DPF灰分對重型柴油車PN排放的影響

薛黎明　萬亮亮　夏德東　王波

摘 要：灰分是顆粒物捕集器（DPF）捕集的微粒物經(jīng)再生氧化燃燒后殘留的不可燃物質(zhì)，灰分沉積會影響DPF性能與使用壽命。本研究基于便攜式排放測試系統(tǒng)，研究了新鮮態(tài)DPF與累積一定灰分的DPF對重型柴油車PN排放的影響。研究表明，與新鮮態(tài)DPF相比，累積一定灰分的DPF能夠有效減少柴油車PN排放。研究結(jié)果對DPF性能優(yōu)化與減少柴油車PN排放具有參考價值和現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：顆粒物捕集器 灰分沉積 捕集效率 DPF PN PEMS

Effect of DPF ash on PN emission of heavy duty diesel vehicles

Xue liming Wan Liangliang Xia Dedong Wang Bo

Abstract：Ash is a kind of non combustible material after regeneration， oxidation and combustion of particulate matter captured by DPF. Ash deposition will affect the performance and service life of DPF. Based on portable emission test system， the effects of fresh DPF and DPF with certain ash content on PN emission of heavy duty diesel vehicles were studied. The results show that compared with fresh DPF， DPF with a certain ash content can effectively reduce the PN emission of diesel vehicles. The research results have reference value and practical significance for DPF performance optimization and reducing diesel vehicle PN emissions.

Key words：particulate matter trap; ash deposition; capture efficiency; DPF; PN; PEMS

1 前言

隨著排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，柴油車采用DPF（顆粒物捕集器）成為一種必然趨勢。隨著DPF孔道壁面上的微粒沉積量增加，會造成柴油機(jī)排氣背壓升高，從而影響到柴油機(jī)缸內(nèi)的燃燒狀況，需要定期對DPF進(jìn)行再生。目前絕大多數(shù)的DPF再生都是基于熱再生的原理，在一定溫度下將DPF中累積的顆粒物氧化燃燒成氣態(tài)物質(zhì)。再生結(jié)束后，在DPF孔道內(nèi)會有一定量的殘留物質(zhì)，這些物質(zhì)被稱為灰分，主要來源于燃油添加劑、潤滑油添加劑、零部件磨損及腐蝕等[1]?；曳謱PF性能和壽命都有很大影響，所以對灰分的探究就十分必要。

2 DPF選型及灰分加載

2.1 DPF選型

試驗選用某渦輪增壓發(fā)動機(jī)DPF，主要參數(shù)如表1所示。選取兩個DPF，分別編號為DPF-1，DPF-2。

2.2 DPF灰分加載

灰分在DPF內(nèi)部沉積是一個漫長的過程，通常是經(jīng)過長時間的使用，多次加載和再生之后才能積累到可觀的量，需要大量的時間和資源。本研究在發(fā)動機(jī)試驗臺架上，通過DPF快速老化試驗方法，加速DPF內(nèi)部灰分沉積。對DPF-2進(jìn)行灰分加載，加載后灰分沉積量為6.5g/L。

3 試驗方法

3.1 試驗設(shè)備

采用美國Sensers公司SEMTECH-DS+便攜式排放測試系統(tǒng)，主要由主控系統(tǒng)（SCS）、氣體分析系統(tǒng)（GAS）、PN分析模塊（CPN）、采樣管、排氣流量計（EFM）、OBD數(shù)據(jù)采集模塊（ICM）、環(huán)境濕溫度計、衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）組成。PN分析模塊采用凝結(jié)核粒子計數(shù)器原理測量PN排放，測量結(jié)果重復(fù)性、精確度都較為理想。

3.2 試驗車輛

以1輛湖北大運新生產(chǎn)的6*2國Ⅵ自卸車為試驗車輛，該車配置了國Ⅵ發(fā)動機(jī)和后處理系統(tǒng)。車輛加載質(zhì)量為最大載荷的50%，燃油為普通市售柴油。

3.3 試驗路線

國Ⅵ法規(guī)[7]要求試驗路線應(yīng)包括：市區(qū)路、市郊路、高速路。試驗車屬N3類，測試道路組成依次為20%的市區(qū)路、25%的市郊路和55%的高速路。試驗開始點和結(jié)束點之間的海拔高度之差不得超過100m，并且試驗車輛的累計正海拔高度增加量應(yīng)不大于1200m/100km。試驗路線選擇十堰市武當(dāng)山-丹江口市土關(guān)埡高速口（沿土武一級路）-襄陽市龍王高速口（沿福銀高速）。

