灰分對柴油機微粒捕集器性能及再生的影響

郎建平,劉倩,張治強,段娜,任永凱

(1.中國重汽集團濟南動力部，山東濟南 250200;2.中國重汽集團技術(shù)發(fā)展中心，山東濟南 250200)

0 引言

柴油機熱效率較高，在重型貨車、城市大巴等大型運輸工具上幾乎都用柴油機作為動力[1]。柴油機廣泛應用的同時，排放的顆粒物和氮氧化物等是造成大氣污染的重要成分。解決柴油機排放污染的關(guān)鍵是柴油機顆粒物凈化。目前，柴油機微粒捕集器(diesel particular filter，DPF)是處理柴油機顆粒物排放最有效的后處理系統(tǒng)[2-3]。

壁流式DPF中，當排氣從一個過濾孔道流入后穿過多孔性壁面從相鄰孔道流出時，顆粒物被有效地捕集在載體上。DPF可以有效過濾柴油機排氣中的顆粒排放物，但是當顆粒物在載體中累積到一定數(shù)量時，柴油機排氣阻力增加，排氣背壓升高，嚴重影響柴油機的動力性和經(jīng)濟性，因此必須選擇合適的時機，利用物理或化學方法去除DPF載體內(nèi)累積的顆粒物，去除載體內(nèi)沉積顆粒物的過程稱為再生。DPF再生效率不可能達到100%，即再生過程不能將所有累積的顆粒物完全去除，有一些顆粒物留在DPF載體內(nèi)部，這些顆粒物稱為灰分。載體內(nèi)的灰分不僅會增加流動阻力，還會占用載體通道內(nèi)的有效過濾面積，對排氣中顆粒物的過濾和DPF的再生效率都有不利影響；這些灰分不能燃燒，只能依靠物理方法去除。同時，灰分大量沉積影響DPF的使用壽命。因此，對灰分研究具有重要意義。

1 灰分的形成和沉積對主動再生過程的影響

DPF的再生技術(shù)是影響DPF能否在柴油機上正常使用的關(guān)鍵。根據(jù)再生系統(tǒng)的原理，DPF再生技術(shù)大體分為兩類，一是主動再生，即直接加熱使微粒燃燒，二是被動再生，即通過催化劑的催化作用降低顆粒物的反應活化能，使捕集的顆粒物能夠在柴油機正常排氣溫度范圍內(nèi)燃燒。兩類方法都是將DPF收集的微粒通過燃燒變成氣態(tài)排出，達到DPF再生的目的[4]。

1.1 主動再生技術(shù)

主動再生技術(shù)利用的能量并非缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的能量，而是外加能量。外加能量使柴油機排氣溫度達到顆粒物的起燃溫度，燃燒顆粒物實現(xiàn)再生。該項技術(shù)對發(fā)動機的運行工況要求較低，對柴油中的硫含量不敏感，因此應用較廣泛。噴油助燃再生是國內(nèi)外研究和應用較多的一種主動再生方法。噴油助燃再生的基本原理為：當檢測到DPF需要再生時，通過布置在氧化性催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)前端的碳氫噴射器(hydrocarbon injector，HCI)向排氣中噴射一定的柴油，噴入的柴油在DOC內(nèi)氧化，提升排氣溫度至顆粒物的起燃溫度，使DPF載體內(nèi)的顆粒物著火燃燒，達到DPF再生的目的[5]。李新等[6]和龔金科等[7-8]對DPF的主動再生系統(tǒng)進行自行設(shè)計，并對其再生控制策略進行研究。

1.2 灰分來源

DPF中的灰分主要由硫酸鹽、磷酸鹽和鈣、鎂、鋅的氧化物等組成，主要來源有3個：1)柴油機潤滑油中的添加劑，這些添加劑的主要作用是清潔、防氧化和防腐蝕等，起到有效保護摩擦副，降低摩擦的作用；2)柴油冶煉過程中的添加劑，其目的是提升柴油品質(zhì)，或者是降低再生過程中顆粒物的起燃溫度；3)金屬物脫落，如柴油機摩擦副摩擦產(chǎn)生的金屬碎屑，以及后處理器堇青石載體脫落的材料等[9]。

