灰分對(duì)柴油機(jī)顆粒捕集器性能和可靠性影響試驗(yàn)研究

劉海濱，董光雷，張俊龍，呂志華，賈德民，張建華

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊 261061）

0 概述

柴油機(jī)排放物中的顆粒物（particulate matter，PM）是大氣污染的重要來(lái)源之一，對(duì)人類的健康存在 危 害［1］。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(guó)六排放法規(guī)所采用的必備技術(shù)之一［2］。

DPF載體材料主要為堇青石和碳化硅。DPF載體通道如圖1所示，通道的入口和出口分別錯(cuò)位封堵，柴油機(jī)排氣流從入口進(jìn)入，經(jīng)載體壁流出后，從出口流出。圖2是使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）拍攝的載體內(nèi)部疏松多孔結(jié)構(gòu)圖片，載體通過(guò)擴(kuò)散、攔截和慣性撞擊等方式捕集PM［3］，捕集效率可高達(dá)99%。

圖1 DPF載體通道示意圖

圖2 載體通道斷面結(jié)構(gòu)SEM圖

PM的成分主要是碳煙、可溶性有機(jī)物（soluble organic fraction，SOF）［4］和灰分。柴油機(jī)氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）可氧化去除SOF，采用主動(dòng)再生或被動(dòng)再生措施可氧化燃燒去除碳煙，但灰分不可被氧化并最終殘留在載體中［5-7］。

柴油機(jī)潤(rùn)滑油的添加劑是灰分最主要來(lái)源［5，8-10］，DPF中灰分積累量和潤(rùn)滑油添加劑的消耗量成正比。柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，部分潤(rùn)滑油會(huì)進(jìn)入到燃燒室內(nèi)與柴油一起參與燃燒。潤(rùn)滑油添加劑中的Ca、Mg、P、Zn等元素燃燒后形成灰分，灰分在燃燒早期形成［11］。以Ca元素為例，在燃燒高溫期大部分Ca以氣態(tài)氫氧化物形式存在，隨著燃燒溫度降低，首先轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO，然后在更低溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)镃aSO4。Ca的化合物具體成分與實(shí)際燃燒反應(yīng)速率有關(guān)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒是單獨(dú)成核還是在積聚模式主要取決于燃燒后的冷卻速率和顆粒濃度，灰分顆粒排除燃燒室后被DPF捕集。盡管柴油機(jī)機(jī)油消耗水平已控制在較低水平，但DPF中灰分積累量依然隨柴油機(jī)使用時(shí)間增加而增多。

灰分在DPF通道壁面沉積后，可提高PM過(guò)濾效率，當(dāng)灰分積累量較多且在通道末端形成堵頭時(shí)，DPF有效體積減小，壓差顯著增加［5，10，12-13］。

灰分中的硫和磷等元素會(huì)使DPF催化劑中毒，灰分層減小碳煙和催化劑反應(yīng)面積，灰分堵塞通道后，氣流空速變大，使碳煙和催化劑反應(yīng)時(shí)間縮短，上述因素綜合導(dǎo)致積炭被動(dòng)效率降低［5，10，14］。

DPF主動(dòng)再生控制策略主要基于通過(guò)壓差計(jì)算得到的炭載量估計(jì)值，由于灰分改變了壓差特性，使炭載量估計(jì)值與真實(shí)值偏差較大，主動(dòng)再生時(shí)間判斷錯(cuò)誤，使主動(dòng)再生過(guò)于頻繁或者DPF內(nèi)部產(chǎn)生異常高溫，不僅增加燃油消耗量，還可能導(dǎo)致載體損壞［5，14-16］。

隨著滿足國(guó)六排放的車輛行駛里程增加，灰分對(duì)DPF性能和載體可靠性的影響逐漸凸顯［7］。在此背景下，本文中在柴油機(jī)臺(tái)架上研究了不同灰載量下的DPF壓差特性和主動(dòng)再生過(guò)程中載體內(nèi)部溫度變化規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)提高DPF炭載量計(jì)算精度和載體可靠性有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)裝置

圖3為試驗(yàn)裝置示意圖，試驗(yàn)裝置主要包括測(cè)功機(jī)、柴油機(jī)和后處理系統(tǒng)，碳?xì)鋰娮彀惭b在渦輪增壓器后管路上。在主動(dòng)再生過(guò)程中，當(dāng)DOC前溫度達(dá)到催化劑起燃溫度時(shí)，碳?xì)鋰娮煜蚺艢夤苤袊娙胩細(xì)?，碳?xì)湓贒OC中催化氧化產(chǎn)生高溫，提高進(jìn)入DPF的氣流溫度。DPF壓差傳感器用于測(cè)量DPF前后的壓差。試驗(yàn)用柴油機(jī)和DPF主要規(guī)格信息如表1和表2所示。

