DPF炭烟和灰分加载对不同增压系统柴油机性能的影响

谢振，张江红，胡昌宁

摘要： 基于某直列6缸增压柴油机试验台架，构建了柴油机+DPF的一维热力学仿真模型，研究了DPF炭烟和灰分加载对不同增压系统柴油机性能的影响。研究结果表明，DPF炭烟和灰分加载会导致单级增压（1TC）和二级增压（2TC）柴油机排气背压升高，进气充量降低，从而导致动力性下降，有效燃油消耗量升高，NOx排放量下降，soot排放量增加。炭烟因其深床炭烟层和较低的渗透率有利于捕集颗粒，提高了DPF捕集效率；而灰分由于其存在灰分堵头降低了孔道有效过滤长度，导致DPF捕集效率下降。DPF炭烟和灰分加载导致1TC柴油机扭矩和燃油消耗率在1 000 r/min分别下降22.8%和29.6%，在2 200 r/min分别下降2.1%和2.2%；而2TC柴油机扭矩和燃油消耗率在1 000 r/min分别下降6.7%和7.1%，在2 200 r/min分别下降10.7%和11.9%。二级增压可以降低DPF炭烟和灰分加载对柴油机性能的影响。

关键词： 增压柴油机；颗粒捕集器；排气背压；动力性；燃油经济性

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.02.004

中图分类号： TK427文献标志码： B文章编号： 1001-２２２２（２０24）０2-００26-０7

涡轮增压系统可以提高进气充量，强化发动机功率，改善燃油经济性，降低污染物排放，被广泛应用于柴油机系统［1］。为进一步提升柴油机热效率和高原环境适应性，通常采用二级增压甚至多级增压以提高发动机进气充量［2］。

随着排放法规的不断加严，壁流式柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）已经成为了柴油机满足更严格排放法规必备的后处理装置［3］。尽管DPF可以有效降低颗粒物（particle matter，PM）排放，但随着颗粒物的累积，其需要进行周期性再生以恢复性能［4］。柴油机排放颗粒物中包含的金属杂质并不能通过再生消除，将会在DPF中不断累积，从而增加排气背压，导致发动机性能下降［5］。DPF全生命周期内一直伴随着灰分累积，灰分累积量的增加将直接影响DPF主动再生触发时刻［6］。此外，炭烟和灰分对不同增压系统进气效率的影响存在差异，厘清灰分加载对不同增压系统柴油机性能的影响，将有助于柴油机涡轮增压系统的匹配和标定。目前，针对DPF炭烟和灰分加载对不同增压系统柴油机性能影响的研究鲜见报道。因此，本研究构建了柴油机耦合DPF的一维热力学模型，深入研究DPF灰分加载对不同增压系统柴油机性能的影响，为柴油机+DPF系统的涡轮增压器选型和匹配提供理论参考。

1模型构建与验证

以1台直列6缸重型共轨柴油机为研究机型，构建了单级增压（1TC，one-stage turbocharger）、二级增压（2TC，two-stage turbocharger）柴油机耦合DPF的一维热力学模型，并对模型进行了可靠性验证。表1示出柴油机基本参数，表2示出DPF主要参数。

柴油机采用准维燃烧模型——Hiroyasu油滴蒸发模型（DIJet），DIJet燃烧模型利用热力学原理分析燃烧过程，通过对燃烧空间作分区处理，预测精度更高。柴油机传热模型选用经典的半经验WoschniGT传热模型。柴油机NOx排放包含NO和NO2，热力NO占据主导地位。模型中NO的生成采用Zeldovich机理进行计算。

壁流式DPF由一系列交替堵塞的进/出口孔道组成，排气首先流经进口孔道，经过多孔介质过滤壁面进入相邻的出口孔道。炭烟颗粒在过滤壁面通过惯性碰撞、重力沉降及流动拦截等物理方式被沉积下来。随着炭烟的不断累积，DPF将触发主动再生以恢复DPF性能，而金属无机盐无法通过再生消除，将一直在DPF孔道内累积，导致排气背压增加，排气流经过滤体产生的压降满足达西定律。

