灰分載量對(duì)cDPF 壓差的影響研究

陳 男，梁向京，陳 健，姜科楠

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 1.交通學(xué)院；2.智能制造學(xué)院 湖北 黃岡 438002）

隨著《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）》（GB 17691-2018）的發(fā)布與實(shí)施，增加了排氣中顆粒物的數(shù)量（PN）限值，為達(dá)成該排放標(biāo)準(zhǔn)要求，后處理系統(tǒng)均采用了催化柴油微粒捕集器[1-2]（coated Diesel Particle Filter，cDPF）。

cDPF 主要采用物理過濾的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)排氣顆粒物的捕集[3]。隨著顆粒物捕集量的增加，DPF對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣阻力增加，從而增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。因此，需要對(duì)cDPF 內(nèi)部的顆粒物進(jìn)行清除，降低cDPF 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣阻力,這一過程被稱為cDPF 再生[4]。cDPF 再生有兩種方式，分別為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生：主動(dòng)再生是采用缸內(nèi)遠(yuǎn)后噴、排氣管電加熱、排氣管噴油等方式將DPF 前端溫度快速提升至550～650℃，排氣中氧氣將DPF 內(nèi)部顆粒物進(jìn)行燃燒消除的過程；被動(dòng)再生是發(fā)動(dòng)機(jī)排溫在250～350℃范圍內(nèi)，排氣中的NO2在cDPF 內(nèi)部涂覆催化劑作用下將cDPF 內(nèi)部顆粒物進(jìn)行氧化消除的過程[5-6]。

進(jìn)氣雜質(zhì)、機(jī)油和燃油添加劑在缸內(nèi)的燃燒產(chǎn)物和發(fā)動(dòng)機(jī)活塞缸套磨損物等以灰分形式被cDPF 捕集[7-8]。被捕集的灰分（主要以金屬氧化物）無法通過主動(dòng)和被動(dòng)再生消除，存在于cDPF 內(nèi)部，也會(huì)增加cDPF阻力從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。由于國六柴油和低灰分潤滑油的使用，柴油機(jī)排氣中的灰分量較少，導(dǎo)致灰分加載試驗(yàn)時(shí)間長。因此，目前主要針對(duì)于cDPF 灰分對(duì)cDPF 壓降的影響研究的主要基于主動(dòng)再生和灰分快速加載為主，鮮有針對(duì)于柴油機(jī)實(shí)際排氣灰分對(duì)對(duì)cDPF 壓降的影響研究。基于此，本研究通過搭載可靠性試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)完成了cDPF 的灰分加載，并在此基礎(chǔ)上開展灰分對(duì)cDPF 壓差的影響特性研究。研究成果能為國六重型柴油車清灰里程研究提供支撐。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

本試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長，cDPF 灰分加載試驗(yàn)主要搭載在可靠性試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為三臺(tái)同一型式發(fā)動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)用油與防凍液

機(jī)油：萊克DFCV－L40 15W/40 CI-4

防凍防銹液：嘉實(shí)多DFL-L40

燃油：0#（或-10#）市場(chǎng)國5 柴油

1.3 試驗(yàn)環(huán)境

出水溫度：88±2℃；

燃油溫度：40±3℃；

進(jìn)氣總管溫度（中冷后）：50±2℃；

排氣背壓：20±1kPa（額定工況）；

進(jìn)氣阻力：≦3.5kPa（額定工況）；

中冷器壓降：12.5±1 kPa（額定工況）；

燃油回油壓力：≦20kPa

1.4 臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)過程：1000h 可靠性試驗(yàn)1 次，750h 熱沖擊試驗(yàn)4 次，期間機(jī)油消耗試驗(yàn)和熱機(jī)試驗(yàn)等合計(jì)356h。共計(jì)試驗(yàn)時(shí)間4356h。

cDPF：試驗(yàn)用cDPF 為巴斯夫cDPF 產(chǎn)品，cDPF尺寸為10.5311（英寸）?；曳掷鄯e試驗(yàn)之前，發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)至高排溫工況，運(yùn)行60 分鐘后，拆下cDPF，cDPF入口端肉眼觀測(cè)不到碳煙。試驗(yàn)完成后，cDPF 入口段呈灰黑色，可能含有部分碳煙，大部分應(yīng)該為灰分。