表2 試驗(yàn)用DPF基本參數(shù)

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

在DPF載體內(nèi)部，沿著載體中心軸向方向均勻布置10個(gè)溫度傳感器，編號(hào)分別標(biāo)記為1#～10#，圖4為各溫度傳感器布置示意圖。

圖4 溫度傳感器布置示意圖

圖5為DPF積炭加載瞬態(tài)工況。積炭加載過(guò)程中DOC前溫度不高于250℃，DPF積炭前均將上次試驗(yàn)殘留積炭消除干凈。通過(guò)提高柴油機(jī)機(jī)油消耗率方式進(jìn)行灰分快速加載，試驗(yàn)用潤(rùn)滑油規(guī)格為15W-40，添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。灰分快速加載過(guò)程中DPF前溫度高于450℃，當(dāng)灰分加載完成后進(jìn)行主動(dòng)再生，DPF前溫度為600℃，可去除全部積炭。為減少水分對(duì)顆粒物沉積質(zhì)量的影響，DPF在稱量質(zhì)量前，均在恒溫加熱箱中保持270℃至少0.5 h。

圖5 DPF積炭加載工況

2 灰分成分及分布

使用光譜分析儀分析灰分元素的組成，結(jié)果顯示灰分主要成分為機(jī)油添加劑中Ca、Mg、P和Zn元素，還有少量的Fe和Cu，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示。

表3 灰分主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

采用X射線電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）設(shè)備掃描試件，切割載體以確定通道內(nèi)部灰分分布情況。圖6（a）為灰載量15 g/L時(shí)灰分分布情況，灰分主要積累在通道的壁面，在通道壁面形成灰分沉積層，載體切割后在通道末端未發(fā)現(xiàn)堵孔情況（圖6（b））。圖6（c）為灰載量25 g/L時(shí)灰分分布情況，灰分不僅在壁面形成沉積層，而且在通道末端積累形成堵頭（圖6（d））。堵頭完全堵塞通道，減少載體的有效體積?；曳侄骂^長(zhǎng)度代表灰分積累量，灰分堵頭長(zhǎng)度的分布如圖7所示，圖中X徑向和Y徑向分別表示載體的水平和垂直方向。堵頭的長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)37 mm，約占載體長(zhǎng)度的16%?；曳种饕性谳d體中間區(qū)域，灰分在整個(gè)載體徑向分布不均勻。

圖6 不同灰載量時(shí)灰分CT結(jié)果和通道末端切割后放大圖

圖7 灰分堵頭長(zhǎng)度分布

3 灰分對(duì)DPF壓差影響分析

DPF從全新的狀態(tài)進(jìn)行灰分加載，當(dāng)灰分加載到目標(biāo)灰載量后，在標(biāo)定點(diǎn)測(cè)定DPF壓差，圖8表示不同的灰載量時(shí)的壓差數(shù)據(jù)。

圖8中，階段Ⅰ中灰分加載初始階段，此時(shí)灰載量小于3 g/L，灰分首先進(jìn)入載體內(nèi)部孔隙，出現(xiàn)深床捕集效應(yīng)［3］，氣流通過(guò)載體流動(dòng)阻力迅速增加，壓差相應(yīng)變大，灰載量3 g/L時(shí)壓差達(dá)4.6 kPa。圖9是灰分在載體內(nèi)部和壁面上的沉積狀態(tài)的SEM照片。

圖8 壓差與灰載量關(guān)系

圖9 灰分在載體內(nèi)部和壁面沉積SEM圖

灰載量小于20 g/L時(shí)繼續(xù)加載灰分至進(jìn)入積灰階段Ⅱ，灰分在通道內(nèi)的沉積狀態(tài)如圖6（a）和圖6（b）所示，此時(shí)灰分主要分布在載體壁面，壓差隨著灰分層厚度增加而線性變化，灰載量為20 g/L時(shí)壓差可達(dá)到7.5 kPa。

