董光雷，劉海濱，張俊龍，呂志華，賈德民

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225000

0 引言

柴油機(jī)排放物中的顆粒物(particulate matter,PM)是大氣污染的重要來源，柴油機(jī)顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)可有效降低PM排放，是滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的必備技術(shù)之一[1]。DPF載體材料主要是堇青石或碳化硅，通過將通道入口和出口分別錯位封堵，使氣流從進(jìn)口流入后經(jīng)載體壁流出，載體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔，通過擴(kuò)散、攔截和慣性撞擊等不同方式將PM捕集[2]，PM過濾效率可達(dá)90%，顆粒物數(shù)量(particle number，PN)過濾效率[3]達(dá)到99%。

PM的成分主要是碳煙、可溶性有機(jī)物(soluble organic fraction，SOF)和灰分[4]，碳煙及SOF可氧化去除，但灰分不可氧化，最終殘留在DPF載體中[5-6]?；曳址e累過多，影響DPF壓降，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)正常工作。為滿足發(fā)動機(jī)和DPF正常工作，當(dāng)DPF壓降達(dá)到一定值后，應(yīng)及時清除灰分，一般是固定的里程或者運(yùn)行時長間隔。清灰之前，需獲知當(dāng)前DPF中灰分量，進(jìn)行碳載量計(jì)算、控制優(yōu)化主動再生過程，然后提醒用戶進(jìn)行清灰。某重型柴油發(fā)動機(jī)行駛106km以上，灰分積累過多，DPF壓降增大，估計(jì)碳載量偏高，主動再生過程提前[5]，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)正常工作。發(fā)動機(jī)灰分的形成主要來自機(jī)油燃燒，但正常工作下機(jī)油消耗量較少，在發(fā)動機(jī)臺架進(jìn)行灰分相關(guān)模型標(biāo)定時，耗費(fèi)時間過長，需要探索一種灰分快速加載方式，且制作的積灰件適合DPF碳載量評估試驗(yàn)。

1 灰分產(chǎn)生機(jī)理

發(fā)動機(jī)機(jī)油添加劑是DPF灰分的主要來源[6]，發(fā)動機(jī)工作過程中，部分機(jī)油從活塞環(huán)組與缸套之間進(jìn)入燃燒室，與柴油共同燃燒，發(fā)動機(jī)大部分灰分為機(jī)油添加劑中的S、P、Ca、Mg、Zn等燃燒后形成[7]，很小一部分來自發(fā)動機(jī)磨屑、柴油中無機(jī)添加劑、排氣管路銹蝕和通過空濾的微粒。

灰分在DPF中的分布主要在通道壁面、載體孔道和通道末端，如圖1所示?；曳中螒B(tài)受發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗率、發(fā)動機(jī)使用工況、DPF再生方式等因素影響，DPF主動再生過程產(chǎn)生的高溫可能使灰分燒結(jié)在通道表面，造成通道堵塞[8]，積碳和灰分無法進(jìn)入DPF，DPF有效使用體積明顯縮小，局部碳載量升高，且灰分層使氣體流動阻力增大，載體散熱能力減弱，DPF內(nèi)部可能產(chǎn)生局部高溫[9-11]，嚴(yán)重時導(dǎo)致DPF損壞。

a)通道壁面 b)載體孔道 c)通道末端

在捕集初期，灰分顆粒進(jìn)入載體孔道后使DPF壓降快速增加，并隨著通道壁面灰分層厚度的增加而逐漸增大，在形成積碳前，DPF壓降增加與積灰量呈線性關(guān)系，積灰量較大時灰分在通道末端堵塞，導(dǎo)致壓降快速增大。實(shí)際使用過程中，DPF中灰分和積碳同時存在，當(dāng)灰分較少時，灰分會在通道壁面形成一層灰分層，灰分層阻止積碳深床捕集過程發(fā)生，出現(xiàn)膜層效應(yīng)[12]，如圖2所示，此時DPF壓降比無灰分時降低。通常DPF碳載量估計(jì)方法是基于壓降和碳載量線性關(guān)系計(jì)算，但灰分的存在改變了壓降特性，使估計(jì)碳載量高于實(shí)際碳載量，此時若按照估計(jì)碳載量判斷并觸發(fā)主動再生，將導(dǎo)致主動再生觸發(fā)過早[13]，再生頻繁，造成不必要的燃油消耗及高溫安全隱患。

圖2 灰分沉積在壁面膜層效應(yīng)示意圖

2 試驗(yàn)方案

正常情況下灰分來自機(jī)油燃燒，快速積灰的目的是加速灰分積累速率。為了對比不同積灰方式對DPF壓降的影響，制定了提高機(jī)油耗、燃燒器快速積灰、模擬灰分、機(jī)油摻燒、進(jìn)氣管滴油共5種DPF快速積灰試驗(yàn)方案，分別測量各種快速積灰方案的DPF壓降，并與原發(fā)動機(jī)的臺架耐久試驗(yàn)和整車真實(shí)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為某滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的增壓中冷、直列6缸、四沖程、高壓共軌柴油機(jī)，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。DPF材料為堇青石，參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 DPF參數(shù)