cDPF 稱重：cDPF 稱重之前，發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)至標(biāo)定工況運(yùn)行30min，讓cDPF內(nèi)部的碳煙微粒通過cDPF被動(dòng)再生去除。為避免相對(duì)濕度對(duì)cDPF 重量影響，本試驗(yàn)稱重過程期間cDPF 內(nèi)部溫度為125±5℃。稱重用電子秤量程20kg，檢定分度值為0.1g。試驗(yàn)前cDPF 稱重質(zhì)量為12.505g，試驗(yàn)完成后，cDPF 稱重質(zhì)量為12.621kg，累積灰分為126g。

2 結(jié)果與討論

2.1 灰分累積試驗(yàn)

圖1 為臺(tái)架試驗(yàn)過程cDPF 質(zhì)量隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的變化關(guān)系圖?？梢钥闯觯瑹釠_擊試驗(yàn)過程中cDPF質(zhì)量與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間呈良好的線性相關(guān)性，可靠性試驗(yàn)的DPF 質(zhì)量與運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)與直線對(duì)應(yīng)點(diǎn)略有偏差，說明兩種試驗(yàn)過程的灰分生成率不同。Bagi 等[8]研究結(jié)果表明，灰分主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)磨損、機(jī)油和燃油添加劑。由于兩種試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況不同，可靠性試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定工況，熱沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)工況主要交變工況。不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)磨損率、機(jī)油消耗速率有所差異，從而導(dǎo)致不同的灰分累積速率。

圖1 cDPF 灰分累積結(jié)果

2.2 穩(wěn)態(tài)工況帶灰分cDPF 的壓差特性

灰分在cDPF 內(nèi)部的堆積，勢(shì)必會(huì)增加cDPF 內(nèi)部通道阻力，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。因此，本節(jié)開展了cDPF 壓差特性的測(cè)試研究。發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工況分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種，本試驗(yàn)也從穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩個(gè)方面考察了灰分對(duì)cDPF 壓降的影響。

臺(tái)架測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量為質(zhì)量排氣流量，而cDPF對(duì)排氣的阻礙特性通過排氣的體積流量QV體現(xiàn)，需要采用公式（1）將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣質(zhì)量流量轉(zhuǎn)化為體積排氣流量：

其中，Qm為發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣質(zhì)量流量，單位kg/h，可從發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中獲取；R為普適氣體常數(shù)，一般取R=8.31 J/(mol2K)；T為排氣流經(jīng)cDPF 時(shí)的溫度，單位K，由公式（2）所得，其中t前、t后分別為cDPF 前溫傳感器和后溫傳感器測(cè)得的溫度，單位℃；Mg為排氣的摩爾質(zhì)量，一般取Mg=29 g/mol；P為cDPF入口處的排氣壓力，本文取P=101+△P，其中△P為cDPF 壓差傳感器測(cè)得的壓差，單位kPa。

圖2 為灰分加載4356 小時(shí)后，cDPF 壓差隨基于公式（1）和公式（2）計(jì)算所得的穩(wěn)態(tài)工況體積流量變化關(guān)系圖?？梢钥闯?，隨著體積流量的增加，cDPF壓差逐漸升高。中、高體積流量條件下，cDPF 壓差隨體積流量變化呈線性變化趨勢(shì)，而在低體積流量下，沒有呈現(xiàn)出具有明顯特征的變化規(guī)律。這主要是因?yàn)橹?、高體積流量工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，由于流量較大，排氣向載體外部輻射的熱能和內(nèi)部通道出現(xiàn)的能量損失所占自身總能量的比例較低，cDPF內(nèi)部溫度場(chǎng)分布較為均勻，溫度梯度小，不同區(qū)域的氣體熱膨脹程度差別不顯著，對(duì)應(yīng)的壓差隨排氣體積流量變化能夠呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。而在低排氣流量工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，排氣向載體外部輻射的熱能和內(nèi)部通道出現(xiàn)的能量損失所占自身總能量的比例較高，且各處損失能量后溫度降幅較中、高體積流量工況大，cDPF 內(nèi)部溫度分布不均勻，對(duì)應(yīng)的壓差與排氣體積流量變化關(guān)系特征不顯著。

