灰分对柴油机颗粒捕集器性能和可靠性影响试验研究

刘海滨，董光雷，张俊龙，吕志华，贾德民，张建华

（潍柴动力股份有限公司，潍坊 261061）

0 概述

柴油机排放物中的颗粒物（particulate matter，PM）是大气污染的重要来源之一，对人类的健康存在 危 害［1］。柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）可有效降低PM排放，是满足国六排放法规所采用的必备技术之一［2］。

DPF载体材料主要为堇青石和碳化硅。DPF载体通道如图1所示，通道的入口和出口分别错位封堵，柴油机排气流从入口进入，经载体壁流出后，从出口流出。图2是使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）拍摄的载体内部疏松多孔结构图片，载体通过扩散、拦截和惯性撞击等方式捕集PM［3］，捕集效率可高达99%。

图1 DPF载体通道示意图

图2 载体通道断面结构SEM图

PM的成分主要是碳烟、可溶性有机物（soluble organic fraction，SOF）［4］和灰分。柴油机氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）可氧化去除SOF，采用主动再生或被动再生措施可氧化燃烧去除碳烟，但灰分不可被氧化并最终残留在载体中［5-7］。

柴油机润滑油的添加剂是灰分最主要来源［5，8-10］，DPF中灰分积累量和润滑油添加剂的消耗量成正比。柴油机在运行过程中，部分润滑油会进入到燃烧室内与柴油一起参与燃烧。润滑油添加剂中的Ca、Mg、P、Zn等元素燃烧后形成灰分，灰分在燃烧早期形成［11］。以Ca元素为例，在燃烧高温期大部分Ca以气态氢氧化物形式存在，随着燃烧温度降低，首先转变为CaO，然后在更低温度下转变为CaSO4。Ca的化合物具体成分与实际燃烧反应速率有关，燃烧过程中产生的颗粒是单独成核还是在积聚模式主要取决于燃烧后的冷却速率和颗粒浓度，灰分颗粒排除燃烧室后被DPF捕集。尽管柴油机机油消耗水平已控制在较低水平，但DPF中灰分积累量依然随柴油机使用时间增加而增多。

灰分在DPF通道壁面沉积后，可提高PM过滤效率，当灰分积累量较多且在通道末端形成堵头时，DPF有效体积减小，压差显著增加［5，10，12-13］。

灰分中的硫和磷等元素会使DPF催化剂中毒，灰分层减小碳烟和催化剂反应面积，灰分堵塞通道后，气流空速变大，使碳烟和催化剂反应时间缩短，上述因素综合导致积炭被动效率降低［5，10，14］。

DPF主动再生控制策略主要基于通过压差计算得到的炭载量估计值，由于灰分改变了压差特性，使炭载量估计值与真实值偏差较大，主动再生时间判断错误，使主动再生过于频繁或者DPF内部产生异常高温，不仅增加燃油消耗量，还可能导致载体损坏［5，14-16］。

随着满足国六排放的车辆行驶里程增加，灰分对DPF性能和载体可靠性的影响逐渐凸显［7］。在此背景下，本文中在柴油机台架上研究了不同灰载量下的DPF压差特性和主动再生过程中载体内部温度变化规律，研究结果对提高DPF炭载量计算精度和载体可靠性有指导意义。

1 试验装置

图3为试验装置示意图，试验装置主要包括测功机、柴油机和后处理系统，碳氢喷嘴安装在涡轮增压器后管路上。在主动再生过程中，当DOC前温度达到催化剂起燃温度时，碳氢喷嘴向排气管中喷入碳氢，碳氢在DOC中催化氧化产生高温，提高进入DPF的气流温度。DPF压差传感器用于测量DPF前后的压差。试验用柴油机和DPF主要规格信息如表1和表2所示。

表2 试验用DPF基本参数

图3 试验装置示意图

表1 试验用柴油机主要技术参数

在DPF载体内部，沿着载体中心轴向方向均匀布置10个温度传感器，编号分别标记为1#～10#，图4为各温度传感器布置示意图。

图4 温度传感器布置示意图

图5为DPF积炭加载瞬态工况。积炭加载过程中DOC前温度不高于250℃，DPF积炭前均将上次试验残留积炭消除干净。通过提高柴油机机油消耗率方式进行灰分快速加载，试验用润滑油规格为15W-40，添加剂质量分数为2%。灰分快速加载过程中DPF前温度高于450℃，当灰分加载完成后进行主动再生，DPF前温度为600℃，可去除全部积炭。为减少水分对颗粒物沉积质量的影响，DPF在称量质量前，均在恒温加热箱中保持270℃至少0.5 h。