2.1 提高機(jī)油耗

發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，活塞組件的機(jī)油消耗占總機(jī)油消耗的80%左右[14]，提高機(jī)油耗試驗(yàn)通過降低油環(huán)彈力，減少油環(huán)在活塞下行過程中的刮油量，使進(jìn)入燃燒室的機(jī)油增加。本試驗(yàn)中機(jī)油耗增加50%,試驗(yàn)用機(jī)油型號為CK-4 15W-40，機(jī)油添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，積灰過程中發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況為額定轉(zhuǎn)速且滿油門，DPF前溫度高于450 ℃。

2.2 燃燒器

燃燒器快速積灰設(shè)備方案如圖3所示。柴油和壓縮空氣注入燃燒室內(nèi)，火焰后溫度不低于1200 ℃。調(diào)節(jié)稀釋空氣1路進(jìn)入量，減少燃燒產(chǎn)生的碳煙，機(jī)油在高壓空氣作用下霧化后于火焰中心處噴入，機(jī)油霧化后粒徑不大于80 μm，在高溫下燃燒生成灰分；調(diào)節(jié)稀釋空氣2路進(jìn)入量，使DPF前溫度不高于550 ℃；調(diào)節(jié)機(jī)油噴入量實(shí)現(xiàn)灰分生成速率控制，每運(yùn)行5 h后將DPF稱重以確定積灰量。

圖3 燃燒器快速積灰設(shè)備示意圖

2.3 模擬灰分

模擬灰分快速積灰設(shè)備方案如圖4所示，模擬灰分成分為Al2O3，顆粒直徑為5～10 μm，在高壓空氣作用下，模擬灰分在顆粒氣溶膠混合裝置中均勻混合，負(fù)壓吸氣裝置將混有模擬灰分顆粒的氣溶膠氣體吸出，氣體經(jīng)過DPF，模擬粉末顆粒被捕集，通過調(diào)節(jié)氣溶膠中顆粒濃度及氣體流量調(diào)節(jié)灰分加載速率，整個加載過程在冷態(tài)下完成。

圖4 模擬灰分快速積灰設(shè)備示意圖

2.4 機(jī)油摻燒

機(jī)油摻燒方式快速積灰是將機(jī)油加注到燃油中攪拌均勻，通過燃油系統(tǒng)把機(jī)油噴入燃燒室，在額定轉(zhuǎn)速滿油門工況進(jìn)行灰分加載。試驗(yàn)中摻混機(jī)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%和1.0%，由于機(jī)油黏度比柴油大，若摻混比過高，可能導(dǎo)致霧化效果差且容易堵塞噴油器。

2.5 進(jìn)氣管滴油

進(jìn)氣管滴油快速積灰示意如圖5所示。機(jī)油從渦輪增壓器壓端前注入，由于壓端進(jìn)氣為負(fù)壓，利于機(jī)油吸入，機(jī)油在增壓器葉輪快速旋轉(zhuǎn)下加速破碎霧化，通過調(diào)節(jié)機(jī)油注入量調(diào)節(jié)灰分生成速率，積灰過程中發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況為額定轉(zhuǎn)速且滿油門。

圖5 機(jī)油注入進(jìn)氣管快速積灰示意圖

2.6 臺架耐久試驗(yàn)

發(fā)動機(jī)在臺架進(jìn)行1000 h耐久試驗(yàn)，DPF在試驗(yàn)過程中捕集發(fā)動機(jī)正常機(jī)油消耗產(chǎn)生的灰分。試驗(yàn)工況為怠速、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩最高轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩最低轉(zhuǎn)速和最高空車轉(zhuǎn)速之間循環(huán)運(yùn)行，其中額定工況和最大轉(zhuǎn)矩工況滿油門。

2.7 整車試驗(yàn)

整車試驗(yàn)使用與表1、2中同規(guī)格的發(fā)動機(jī)和DPF，用戶在真實(shí)使用場景下駕駛車輛，行駛路況主要為國道。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

DPF積灰后壓降接近真實(shí)使用情況，才能進(jìn)行積碳和灰分相關(guān)控制模型標(biāo)定，提高模型精度，更好控制DPF工作。發(fā)動機(jī)為額定工況且滿油門時，不同積灰方式下的DPF壓降隨灰載量的變化如圖6所示。