缸套—活塞環(huán)摩擦副主要通過機油潤滑，運動過程中有少許機油進入燃燒室，因此柴油機在正常工作過程中會消耗機油。圖1為柴油機潤滑系統(tǒng)示意圖，曲軸箱中的潤滑油由機油泵輸送到機油濾清器和摩擦副表面，循環(huán)后的絕大部分機油回流至曲軸箱，少許機油進入燃燒室燃燒，然后伴隨排氣一同排出。當排氣經(jīng)過DPF時，由于內(nèi)部阻力大，流動阻力增加，潤滑油中金屬元素燃燒所生成的灰分沉積在DPF中，圖2為DPF的工作原理示意圖。

圖1 柴油機潤滑系統(tǒng)示意圖 圖2 DPF的工作原理

1.3 灰分對DPF再生的影響

因DPF上有灰分，不能達到完全再生時，DPF壓降增加，導致柴油機動力下降、油耗增加。DPF模型如圖3所示。DPF再生后，灰分層附著在基層上，進行捕集的顆粒物附著在灰分層上?；曳謱拥拇嬖谙拗撇都w粒物的能力，灰分層截面積越大，流通面積的限制率就越高。DPF流通面積限制率與壓降的關(guān)系如圖4所示，流通面積限制是指灰分層厚度占壁流式載體孔道厚度的百分比，壓降隨著流通面積限制率的增加急劇增加。隨著DPF內(nèi)部灰分的增多，DPF的再生效率降低，造成再生不完全，即使再生后，背壓仍舊很高，導致DPF的頻繁、反復再生。如不及時將灰分去除，將嚴重影響DPF的正常使用。有研究表明，對于壁流式堇青石載體的DPF，經(jīng)過5萬km的道路運行后，沉積的顆粒物中有一半為灰分，再生效率最高為50%；經(jīng)過24萬km后，DPF載體內(nèi)沉積的灰分質(zhì)量占比為80%，再生效率僅為20%，造成DPF頻繁再生，因此必須對DPF做周期性清灰處理[10]。

1.4 灰分成分及沉積形式

灰分的大部分組分是金屬硫酸鹽和磷酸鹽，一小部分是金屬氧化物。硫酸鈣及其他金屬成分是灰分中主要的潤滑劑衍生成分，其質(zhì)量為灰分總質(zhì)量的59%～75%。雪佛龍和路博潤測試顯示了潤滑劑化學性質(zhì)對灰分組成和形態(tài)的影響，并最終影響DPF的壓降，在再生過程中影響壓降的變化規(guī)律?；曳种械匿X和硅元素來自載體表面的脫落，鐵、錳、鋅等來源于發(fā)動機摩擦副的磨損；鈉和鉀元素來自燃油添加劑[11-12]。Bardasz等[13]使用具有不同含量的鈣、鎂、二烷基二硫代磷酸鋅、磷和硼等10種潤滑油進行研究，指出潤滑劑中磷濃度高不直接導致DPF壓降增加，該研究進一步指出DPF中鉑含量與灰分中磷的關(guān)系，鉑與磷相互作用可降低灰分顆粒的尺寸，使灰分小到可以穿過DPF；類似的研究中，在微粒捕集器沉積的灰分中沒有發(fā)現(xiàn)硼。

圖3 DPF模型的幾何參數(shù) 圖4 DPF的流通面積限制與壓降的關(guān)系

灰分在DPF載體中的沉積形式和形態(tài)多種多樣，沉積的形式和形態(tài)影響DPF的壓降?；曳殖练e在DPF壁流式載體的兩端或壁流式載體通道的進口時會形成堵頭，比沉積在中心部分對壓降的影響更大。再生方式對灰分沉積的形式和形態(tài)有影響，主動再生后，灰分沉積在進口的部分比中心部位多；而被動再生后，灰分大部分沉積在載體的中心部位，分布比較均勻。

灰分在DPF內(nèi)沉積后，DPF載體的過濾效率升高，過濾過程中攔截作用更加明顯，能夠顯著提升捕集顆粒效率，但灰分成分對于載體過濾效率的詳細影響機理還需進一步的研究才能明確[14]。

