与柴油共同燃烧，发动机大部分灰分为机油添加剂中的S、P、Ca、Mg、Zn等燃烧后形成[7]，很小一部分来自发动机磨屑、柴油中无机添加剂、排气管路锈蚀和通过空滤的微粒。

灰分在DPF中的分布主要在通道壁面、载体孔道和通道末端，如图1所示。灰分形态受发动机机油消耗率、发动机使用工况、DPF再生方式等因素影响，DPF主动再生过程产生的高温可能使灰分烧结在通道表面，造成通道堵塞[8]，积碳和灰分无法进入DPF，DPF有效使用体积明显缩小，局部碳载量升高，且灰分层使气体流动阻力增大，载体散热能力减弱，DPF内部可能产生局部高温[9-11]，严重时导致DPF损坏。

a)通道壁面 b)载体孔道 c)通道末端

在捕集初期，灰分颗粒进入载体孔道后使DPF压降快速增加，并随着通道壁面灰分层厚度的增加而逐渐增大，在形成积碳前，DPF压降增加与积灰量呈线性关系，积灰量较大时灰分在通道末端堵塞，导致压降快速增大。实际使用过程中，DPF中灰分和积碳同时存在，当灰分较少时，灰分会在通道壁面形成一层灰分层，灰分层阻止积碳深床捕集过程发生，出现膜层效应[12]，如图2所示，此时DPF压降比无灰分时降低。通常DPF碳载量估计方法是基于压降和碳载量线性关系计算，但灰分的存在改变了压降特性，使估计碳载量高于实际碳载量，此时若按照估计碳载量判断并触发主动再生，将导致主动再生触发过早[13]，再生频繁，造成不必要的燃油消耗及高温安全隐患。

图2 灰分沉积在壁面膜层效应示意图

2 试验方案

正常情况下灰分来自机油燃烧，快速积灰的目的是加速灰分积累速率。为了对比不同积灰方式对DPF压降的影响，制定了提高机油耗、燃烧器快速积灰、模拟灰分、机油掺烧、进气管滴油共5种DPF快速积灰试验方案，分别测量各种快速积灰方案的DPF压降，并与原发动机的台架耐久试验和整车真实测量数据进行对比。试验用发动机为某满足国六排放标准的增压中冷、直列6缸、四冲程、高压共轨柴油机，柴油机主要技术参数如表1所示。DPF材料为堇青石，参数如表2所示。

表1 试验用柴油机主要技术参数

表2 DPF参数

2.1 提高机油耗

发动机运行过程中，活塞组件的机油消耗占总机油消耗的80%左右[14]，提高机油耗试验通过降低油环弹力，减少油环在活塞下行过程中的刮油量，使进入燃烧室的机油增加。本试验中机油耗增加50%,试验用机油型号为CK-4 15W-40，机油添加剂的质量分数为2%，积灰过程中发动机运行工况为额定转速且满油门，DPF前温度高于450 ℃。

2.2 燃烧器

燃烧器快速积灰设备方案如图3所示。柴油和压缩空气注入燃烧室内，火焰后温度不低于1200 ℃。调节稀释空气1路进入量，减少燃烧产生的碳烟，机油在高压空气作用下雾化后于火焰中心处喷入，机油雾化后粒径不大于80 μm，在高温下燃烧生成灰分；调节稀释空气2路进入量，使DPF前温度不高于550 ℃；调节机油喷入量实现灰分生成速率控制，每运行5 h后将DPF称重以确定积灰量。

图3 燃烧器快速积灰设备示意图

2.3 模拟灰分

模拟灰分快速积灰设备方案如图4所示，模拟灰分成分为Al2O3，颗粒直径为5～10 μm，在高压空气作用下，模拟灰分在颗粒气溶胶混合装置中均匀混合，负压吸气装置将混有模拟灰分颗粒的气溶胶气体吸出，气体经过DPF，模拟粉末颗粒被捕集，通过调节气溶胶中颗粒浓度及气体流量调节灰分加载速率，整个加载过程在冷态下完成。

图4 模拟灰分快速积灰设备示意图

2.4 机油掺烧

机油掺烧方式快速积灰是将机油加注到燃油中搅拌均匀，通过燃油系统把机油喷入燃烧室，在额定转速满油门工况进行灰分加载。试验中掺混机油质量分数分别为0.5%和1.0%，由于机油黏度比柴油大，若掺混比过高，可能导致雾化效果差且容易堵塞喷油器。

2.5 进气管滴油

进气管滴油快速积灰示意如图5所示。机油从涡轮增压器压端前注入，由于压端进气为负压，利于机油吸入，机油在增压器叶轮快速旋转下加速破碎雾化，通过调节机油注入量调节灰分生成速率，积灰过程中发动机运行工况为额定转速且满油门。

