機油品質(zhì)對柴油機顆粒過濾器性能影響的試驗研究

王曉輝 謝夏琳

針對不同油品的機油摻混率，以及不同油品的機油對柴油機顆粒過濾器（DPF）的積灰特性進行研究。試驗結(jié)果表明，油品的摻混率對DPF的積灰特性有一定的影響，2%的摻混率能縮短試驗的驗證周期，且兩者的差異在工程試驗的合理偏差范圍內(nèi)，因此該方案更適用于工程驗證。機油的油品對DPF的積灰特性影響較大，選擇性能好的機油可以降低催化器的阻力增加速率，延長DPF的清灰里程，降低用戶的使用成本，提高柴油機運行效率。關(guān)鍵詞：柴油機顆粒過濾器;積灰;壓差;清灰里程

0 前言

柴油機在動力性、經(jīng)濟性方面具有突出優(yōu)勢。隨著排放法規(guī)的日益嚴格，柴油機氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放問題愈發(fā)成為柴油機排放控制的難點。重型柴油車僅僅通過缸內(nèi)凈化技術(shù)難以滿足法規(guī)要求，后處理裝置已成了柴油車不可或缺的部件之一[1]。重型柴油車國六排放法規(guī)對PM和顆粒數(shù)（PN）排放都作了明確的限值規(guī)定。

在柴油車后處理裝置中，采用柴油機顆粒過濾器（DPF）已成為滿足國六排放法規(guī)必不可少的技術(shù)手段。DPF的過濾效率可以達到95%以上，除了捕集炭煙顆粒外，DPF還能捕集由部分機油竄入氣缸內(nèi)發(fā)生燃燒產(chǎn)生的灰分。炭煙顆粒部分可以通過DPF再生的方式進行周期性的處理，使得DPF的性能恢復到初始狀態(tài)。DPF的再生可以分為外加能源的主動再生和無外加能源的被動再生2種方式[2]。但是，由于機油進入氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的灰分無法在使用過程中實現(xiàn)周期性的處理，隨著積灰量的增加，在排氣背壓逐漸增大到一定數(shù)值后，發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性會發(fā)生顯著劣化。因此，在使用一定時間后，為了減少因背壓上升導致的發(fā)動機性能劣化，運行車輛需要在服務(wù)站內(nèi)進行清灰處理。在車輛使用的生命周期內(nèi)，積灰的速度越慢，清灰里程越長，用戶對于車輛的使用將會更加便利，用戶獲得的收益也會更高。因此，研究DPF的積灰特性對于用戶的車輛使用體驗具有較大的經(jīng)濟價值。

1 試驗樣機及后處理樣件

研究人員在1臺直列6缸車用柴油機上進行了機油品質(zhì)對DPF積灰特性的試驗研究。該發(fā)動機采用廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)+柴油機氧化催化器（DOC）+DPF+選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)的后處理技術(shù)路線，其排放滿足《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691—2018）中的6b階段排放限值要求。該試驗發(fā)動機的部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 試驗方法

該試驗使用市售柴油，在測試臺架上安裝發(fā)動機和后處理系統(tǒng)，并對后處理系統(tǒng)進行4 h預處理。在預處理過程中保證催化器的空速為40 000 h-1，催化器的入口溫度為450 ℃，在完成對后處理系統(tǒng)的預處理后，研究人員對原始催化器進行了稱重。

為了實現(xiàn)快速驗證的目的，在本試驗中，研究人員對柴油進行了摻混機油的操作。為了對比不同油品的機油摻混率對試驗結(jié)果的影響，研究人員首先安排進行不同摻混率的試驗對比。在試驗過程中，分別采用2%和1%的摻混率，按照相同的試驗步驟開展試驗。在對試驗機油進行調(diào)制后，研究人員對預處理后的DPF進行了裝配調(diào)試，并讓發(fā)動機在最高功率點連續(xù)運行24 h。在試驗結(jié)束后，研究人員再次對催化器進行了稱重，記錄此時的催化器質(zhì)量及相關(guān)試驗條件數(shù)據(jù)。

根據(jù)上一步確定的機油摻混率，研究人員對不同品質(zhì)機油的DPF積灰特性進行驗證。在完成摻混機油A的柴油試驗后，依次更換摻混機油B、機油C、機油D的柴油，同時更換新的催化器，并按照以上的試驗方法進行重復試驗。相關(guān)機油的特性如表2所示。

3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述試驗所得數(shù)據(jù)，研究人員進行了整理分析，按照最大后處理壓力40.0 kPa，計算積灰率和最大允許清灰里程。積灰率y按照下式進行計算。