图5 DPF积炭加载工况

2 灰分成分及分布

使用光谱分析仪分析灰分元素的组成，结果显示灰分主要成分为机油添加剂中Ca、Mg、P和Zn元素，还有少量的Fe和Cu，各元素的质量分数如表3所示。

表3 灰分主要成分质量分数

采用X射线电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）设备扫描试件，切割载体以确定通道内部灰分分布情况。图6（a）为灰载量15 g/L时灰分分布情况，灰分主要积累在通道的壁面，在通道壁面形成灰分沉积层，载体切割后在通道末端未发现堵孔情况（图6（b））。图6（c）为灰载量25 g/L时灰分分布情况，灰分不仅在壁面形成沉积层，而且在通道末端积累形成堵头（图6（d））。堵头完全堵塞通道，减少载体的有效体积。灰分堵头长度代表灰分积累量，灰分堵头长度的分布如图7所示，图中X径向和Y径向分别表示载体的水平和垂直方向。堵头的长度最长可达37 mm，约占载体长度的16%。灰分主要集中在载体中间区域，灰分在整个载体径向分布不均匀。

图6 不同灰载量时灰分CT结果和通道末端切割后放大图

图7 灰分堵头长度分布

3 灰分对DPF压差影响分析

DPF从全新的状态进行灰分加载，当灰分加载到目标灰载量后，在标定点测定DPF压差，图8表示不同的灰载量时的压差数据。

图8中，阶段Ⅰ中灰分加载初始阶段，此时灰载量小于3 g/L，灰分首先进入载体内部孔隙，出现深床捕集效应［3］，气流通过载体流动阻力迅速增加，压差相应变大，灰载量3 g/L时压差达4.6 kPa。图9是灰分在载体内部和壁面上的沉积状态的SEM照片。

图8 压差与灰载量关系

图9 灰分在载体内部和壁面沉积SEM图

灰载量小于20 g/L时继续加载灰分至进入积灰阶段Ⅱ，灰分在通道内的沉积状态如图6（a）和图6（b）所示，此时灰分主要分布在载体壁面，压差随着灰分层厚度增加而线性变化，灰载量为20 g/L时压差可达到7.5 kPa。

灰载量超过20 g/L后进入积灰阶段Ⅲ，灰分在载体通道末端的积聚状态如图6（c）和图6（d）所示，DPF的有效体积减少，气流通过载体的面积减少，气体流动阻力快速增加。灰载量28 g/L时压差高达9.0 kPa，当压差超过柴油机正常运行所需的排气背压限值时，DPF中的灰分必须用专用的清灰设备立即去除。

在DPF实际正常使用过程中，碳烟和灰分同时存在于载体中，当主动再生完全将碳烟去除后才存在只有灰分的情况。标定点稳态工况下，不同灰载量和炭载量时的压差数据如图10所示。

图10 不同灰载量下DPF压差随炭载量的变化

在灰载量为0 g/L的情况下，当炭载量小于4.0 g/L时压差与炭载量成线性关系。在这种情况下，碳烟在载体孔隙填充后，在载体壁面上逐渐形成积炭层，图11是使用SEM拍摄的碳烟在载体壁面沉积状态照片。

图11 载体壁面的积炭层SEM图

灰载量为5 g/L时，压差相比无灰分时减小约1 kPa。主要原因是灰分在载体壁面上沉积后，灰分层将载体和积炭层分离产生膜层效应［6］，由于灰分粒径比碳烟大，降低了气体通过载体的流动阻力，因此少量灰分有助于降低压差。图12显示了灰分和积炭在载体壁面上的沉积状态。

图12 灰分层将载体和积炭层分离放大图

灰载量为15 g/L时压差也与炭载量成线性关系，此时由于灰分层厚度增加，膜层效应变弱，压差比无灰分高。

在灰载量为25 g/L的情况下，压差仅在炭载量小于2.5 g/L时随炭载量增加而线性增大，与灰载量为15 g/L时的线性关系趋势一致。当炭载量大于2.5 g/L时，随着炭载量的增加，压差变化速度比灰载量为15 g/L时加快。主要原因是灰分堵塞通道末端后，积炭无法进入灰分堵塞后的通道，积炭开始在灰分堵塞通道位置的前端积聚，大幅度增加气体通过载体的流动阻力。图13是将载体切割后观察到的灰分堵塞通道的放大照片。