图1示出二级增压系统柴油机的热力学模型可靠性验证。为保证模型可靠性，首先对1 330 r/min和1 660 r/min，100%负荷条件下的缸内压力和放热率进行了验证，两工况点缸压和放热率曲线的模拟值与试验值吻合度较高，如图1a和图1b所示。此外，对柴油机外特性条件下的扭矩、进气流量、有效燃油消耗率和NOx排放进行了可靠性验证（见图1c和图1d），各项性能指标的模拟值与试验值趋势一致，吻合度较高，说明模型具有较高可靠性，可以用于對柴油机实际工作过程的预测。

图2示出碳加载过程中DPF载体压降的模拟值与试验值随时间的变化。由于DPF经过多次试验，尽管碳加载试验前已对其进行完全再生处理，但不可避免存在灰分沉积，导致碳加载初期试验值的压降较高，但总体上碳加载过程的模拟值与试验值随时间的变化趋势一致，具有较高的匹配度。因此，可以认为DPF模型具有较高的可靠性。

2结果与讨论

本研究采用控制变量法分别控制炭烟和灰分的加载量，同时纳入未匹配DPF的柴油机原机性能作为参考，制定了共计7个方案（见表3），以探究炭烟和灰分加载对柴油机性能的影响。根据以往的研究，为了确保DPF再生过程的安全性，炭烟加载量达6～8 g/L时，需要触发主动再生，因此将炭烟加载量设定为6 g/L。由于DPF全生命周期均伴随灰分加载，同时灰分加载量也会随柴油机运行时间逐渐增加，因此选取适中的灰分加载量（20 g/L）和极限灰分加载量（40 g/L）两个工况，研究灰分加载对不同增压系统柴油机性能的影响。

2.1DPF炭烟和灰分加载对单级增压柴油机性能的影响

DPF炭烟和灰分加载对柴油机性能影响的本质是炭烟和灰分加载导致DPF性能下降，从而影响柴油机进排气效率和缸内气流运动，进而影响缸内燃油雾化、油气混合和缸内燃烧，最后导致柴油机性能发生变化。因此，要研究DPF炭烟和灰分加载对柴油机性能的影响，首先需要探明炭烟和灰分对DPF性能的影响。图3所示为不同炭烟和灰分加载量对1TC柴油机DPF压降的影响，可见不同炭烟和灰分加载条件下，DPF压降均随1TC柴油机转速的增加而上升。随着炭烟和灰分加载量的增加，DPF压降也随之增加。值得注意的是，方案3和方案4在各转速条件下的DPF压降几乎一致，表明6 g/L的炭烟加载量和20 g/L的灰分加载量对DPF压降的贡献相当，说明炭烟对DPF压降的贡献能力远大于灰分。Konstandopoulos［7］等和Koltsakis等［8］分别计算了炭烟和灰分的渗透率，发现灰分渗透率远大于炭烟，这在一定程度上支持了本研究炭烟对DPF压降的贡献大于灰分的结论。此外，方案7的DPF压降远高于其他方案，表明6 g/L炭烟和40 g/L灰分加载条件下，DPF已经进入极限状态，必须对其进行物理清灰以恢复其性能。

图4所示为炭烟和灰分加载量对1TC柴油机DPF捕集效率的影响。随着柴油机转速增加，所有方案的DPF捕集效率均呈下降的趋势，这是因为发动机转速越高，排气流量越大，加速了排气中颗粒物的动能，因而DPF捕集效率下降。与DPF空载（方案2）条件下的压降最低不同，DPF空载条件下的捕集效率并非最高，方案3、方案6和方案7的DPF捕集效率明显高于方案2，这是因为这3个方案均有炭烟加载，炭烟滤饼层能够提供额外的捕集作用。相关研究也表明［9-10］，DPF中捕集的炭烟会首先沉积在深床的过滤壁面，这将提升DPF的捕集效率。另外，相比于灰分，炭烟的渗透率更低，导致了炭烟滤饼层的过滤效率高于灰分，这也与前述炭烟对DPF压降的贡献高于灰分的结论相一致。