圖5 DPF載體結(jié)構(gòu)示意圖

2 降低灰分的措施

2.1 壁流式DPF

DPF載體通常是壁流式孔道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖5所示，材料以堇青石或碳化硅材料為主，通過慣性碰撞、攔截、分子形式的擴散、重力沉降等機理將顆粒物從排氣中分離到載體壁面上[15-16]。微粒捕集器的可靠再生技術(shù)、壁流式過濾載體可靠性技術(shù)、低背壓過濾技術(shù)、低灰分及清灰技術(shù)等是目前微粒捕集器的主要研究方向。

2.2 降低灰分的措施

表1 不同種類的柴油潤滑油成分

不同種類的柴油潤滑油成分如表1所示。由表1可知，潤滑油中金屬含量越高，堿值越大。潤滑油的堿值越高，潤滑性能越好，但是堿值越高，金屬含量越高，進入燃燒室參與燃燒后形成的顆粒物就越多。研究發(fā)現(xiàn)，同臺柴油機采用低灰分潤滑油(硫酸鹽灰分的質(zhì)量分數(shù)為 0.96%)的DPF壓降增加幅度比用高灰分的潤滑油(硫酸鹽灰分質(zhì)量分數(shù)為 1.70%)小[17-18]。為了增加DPF整體使用壽命，應盡可能地提高DPF的儲灰能力或盡量選用低灰分的潤滑油產(chǎn)品。

DPF對硫酸鹽灰分比較敏感的原因是:1)潤滑油形成的硫酸鹽灰分多為硬度較大的顆粒物，沉積在DPF載體壁面時，容易被捕集且無法再生；2)硫酸鹽、磷酸鹽灰分沉積在催化劑表面，使催化劑中毒，降低被動再生顆粒物的能力。

通過使用低硫燃油和低硫潤滑油降低灰分中的硫酸鹽成分，并通過新型清凈劑、分散劑來補償?shù)土虍a(chǎn)生的影響。潤滑油中的磷主要為二烷基二硫代磷酸鋅，其作用主要為抗磨，可以通過采用新的無磷抗磨劑和抗氧劑來替代。

2.3 反吹清除

過多的灰分沉積在DPF中導致再生不完全，大幅增加再生頻率，嚴重影響發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，因此，當DPF中灰分沉積量達到一定程度后，需要及時清理DPF中的灰分。由分析可知，灰分的主要成分為金屬硫酸鹽和磷酸鹽，和碳煙一起沉積在載體中，沉積的碳煙經(jīng)過再生后燃燒消耗掉，而金屬硫酸鹽和磷酸鹽經(jīng)過再生過程的高溫作用，更加牢固地附著在載體中，甚至會形成燒結(jié)，難以清除。

柴油車廠家一般會給出DPF清灰的間隔時間或者行駛里程間隔，并在控制系統(tǒng)中給予提醒。目前最為常用且有效的清灰方式是高壓空氣反吹法。反吹是清除灰分的物理方法，將高壓空氣從DPF的出口反向進入，將灰分從DPF的進口吹出并收集起來，高壓空氣能夠有效吹出沉積在DPF載體上的灰分沉積層，根據(jù)DPF載體的大小不同,清灰時間一般控制在30～60 min。除高壓空氣反吹法外,還有其他的清除灰分的形式，例如利用水或者其他清洗液進行清洗，利用清洗液對拆卸下來的載體進行浸液清洗，灰分溶解到清洗液中，這種方法對載體上的催化劑有影響，因此只能用于清洗沒有催化劑的DPF載體，目前應用較少。

3 結(jié)語

潤滑油是灰分的主要來源，主要成分為硫酸鹽和磷酸鹽。堿性添加劑過多勢必會引起鈣、鎂元素含量的增加，進入燃燒室后生成的灰分就會增多，從而影響DPF的再生?；曳謱PF載體的再生效率有非常大的影響，會導致DPF頻繁再生從而嚴重影響柴油機的經(jīng)濟性，需要及時清理。高壓空氣反吹是清灰的有效方式，還可以通過使用清凈劑、分散劑降低灰分中的硫酸鹽成分。