图13 灰分堵塞通道放大图

当炭载量相同时，如果灰分积累量较大，则压差会明显增加。在以压差为基础计算炭载量时，为得到真实的炭载量，需除去灰分产生的压差。以图10中所示的主动再生触发压差为基准，主动再生触发炭载量在无灰分时为3.0 g/L，灰载量15 g/L时为2.4 g/L，但灰载量25 g/L时仅为1.2 g/L，使主动再生触发时间提前。两次主动再生的时间间隔明显缩短不仅造成燃油消耗增加，还会导致催化剂的老化速度加快，应通过积灰模型标定方法消除灰分压差，提高炭载量的计算精度。

4 灰分对DPF主动再生温度场影响分析

当灰载量分别为0 g/L、15 g/L和25 g/L时，继续积炭，直至炭载量为4.0 g/L，并在标定点工况触发主动再生。主动再生过程中，载体内部2#、5#、8#和10#测点的温度变化数据如图14所示，各测点的温度峰值数据如图15（a）所示，相邻两个测点的温度梯度峰值数据如图15（b）所示。温度梯度为当前时刻的相邻两个测点的温度差绝对值除以两个测点之间的距离，例如，梯度位置“1-2”表示计算测点1#和2#两个测点之间的温度梯度，温度梯度越大表明热应力越大，载体越容易出现环裂和面裂等损坏情况。

图14 不同灰载量时主动再生过程中载体内部温度

图15 不同灰载量下主动再生过程中温度和温度梯度峰值变化

无灰分时，整个主动再生过程中，各测点的温度变化平缓，温度沿着气流方向从前到后依次升高，最高温度出现在最后端的10#测点，温度的峰值达到751℃，温度梯度的峰值最大为31.5℃/cm，温度和温度梯度的峰值都明显低于有灰分时。

灰载量为15g/L时，与无灰分情况相比，位于4#测点以后各测点的温度和温度梯度的峰值均显著提高，温度最高点仍位于10#测点，达到1 010℃，比灰分时高258℃。DPF中/后部出现显著的温度峰值，5#和9#测点之间的温度均超过840℃。最大温度梯度出现在8#和9#测点之间，达到180℃/cm，比无灰分时高148℃/cm。5#和6#测点之间、6#和7#测点之间及7#和8#测点之间的温度梯度峰值均超过100℃/cm，此时载体的中部和后部位置在主动再生过程中产生较大的热应力，多次主动再生后可能导致载体损坏。

灰载量为25 g/L时，温度最高的位置出现在6#测点，温度达到945℃，其次是5#测点，温度达到940℃。高温区域主要位于4#和7#测点之间，与灰载量为15 g/L的情况相比，高温区域向DPF前端移动。最大温度梯度出现在4#和5#测点之间，温度梯度的峰值可达198℃/cm，比灰载量15 g/L的情况高18℃/cm，在2#和3#测点之间、3#和4#测点之间、5#和6#测点之间及6#和7#测点之间温度梯度的峰值均超过100℃/cm。尽管此时温度的峰值略低于灰载量15 g/L时，但温度梯度的峰值却增加10%，说明载体中间部位温度变化剧烈，依然对载体可靠性产生严重影响。

5 结论

（1）DPF中无灰分时，压差随炭载量增加而线性增大，在主动再生过程中载体的内部温度最高仅为751℃，各测点之间的温度梯度接近，温度变化平稳，DPF载体无损坏风险。

（2）在DPF灰分积累初期阶段，当灰载量小于3 g/L时压差迅速增加。灰载量为5 g/L时在载体壁面上形成灰分层，压差比无灰分时减小约1 kPa。

（3）DPF灰载量为15 g/L时，灰分分布在通道壁面，通道末端没有堵头，压差随炭载量增加而线性增大。在主动再生过程中，温度峰值达到1 010℃，温度梯度达到180℃/cm，比无灰分时均大幅度升高，对载体可靠性产生严重影响。

（4）DPF灰载量为25 g/L时，堵头长度约占载体长度的16%，载体的有效体积减少，积炭位置向载体前端移动。主动再生过程中温度峰值达到940℃，温度梯度达到198℃/cm，可能对载体可靠性产生严重影响。

（5）DPF灰载量大于15 g/L时，灰分产生的压差大幅度降低主动再生炭载量的实际触发值，使主动再生触发时间提前，主动再生间隔大幅度缩短。