本研究分别采用柴油机扭矩和有效燃油消耗率（break specific fuel consumption，BSFC）作为柴油机动力性和经济性指标。图5所示为炭烟和灰分加载对1TC柴油机扭矩的影响。所有方案中，未配备DPF的1TC柴油机（方案1）扭矩在所有转速条件下均最高，其次是配备空载DPF的柴油机。随着炭烟和灰分的加载，1TC柴油机扭矩下降，这是由于炭烟和灰分加载导致DPF排气背压增加，进气效率下降，从而降低了1TC柴油机扭矩。炭烟和灰分分别加载6 g/L和40 g/L（方案7）时，1TC柴油机扭矩下降幅度最大，这与前述方案7的DPF排气背压远高于其他方案的结果相吻合。唐成章等［11］研究了DPF对柴油机性能的影响，发现DPF对柴油机动力性影响较大，且随着炭烟加载量的增加，柴油机动力性和经济性下降更加明显，其得出的结论与本研究一致。

值得注意的是，DPF炭烟和灰分加载对1TC柴油机低转速工况动力性的影响较大，随着转速的增加，其对动力性的影响降低。此外，随着炭烟和灰分加载量的增加，其对1TC柴油机动力性影响的转速区间也会增加，例如，以原机（方案1）动力性为参考，方案2的扭矩在1 330 r/min恢复到原机的99%，方案3～方案6的扭矩在1 500 r/min恢复到原机的98.7%～99%，方案7的扭矩在1 800 r/min恢复到原机的95.8%，炭烟和灰分加载量越高，1TC柴油机恢复其动力性的转速越高。这是因为1TC柴油机在低转速条件下排气能量较低，涡轮增压器的工作效率更低［12］，DPF加载炭烟和灰分进一步降低了排气能量，且这种降低作用随炭烟和灰分加载量的增加而增加。随着柴油机转速的升高，发动机排气能量增加，涡轮增压器的工作效率提升，从而提高进气效率，使柴油机动力性得到恢复［13］，而炭烟和灰分加载量的增加导致1TC柴油机需要在更高的转速才能恢复涡轮增压器的效率，因此炭烟和灰分加载量的增加对1TC柴油机动力性的影响变大。

图6所示为炭烟和灰分加载对1TC柴油机BSFC的影响。各方案的BSFC随转速的变化趋势以及炭烟和灰分加载量对BSFC的影响趋势与动力性的变化趋势一致，即炭烟和灰分的加载量越大，柴油机BSFC越高，经济性越差。炭烟和灰分加载导致排气背压升高，进气效率下降，进而导致缸内燃气混合和燃烧变差，从而增加了BSFC。景琦等［14］研究了高原对柴油机性能的影响，发现海拔上升导致柴油机进气充量下降，柴油机动力性和经济性也都下降。类似地，本研究炭烟和灰分加载导致DPF排气背压升高，同样也会导致进气充量下降，从而导致动力性下降，BSFC升高。

图7示出炭烟和灰分加载量对1TC柴油机NOx排放的影响，所有方案的NOx排放量随转速升高单调上升。发动机转速较低时，由于进气充量较低，空燃比较低，混合气相对较浓，且低转速条件下的缸内温度相对较低，因而不利于NOx的生成。随着发动机转速升高，涡轮增压器的效率增加，进气充量增加，同时缸内燃烧温度增加，二者共同促进了NOx的生成。需要注意的是，与前述DPF炭烟和灰分加载对1TC柴油机动力性和经济性的影响规律相反，炭烟和灰分加载量升高，NOx排放量反而降低。这是因为氧浓度是決定NOx生成量的关键因素［15］，炭烟和灰分加载量的增加会导致进气充量的下降，从而导致NOx排放的降低。