圖6 不同積灰方式DPF壓降對比

由圖6可知：1)整車試驗(yàn)的最小灰載量為5 g/L，對應(yīng)壓降為42 hPa；最大灰載量為15 g/L，對應(yīng)壓降為60 hPa；2)提高機(jī)油耗試驗(yàn)件DPF壓降介于臺架耐久試驗(yàn)件和整車試驗(yàn)件之間，灰載量為5 g/L時DPF壓降為46 hPa左右，灰載量為15 g/L時DPF壓降為62 hPa左右，且比整車試驗(yàn)件大2 hPa，DPF壓降和灰載量成線性關(guān)系且與整車試驗(yàn)件近似，在純灰分狀態(tài)下，提高機(jī)油耗方式產(chǎn)生灰分的DPF壓降較接近整車試驗(yàn)件，且基本與臺架耐久搭載件的DPF壓降相同；提高機(jī)油耗快速積灰方式?jīng)]有改變灰分產(chǎn)生原理[15]，但灰分積累速率比正常耐久發(fā)動機(jī)僅提高50%左右，若達(dá)到標(biāo)定高灰分量，所需時間更長；3)燃燒器試驗(yàn)件灰載量為5 g/L時DPF壓降為47 hPa，灰載量15 g/L時DPF壓降為67 hPa，比整車試驗(yàn)件大7 hPa，壓降整體稍高于整車試驗(yàn)件；4)模擬灰分試驗(yàn)件灰載量為5 g/L時DPF壓降為43 hPa，灰載量為15 g/L時DPF壓降為55 hPa，比整車試驗(yàn)件小5 hPa；5)機(jī)油摻燒和進(jìn)氣管滴油試驗(yàn)件產(chǎn)生的DPF壓降均大幅高于整車試驗(yàn)件，主要原因是灰分在沉積過程中出現(xiàn)堵孔；6)臺架耐久試驗(yàn)件灰載量為5 g/L時DPF壓降為45 hPa左右，灰載量為15 g/L時DPF壓降為63 hPa左右，且比整車試驗(yàn)件大3 hPa，DPF壓降和灰載量成線性關(guān)系且與整車試驗(yàn)件幾乎相同。

灰載量為15 g/L時，整車試驗(yàn)件、燃燒器試驗(yàn)件、模擬灰分試驗(yàn)件電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)圖像分別如圖7～9所示。

圖7 整車試驗(yàn)件CT

由圖7可知：整車試驗(yàn)件氣流方向?yàn)閺纳舷蛳?，灰分未見在通道末端積聚。由圖8可知：燃燒器試驗(yàn)件未見灰分在通道末端積聚，燃燒器試驗(yàn)件與整車試驗(yàn)件宏觀灰分分布未見明細(xì)差異，但由于CT掃描精度較低，無法清晰展示壁面層灰分分布，且燃燒器產(chǎn)生的灰分粒徑及形態(tài)與正常燃燒存在差異，可能導(dǎo)致燃燒器試驗(yàn)件壓降與整車試驗(yàn)件存在差異。由圖9可知：部分模擬灰分顆粒在通道末端沉積。由于灰分在壁面沉積產(chǎn)生的DPF壓降大于末端沉積，所以模擬灰分在低灰載量時DPF壓降接近整車試驗(yàn)件，但灰載量較高時DPF壓降低于整車試驗(yàn)件。

圖8 燃燒器試驗(yàn)件CT 圖9 模擬灰分試驗(yàn)件CT

機(jī)油摻燒比為0.5%,試驗(yàn)件灰載量分別為10、15 g/L時，積灰異常CT圖像如圖10所示。

a)灰載量10 g/L b)灰載量15 g/L

由圖10a)可知，灰載量為10 g/L時，試驗(yàn)件CT圖像顯示DPF前端面灰分大量在進(jìn)氣口沉積，灰分厚度約2 mm；圖10b)可知，灰載量為15 g/L時，試驗(yàn)件CT圖像顯示灰分堵塞通道，在整個載體中出現(xiàn)不連續(xù)沉積。進(jìn)氣管滴油壓降與機(jī)油摻燒比0.5%時近似，但壓降和灰載量不再成線性關(guān)系，有一定波動，原因是機(jī)油進(jìn)入增壓器經(jīng)中冷管路期間，部分機(jī)油被吸附在管壁，無法全部進(jìn)入燃燒室。

不同積灰方式的DPF壓降和積灰效率對比如表3所示，其中整車試驗(yàn)作為其他積灰方式對比基準(zhǔn)，+數(shù)量越多代表指標(biāo)越好。

表3 不同方案的DPF壓降和積灰效率對比

由表3可知：提高機(jī)油耗的積灰速率相比臺架耐久試驗(yàn)有所提高，且DPF壓降效果接近整車試驗(yàn)。燃燒器和模擬灰分2種積灰方式的積灰速率較快，但DPF壓降效果比整車試驗(yàn)略有偏差。機(jī)油摻燒和進(jìn)氣管滴油2種積灰方式的DPF壓降效果大幅度偏離整車試驗(yàn)。

4 結(jié)語

在積灰樣件制作時間充足情況下，提高機(jī)油耗方式是快速制作積灰件的最佳方式；其次是模擬灰分和燃燒器2種積灰方式，機(jī)油摻燒和進(jìn)氣管滴油方式產(chǎn)生的灰分無法應(yīng)用于臺架模型標(biāo)定。本研究為后期精確計(jì)算DPF積灰量、優(yōu)化灰分模型、深入研究主動控制提供試驗(yàn)依據(jù)。