灰載量超過(guò)20 g/L后進(jìn)入積灰階段Ⅲ，灰分在載體通道末端的積聚狀態(tài)如圖6（c）和圖6（d）所示，DPF的有效體積減少，氣流通過(guò)載體的面積減少，氣體流動(dòng)阻力快速增加?；逸d量28 g/L時(shí)壓差高達(dá)9.0 kPa，當(dāng)壓差超過(guò)柴油機(jī)正常運(yùn)行所需的排氣背壓限值時(shí)，DPF中的灰分必須用專用的清灰設(shè)備立即去除。

在DPF實(shí)際正常使用過(guò)程中，碳煙和灰分同時(shí)存在于載體中，當(dāng)主動(dòng)再生完全將碳煙去除后才存在只有灰分的情況。標(biāo)定點(diǎn)穩(wěn)態(tài)工況下，不同灰載量和炭載量時(shí)的壓差數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 不同灰載量下DPF壓差隨炭載量的變化

在灰載量為0 g/L的情況下，當(dāng)炭載量小于4.0 g/L時(shí)壓差與炭載量成線性關(guān)系。在這種情況下，碳煙在載體孔隙填充后，在載體壁面上逐漸形成積炭層，圖11是使用SEM拍攝的碳煙在載體壁面沉積狀態(tài)照片。

圖11 載體壁面的積炭層SEM圖

灰載量為5 g/L時(shí)，壓差相比無(wú)灰分時(shí)減小約1 kPa。主要原因是灰分在載體壁面上沉積后，灰分層將載體和積炭層分離產(chǎn)生膜層效應(yīng)［6］，由于灰分粒徑比碳煙大，降低了氣體通過(guò)載體的流動(dòng)阻力，因此少量灰分有助于降低壓差。圖12顯示了灰分和積炭在載體壁面上的沉積狀態(tài)。

圖12 灰分層將載體和積炭層分離放大圖

灰載量為15 g/L時(shí)壓差也與炭載量成線性關(guān)系，此時(shí)由于灰分層厚度增加，膜層效應(yīng)變?nèi)?，壓差比無(wú)灰分高。

在灰載量為25 g/L的情況下，壓差僅在炭載量小于2.5 g/L時(shí)隨炭載量增加而線性增大，與灰載量為15 g/L時(shí)的線性關(guān)系趨勢(shì)一致。當(dāng)炭載量大于2.5 g/L時(shí)，隨著炭載量的增加，壓差變化速度比灰載量為15 g/L時(shí)加快。主要原因是灰分堵塞通道末端后，積炭無(wú)法進(jìn)入灰分堵塞后的通道，積炭開(kāi)始在灰分堵塞通道位置的前端積聚，大幅度增加氣體通過(guò)載體的流動(dòng)阻力。圖13是將載體切割后觀察到的灰分堵塞通道的放大照片。

圖13 灰分堵塞通道放大圖

當(dāng)炭載量相同時(shí)，如果灰分積累量較大，則壓差會(huì)明顯增加。在以壓差為基礎(chǔ)計(jì)算炭載量時(shí)，為得到真實(shí)的炭載量，需除去灰分產(chǎn)生的壓差。以圖10中所示的主動(dòng)再生觸發(fā)壓差為基準(zhǔn)，主動(dòng)再生觸發(fā)炭載量在無(wú)灰分時(shí)為3.0 g/L，灰載量15 g/L時(shí)為2.4 g/L，但灰載量25 g/L時(shí)僅為1.2 g/L，使主動(dòng)再生觸發(fā)時(shí)間提前。兩次主動(dòng)再生的時(shí)間間隔明顯縮短不僅造成燃油消耗增加，還會(huì)導(dǎo)致催化劑的老化速度加快，應(yīng)通過(guò)積灰模型標(biāo)定方法消除灰分壓差，提高炭載量的計(jì)算精度。

4 灰分對(duì)DPF主動(dòng)再生溫度場(chǎng)影響分析

當(dāng)灰載量分別為0 g/L、15 g/L和25 g/L時(shí)，繼續(xù)積炭，直至炭載量為4.0 g/L，并在標(biāo)定點(diǎn)工況觸發(fā)主動(dòng)再生。主動(dòng)再生過(guò)程中，載體內(nèi)部2#、5#、8#和10#測(cè)點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)如圖14所示，各測(cè)點(diǎn)的溫度峰值數(shù)據(jù)如圖15（a）所示，相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度梯度峰值數(shù)據(jù)如圖15（b）所示。溫度梯度為當(dāng)前時(shí)刻的相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度差絕對(duì)值除以兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離，例如，梯度位置“1-2”表示計(jì)算測(cè)點(diǎn)1#和2#兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的溫度梯度，溫度梯度越大表明熱應(yīng)力越大，載體越容易出現(xiàn)環(huán)裂和面裂等損壞情況。