图8示出炭烟和灰分加载量对1TC柴油机soot排放的影响。与NOx生成条件相反，富油贫氧条件更有利于soot的产生，因此低转速下1TC柴油机soot排放量较高。随着转速的升高，发动机进气充量提高，soot排放量迅速降低。DPF炭烟和灰分加载量对soot排放的影响与对NOx排放的影响相反。

2.2DPF炭烟和灰分加载对二级增压柴油机性能的影响

为了提高柴油机对高原环境的适应性，采用二级增压系统可进一步提高柴油机在高原环境的进气充量，从而恢复柴油机在高原环境的动力性。然而，DPF炭烟和灰分的加载会影响柴油机排气背压和进气充量，从而影响发动机性能。前文已经就DPF炭烟和灰分加载对1TC柴油机性能的影响进行了讨论，而二级增压系统对排气能量的利用率及进气充量的提升作用明显高于单级增压系统。因此，本节将详细探讨DPF炭烟和灰分加载对2TC柴油机性能的影响。

图9示出炭烟和灰分加载量对2TC柴油机DPF压降的影响。各炭烟和灰分加载量下DPF压降均随发动机转速升高而上升，与1TC柴油机DPF压降规律一致。

图10示出炭烟和灰分加载量对2TC柴油机DPF捕集效率的影响。由于炭烟的渗透率较低，因而加载炭烟后的DPF捕集效率较高。尽管灰分的渗透率较高，加载灰分后的DPF捕集效率理论上应该高于空载DPF，但事实上只加载灰分的DPF（方案4和方案5）捕集效率反而有所下降。Wang等［16］研究了灰分在DPF内的形态，发现灰分在DPF内存在滤饼层和灰分堵头两种形式，其中被动再生更容易形成滤饼层，而主动再生更容易形成灰分堵头。灰分堵头缩短了DPF的有效过滤长度，因此导致流经DPF过滤壁面的排气流速升高，从而降低了DPF捕集效率［17］。因此，方案4和方案5中DPF捕集效率下降是由灰分堵头降低了有效过滤长度而导致的。方案7中DPF捕集效率提高则主要归功于炭烟滤饼层对炭烟的捕集作用。

图11示出炭烟和灰分加载量对2TC柴油机扭矩的影响。DPF炭烟和灰分加载导致2TC柴油机动力性下降，相比于炭烟和灰分加载仅对1TC柴油机低转速工况性能影响较大，炭烟和灰分加载导致2TC柴油机全转速工况范围动力性下降的幅度更均匀。此外，炭烟和灰分加载对2TC柴油机经济性的影响与其对动力性的影响相一致（见图12）。

图13示出炭烟和灰分加载量对2TC柴油机NOx排放的影响，二级增压有效改善了柴油机低转速工况进气充量，因而低转速工况的NOx排放较高。随着转速升高，二级增压极大地提高了进气充量，导致缸内燃烧温度下降，NOx排放降低［18］。图14示出炭烟和灰分加载量对2TC柴油机soot排放的影响，soot排放规律与1TC柴油机类似，方案7各转速工况的soot排放量最高。

2.3DPF炭烟和灰分加载对不同增压系统柴油机性能影响的量化对比

前文分析了DPF炭烟和灰分加载对1TC、2TC柴油机性能的影响，尽管1TC和2TC柴油机的性能都会随DPF炭烟和灰分加载而下降，但不同工况的下降程度存在差异。以下针对方案7进一步量化分析炭烟和灰分加载对不同增压系统柴油机性能的影响。