式中，Q1為積灰量，單位g;Q2為加速試驗機油消耗量，單位g;μ為機油中灰分含量。

清灰里程H按照下式進行計算。

式中，ρ為柴油的密度，單位g/L，此處取值為835 g/L;λ為理論機油消耗率，單位g/（kW·h），此處取值為0.1 g/（kW·h）;be為試驗工況的燃油消耗率，單位g/（kW·h）;Q2為加速試驗機油消耗量，單位g;Q為車輛運行過程的百公里燃油消耗量，單位L。

4 數(shù)據(jù)分析

為了驗證機油摻混率對試驗結(jié)果的影響，本研究基于機油A，對不同摻混率積灰結(jié)果的影響進行了對比。具體試驗方法與上述試驗方法一致。在試驗結(jié)束后，研究人員按照式1和式2對試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

從表3中的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看，在相同的試驗時間內(nèi)，機油摻混率不同，其積灰率也不同。1%的機油摻混率的積灰率相比2%的機油摻混率的積灰率下降了9.48%。雖然機油摻混率對試驗結(jié)果有一定的影響，但2種機油摻混率的結(jié)果偏差處于合理范圍內(nèi)。在工程領(lǐng)域中，2%的機油摻混率能對產(chǎn)品的適用性加速驗證，縮短開發(fā)周期，因而更具試驗價值。因此，下文基于不同油品的研究均基于2%的機油摻混率進行試驗驗證。

不同機油對DPF積灰特性影響的試驗按照上述試驗方法開展。在試驗結(jié)束后，通過式1和式2對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，其結(jié)果如表4所示。

從表4中的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看，在相同的試驗中，不同機油的積灰量和積灰率有較大差異：機油D的積灰量和積灰率最高，且其催化器的壓力增加較快;機油A的積灰率最快，但其催化器的壓力增加最慢，清灰里程最長。在相同的時間內(nèi)，機油A和機油B的催化器壓力增加最大相差8.4 kPa。按照最大的壓力目標40.0 kPa進行折算，機油B的清灰里程相比機油A的要縮短50%以上。對于用戶來說，使用機油A可增加清灰里程，減少清灰的次數(shù)和費用。

為了進一步探索在發(fā)動機性能允許范圍內(nèi)的最大清灰里程，基于機油A，研究人員繼續(xù)延長積灰的試驗時間，并在試驗過程中檢測后處理的壓力增加速率。當壓力增加接近20.0 kPa時，試驗結(jié)束。在試驗結(jié)束后，研究人員對試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，其結(jié)果如表5所示。

從表5的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，基于機油A的3次積灰（積灰時間分別為24 h、36 h、48 h）累積量為297 g，初始新鮮狀態(tài)后處理器壓力為20.3 kPa，48 h積灰試驗后，后處理壓力增加值為19.8 kPa，此時后處理器最大壓力達到40.1 kPa，累積折合清灰里程為393 932 km。由于此時后處理器的最大壓力目標與設(shè)計目標基本一致，因此最大清灰里程滿足350 000 km的產(chǎn)品設(shè)計目標。

5 結(jié)論

本文主要通過針對不同油品的機油摻混率，以及不同油品的機油對DPF的積灰特性進行了研究，得出如下結(jié)論。

（1）2%和1%的機油摻混率，對試驗結(jié)果略有影響。1%的機油摻混率的積灰率相比2%的機油摻混率的積灰率下降了9.48%。

（2）基于不同油品機油的對比結(jié)果來看，機油品質(zhì)對積灰的特性影響較大。在相同的時間內(nèi)，機油A和機油B的催化器壓力最大相差8.4 kPa。按照最大壓力目標40.0 kPa進行折算，機油B的清灰里程相比機油A的縮短50%以上，在某柴油機使用機油A的情況下，會造成用戶的產(chǎn)品體驗較差，并會增加用戶使用成本。

（3）按照機油A的試驗結(jié)果進行評估，其清灰里程可達393 932 km，滿足350 000 km清灰里程的產(chǎn)品設(shè)計目標。

機油油品對DPF的積灰特性影響較大，選擇性能較好的機油可以降低用戶的使用成本，提高柴油機運行效率。

[1]帥石金， 劉世宇， 馬驍， 等. 重型柴油車滿足近零排放法規(guī)的技術(shù)分析[J].汽車安全與節(jié)能學報， 2019， 10（01）：16-31.

[2]吳鳳英， 王站成， 徐斌， 等. 柴油機顆粒捕集器（DPF）再生技術(shù)分析[J].環(huán)境工程， 2015， 33（6）：67-70.