圖14 不同灰載量時(shí)主動(dòng)再生過(guò)程中載體內(nèi)部溫度

圖15 不同灰載量下主動(dòng)再生過(guò)程中溫度和溫度梯度峰值變化

無(wú)灰分時(shí)，整個(gè)主動(dòng)再生過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)的溫度變化平緩，溫度沿著氣流方向從前到后依次升高，最高溫度出現(xiàn)在最后端的10#測(cè)點(diǎn)，溫度的峰值達(dá)到751℃，溫度梯度的峰值最大為31.5℃/cm，溫度和溫度梯度的峰值都明顯低于有灰分時(shí)。

灰載量為15g/L時(shí)，與無(wú)灰分情況相比，位于4#測(cè)點(diǎn)以后各測(cè)點(diǎn)的溫度和溫度梯度的峰值均顯著提高，溫度最高點(diǎn)仍位于10#測(cè)點(diǎn)，達(dá)到1 010℃，比灰分時(shí)高258℃。DPF中/后部出現(xiàn)顯著的溫度峰值，5#和9#測(cè)點(diǎn)之間的溫度均超過(guò)840℃。最大溫度梯度出現(xiàn)在8#和9#測(cè)點(diǎn)之間，達(dá)到180℃/cm，比無(wú)灰分時(shí)高148℃/cm。5#和6#測(cè)點(diǎn)之間、6#和7#測(cè)點(diǎn)之間及7#和8#測(cè)點(diǎn)之間的溫度梯度峰值均超過(guò)100℃/cm，此時(shí)載體的中部和后部位置在主動(dòng)再生過(guò)程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，多次主動(dòng)再生后可能導(dǎo)致載體損壞。

灰載量為25 g/L時(shí)，溫度最高的位置出現(xiàn)在6#測(cè)點(diǎn)，溫度達(dá)到945℃，其次是5#測(cè)點(diǎn)，溫度達(dá)到940℃。高溫區(qū)域主要位于4#和7#測(cè)點(diǎn)之間，與灰載量為15 g/L的情況相比，高溫區(qū)域向DPF前端移動(dòng)。最大溫度梯度出現(xiàn)在4#和5#測(cè)點(diǎn)之間，溫度梯度的峰值可達(dá)198℃/cm，比灰載量15 g/L的情況高18℃/cm，在2#和3#測(cè)點(diǎn)之間、3#和4#測(cè)點(diǎn)之間、5#和6#測(cè)點(diǎn)之間及6#和7#測(cè)點(diǎn)之間溫度梯度的峰值均超過(guò)100℃/cm。盡管此時(shí)溫度的峰值略低于灰載量15 g/L時(shí)，但溫度梯度的峰值卻增加10%，說(shuō)明載體中間部位溫度變化劇烈，依然對(duì)載體可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

5 結(jié)論

（1）DPF中無(wú)灰分時(shí)，壓差隨炭載量增加而線性增大，在主動(dòng)再生過(guò)程中載體的內(nèi)部溫度最高僅為751℃，各測(cè)點(diǎn)之間的溫度梯度接近，溫度變化平穩(wěn)，DPF載體無(wú)損壞風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在DPF灰分積累初期階段，當(dāng)灰載量小于3 g/L時(shí)壓差迅速增加?；逸d量為5 g/L時(shí)在載體壁面上形成灰分層，壓差比無(wú)灰分時(shí)減小約1 kPa。

（3）DPF灰載量為15 g/L時(shí)，灰分分布在通道壁面，通道末端沒(méi)有堵頭，壓差隨炭載量增加而線性增大。在主動(dòng)再生過(guò)程中，溫度峰值達(dá)到1 010℃，溫度梯度達(dá)到180℃/cm，比無(wú)灰分時(shí)均大幅度升高，對(duì)載體可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

（4）DPF灰載量為25 g/L時(shí)，堵頭長(zhǎng)度約占載體長(zhǎng)度的16%，載體的有效體積減少，積炭位置向載體前端移動(dòng)。主動(dòng)再生過(guò)程中溫度峰值達(dá)到940℃，溫度梯度達(dá)到198℃/cm，可能對(duì)載體可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

（5）DPF灰載量大于15 g/L時(shí)，灰分產(chǎn)生的壓差大幅度降低主動(dòng)再生炭載量的實(shí)際觸發(fā)值，使主動(dòng)再生觸發(fā)時(shí)間提前，主動(dòng)再生間隔大幅度縮短。