图15a所示为DPF炭烟和灰分加载对1TC、2TC柴油机动力性影响的量化对比。DPF炭烟和灰分加载对1TC柴油机动力性的影响随转速升高而下降，其在1 000 r/min的下降幅度最大（22.8%），而在2 200 r/min的下降幅度最小（2.1%）。相反，DPF炭烟和灰分加载对2TC柴油机动力性的影响随转速升高而增加，其在1 000 r/min的下降幅度最小（6.7%），而在2 200 r/min的下降幅度最大（10.7%）。DPF炭烟和灰分加载对1TC和2TC柴油机经济性的影响与动力性一致（见图15b）。其中，1TC柴油机BSFC在1 000 r/min的升高幅度最大（29.6%），而在2 200 r/min的升高幅度最小（2.2%）；2TC柴油机BSFC在1 000 r/min的升高幅度最小（7.1%），而在2 200 r/min的升高幅度最大（11.9%）。因此，二级增压可以降低DPF炭烟和灰分加载对柴油机经济性的影响。此外，DPF炭烟和灰分加载对2TC柴油机各转速下动力性、经济性的影响程度差异性较小，表明二级增压可以避免炭烟和灰分加载导致柴油机部分工况的性能急剧恶化。

图15c示出DPF炭烟和灰分加载对1TC和2TC柴油机NOx排放影响的量化对比。1TC和2TC柴油机NOx排放均随发动机转速升高而下降，其中1TC柴油机中低转速工况的NOx排放下降百分比明显高于2TC柴油机，这是因为DPF炭烟和灰分加载条件下，二级增压对柴油机中低转速工况的进气充量补偿作用比高转速工况更大，提高了中低转速缸内空气量，有利于NOx的生成，因而NOx下降幅度更小。

3结论

a） DPF炭烟和灰分加载增加了1TC和2TC柴油機DPF压降，降低了柴油机动力性、经济性和NOx排放量，增加了soot排放量；

b） 炭烟加载可以提高DPF捕集效率，灰分加载降低了DPF捕集效率；

c） DPF炭烟和灰分加载对2TC柴油机各转速下动力性、经济性的影响程度差异性较小，表明采用二级增压可以避免DPF炭烟和灰分加载导致柴油机低转速工况性能的急剧恶化。

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Effects of Soot and Ash Loading in DPF on Performance of Diesel Engine with Different Turbocharging Systems

XIE Zhen，ZHANG Jianghong，HU Changning

（Sichuan Vocational and Technical College of Communications，Chengdu611130，China）

Abstract： Based on an in-line six cylinder turbocharged diesel engine test bench， a one-dimensional thermodynamic simulation model of diesel engine equipped with DPF was constructed. The effects of soot and ash loading in DPF on performance of diesel engine with different turbocharging systems were studied. The results show that soot and ash loading in the DPF leads to an increase of exhaust back pressure and a decrease of intake charge for both single-stage turbocharging （1TC） and two-stage turbocharging （2TC） diesel engines， resulting in the decrease of power output and NOx emissions， and the increase of brake specific fuel consumption and soot emissions. Soot is beneficial to filter particles and improve the filtration efficiency of DPF due to its deep-bed soot layer and low permeability. Due to the presence of ash plug， the ash reduces the effective filtration length of the channel， thus reducing the DPF filtration efficiency.Soot and ash loading of the inner DPF caused the power and economy indexes of 1TC diesel engine to decrease by 22.8% and 29.6% respectively at 1 000 r/min， and by 2.1% and 2.2% respectively at 2 200 r/min. The power and economy indexes of 2TC diesel engine decreased by 6.7% and 7.1% respectively at 1 000 r/min， and by 10.7% and 11.9% respectively at 2 200 r/min. Therefore， two-stage turbocharging can reduce the influence of soot and ash loading of the inner DPF on the performance of diesel engine.

Key  words： turbocharged diesel engine；DPF；exhaust back pressure；power；fuel economy

［編辑： 潘丽丽］