图5 机油注入进气管快速积灰示意图

2.6 台架耐久试验

发动机在台架进行1000 h耐久试验，DPF在试验过程中捕集发动机正常机油消耗产生的灰分。试验工况为怠速、额定转速、最大转矩最高转速、最大转矩最低转速和最高空车转速之间循环运行，其中额定工况和最大转矩工况满油门。

2.7 整车试验

整车试验使用与表1、2中同规格的发动机和DPF，用户在真实使用场景下驾驶车辆，行驶路况主要为国道。

3 试验结果及数据分析

DPF积灰后压降接近真实使用情况，才能进行积碳和灰分相关控制模型标定，提高模型精度，更好控制DPF工作。发动机为额定工况且满油门时，不同积灰方式下的DPF压降随灰载量的变化如图6所示。

图6 不同积灰方式DPF压降对比

由图6可知：1)整车试验的最小灰载量为5 g/L，对应压降为42 hPa；最大灰载量为15 g/L，对应压降为60 hPa；2)提高机油耗试验件DPF压降介于台架耐久试验件和整车试验件之间，灰载量为5 g/L时DPF压降为46 hPa左右，灰载量为15 g/L时DPF压降为62 hPa左右，且比整车试验件大2 hPa，DPF压降和灰载量成线性关系且与整车试验件近似，在纯灰分状态下，提高机油耗方式产生灰分的DPF压降较接近整车试验件，且基本与台架耐久搭载件的DPF压降相同；提高机油耗快速积灰方式没有改变灰分产生原理[15]，但灰分积累速率比正常耐久发动机仅提高50%左右，若达到标定高灰分量，所需时间更长；3)燃烧器试验件灰载量为5 g/L时DPF压降为47 hPa，灰载量15 g/L时DPF压降为67 hPa，比整车试验件大7 hPa，压降整体稍高于整车试验件；4)模拟灰分试验件灰载量为5 g/L时DPF压降为43 hPa，灰载量为15 g/L时DPF压降为55 hPa，比整车试验件小5 hPa；5)机油掺烧和进气管滴油试验件产生的DPF压降均大幅高于整车试验件，主要原因是灰分在沉积过程中出现堵孔；6)台架耐久试验件灰载量为5 g/L时DPF压降为45 hPa左右，灰载量为15 g/L时DPF压降为63 hPa左右，且比整车试验件大3 hPa，DPF压降和灰载量成线性关系且与整车试验件几乎相同。

灰载量为15 g/L时，整车试验件、燃烧器试验件、模拟灰分试验件电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)图像分别如图7～9所示。

图7 整车试验件CT

由图7可知：整车试验件气流方向为从上向下，灰分未见在通道末端积聚。由图8可知：燃烧器试验件未见灰分在通道末端积聚，燃烧器试验件与整车试验件宏观灰分分布未见明细差异，但由于CT扫描精度较低，无法清晰展示壁面层灰分分布，且燃烧器产生的灰分粒径及形态与正常燃烧存在差异，可能导致燃烧器试验件压降与整车试验件存在差异。由图9可知：部分模拟灰分颗粒在通道末端沉积。由于灰分在壁面沉积产生的DPF压降大于末端沉积，所以模拟灰分在低灰载量时DPF压降接近整车试验件，但灰载量较高时DPF压降低于整车试验件。

图8 燃烧器试验件CT 图9 模拟灰分试验件CT

机油掺烧比为0.5%,试验件灰载量分别为10、15 g/L时，积灰异常CT图像如图10所示。

a)灰载量10 g/L b)灰载量15 g/L

由图10a)可知，灰载量为10 g/L时，试验件CT图像显示DPF前端面灰分大量在进气口沉积，灰分厚度约2 mm；图10b)可知，灰载量为15 g/L时，试验件CT图像显示灰分堵塞通道，在整个载体中出现不连续沉积。进气管滴油压降与机油掺烧比0.5%时近似，但压降和灰载量不再成线性关系，有一定波动，原因是机油进入增压器经中冷管路期间，部分机油被吸附在管壁，无法全部进入燃烧室。

不同积灰方式的DPF压降和积灰效率对比如表3所示，其中整车试验作为其他积灰方式对比基准，+数量越多代表指标越好。

表3 不同方案的DPF压降和积灰效率对比

由表3可知：提高机油耗的积灰速率相比台架耐久试验有所提高，且DPF压降效果接近整车试验。燃烧器和模拟灰分2种积灰方式的积灰速率较快，但DPF压降效果比整车试验略有偏差。机油掺烧和进气管滴油2种积灰方式的DPF压降效果大幅度偏离整车试验。

4 结语

在积灰样件制作时间充足情况下，提高机油耗方式是快速制作积灰件的最佳方式；其次是模拟灰分和燃烧器2种积灰方式，机油掺烧和进气管滴油方式产生的灰分无法应用于台架模型标定。本研究为后期精确计算DPF积灰量、优化灰分模型、深入研究主动控制提供试验依据。