3.4 試驗方法

測試開始前對PEMS設(shè)備預(yù)熱，使之準(zhǔn)備就緒，補充正丁醇溶液并更換新的濾膜。吹掃排氣流量計，清除壓力測量端口冷凝物及柴油顆粒物。對PEMS取樣系統(tǒng)進(jìn)行氣體泄漏檢查，按設(shè)備操作要求執(zhí)行氣體標(biāo)定。測試過程中由兩塊12V鋰電池對PEMS設(shè)備不間斷供電。

車輛進(jìn)行預(yù)熱行駛，當(dāng)冷卻液溫度在70℃以上，測試正式開始。試驗樣車分別搭載新鮮態(tài)DPF-1與加載灰分的DPF-2各進(jìn)行一次試驗，2次試驗由同一名經(jīng)驗豐富的駕駛員以正常駕駛習(xí)慣沿規(guī)劃路線行駛（按市區(qū)、市郊和高速的連續(xù)工況），試驗起終點盡量保持一致。采樣時間均為120min，各運行道路平均車速及時間占比按表2規(guī)定，允許實際道路構(gòu)成比例有±5%的偏差。

3.5 判定方法

采用功基窗口法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和結(jié)果判定。有效窗口：窗口平均功率大于發(fā)動機(jī)最大功率的20%的窗口，有效窗口的比例應(yīng)大于等于50%。若有效窗口比例低于50%，則降低功率閥值，功率閥值最小不能小于10%。本次試驗僅對PN排放進(jìn)行探究，不對CO、NOx排放進(jìn)行評價。在有效功基窗口中，要求90%以上的窗口滿足PN比排放小于1.2*1012/kWh排放限值要求。

4 試驗結(jié)果對比分析

4.1 行駛特征

試驗在夏季進(jìn)行，環(huán)境溫度30-32℃。2次試驗市區(qū)、市郊、高速道路行駛的基本情況見表3。各運行道路平均車速、時間占比均符合國Ⅵ法規(guī)中N3類車輛規(guī)定。

4.2 PN排放結(jié)果

PN排放結(jié)果見表4，2次試驗累積功均滿足最低4～7倍發(fā)動機(jī)循環(huán)功要求，有效窗口比例均超過50%，試驗結(jié)果有效。試驗車搭載新鮮態(tài)DPF-1，PN比排放滿足限值的窗口比例僅26.96%，PN排放不合格;搭載DPF-2，PN比排放滿足限值的窗口比例為100%，PN排放合格。從PN窗口排放（圖1）可以看出，試驗車搭載DPF-1，在大部分?jǐn)?shù)據(jù)采樣點，PN比排放均超過1.2*1012/kWh限值要求，最高峰值達(dá)到7.2*1012/kWh;試驗車搭載DPF-2，在所有采樣點，PN比排放均未超過1.2*1012/kWh，峰值僅1.2* 1011/kWh。

4.3 結(jié)果分析

上述試驗結(jié)果表明，與DPF-1相比，DPF-2可以有效減少PN排放。分析原因為灰分在DPF-2過濾體孔道內(nèi)沉積后形成的層狀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)相類似，當(dāng)灰分層形成后，過濾體孔道內(nèi)相當(dāng)于存在三層捕集介質(zhì)（灰分層、微粒層、過濾壁面），因此隨著灰分在DPF-2過濾體內(nèi)沉積，DPF-2對顆粒物的捕集效率逐漸增大。

但DPF捕集效率與流動阻力是相互矛盾的，只要過濾體內(nèi)存在灰分沉積，流動阻力必然增加，直接影響柴油機(jī)缸內(nèi)廢氣的排出，進(jìn)而影響柴油機(jī)的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)DPF灰分沉積量較大時甚至?xí)氯麨V體的進(jìn)氣孔道，從而被迫對DPF進(jìn)行維修或更換，嚴(yán)重影響DPF的使用壽命。所以在綜合考慮DPF捕集效率、流動阻力與使用壽命時，灰分沉積對DPF而言還是起負(fù)面作用的。

5 結(jié)論

基于便攜式排放測試系統(tǒng)，對灰分對重型柴油車PN排放的影響進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明，與新鮮態(tài)DPF相比，沉積一定量灰分的DPF能有效減少柴油車PN排放。但綜合考慮，灰分沉積對DPF而言還是起負(fù)面作用的。DPF在實際車載使用過程中，灰分在DPF過濾體內(nèi)的沉積是不可避免的，因此在設(shè)計DPF時，如何平衡灰分對DPF捕集效率、流動阻力與使用壽命的影響，是至關(guān)重要的。

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