圖2 帶灰分cDPF 對(duì)穩(wěn)態(tài)工況壓差影響圖

2.3 帶灰分cDPF 在瞬態(tài)工況的壓差特性

除穩(wěn)態(tài)工況外，道路工況更多的為瞬態(tài)工況，因此本節(jié)對(duì)帶灰分的cDPF 開展了變工況的壓差特性研究。

圖3 為加速和減速過程的cDPF 壓差隨體積流量變化的關(guān)系圖。由圖可以看出，與穩(wěn)態(tài)工況圖2 相似的是，DPF 壓差隨著體積流量的升高呈逐漸升高的趨勢(shì)。不同之處在于，瞬態(tài)工況下的DPF 壓差隨排氣體積流量變化吻合于二次擬合曲線。此外，加速工況和減速工況下的DPF 壓差隨排氣體積流量變化曲線不重疊，但是隨著體積排氣流量增加，相同排氣體積流量下的壓差差值逐漸縮小。

圖3 帶灰分cDPF 對(duì)瞬態(tài)工況壓差影響

加速工況過程中，排氣體積流量逐漸增加，與相同排氣流量的穩(wěn)態(tài)工況相比，壓差偏小。發(fā)動(dòng)機(jī)的體積排氣流量結(jié)果是根據(jù)ECU 中進(jìn)氣流量、循環(huán)噴油量和公式（2）得到的溫度計(jì)算所得，由于排氣流過DPF內(nèi)部的時(shí)滯特性，DPF 內(nèi)部的從入口端到出口端的體積流量逐漸降低，入口端的體積排氣流量為穩(wěn)態(tài)工況的體積排氣流量，出口端為之前工況的體積排氣流量，DPF 內(nèi)總排氣體積相比于穩(wěn)態(tài)工況偏小。而在減速工況試驗(yàn)過程中，排氣流過DPF 內(nèi)部的時(shí)滯特性導(dǎo)致DPF 內(nèi)部的從入口端到出口端的體積流量逐漸升高，入口端的體積排氣流量為穩(wěn)態(tài)工況的體積排氣流量，出口端為之前工況的體積排氣流量，其總排氣體積相比于穩(wěn)態(tài)工況偏大，導(dǎo)致排氣壓差較穩(wěn)態(tài)工況偏大。

2.4 與空載DPF 壓差特性對(duì)比

灰分在DPF 內(nèi)部的附著，會(huì)引起DPF 內(nèi)部的通道的變窄，從而帶來更大的排氣阻力?；曳衷贒PF 內(nèi)部分布不均勻，以及灰分孔隙率和孔徑與載體的差異，更容易引起流體局部能量損失的增加。

圖4 為帶灰分的cDPF 與空白cDPF 在變加速和變減速工況下的壓差對(duì)比?？梢钥闯?，灰分在cDPF 內(nèi)部累積后的壓差明顯高于空白cDPF 的壓差。因此，基于壓差的碳載量模型標(biāo)定需要通過cDPF 載灰后的壓差特性進(jìn)行修正。否則灰分累積一定程度后，會(huì)頻繁出現(xiàn)再生觸發(fā)，增加整體的燃油消耗率。

圖4 空白cDPF 和帶灰分cDPF 瞬態(tài)工況壓差對(duì)比

2.5 與帶碳煙cDPF 壓差特性對(duì)比

圖5 為帶10g/L 灰分的cDPF 與帶3.5 g/L 碳載量的cDPF 在變加速和變減速工況下的壓差對(duì)比?？梢钥闯?，在小體積排氣流量下，兩種情況下的cDPF壓差差別不明顯，隨著體積排氣流量的增加，帶3.5g/L 碳載量的cDPF 壓差較帶10g/L 灰分cDPF 的壓差隨排氣體積流量的升高率更高。盡管灰分質(zhì)量較碳煙質(zhì)量多，在中、高排氣體積流量下，帶碳載量的cDPF 壓差明顯高于帶灰分的cDPF 壓差，這主要是由于灰分與碳煙微粒的物理結(jié)構(gòu)特性不同引起的。一定量的顆粒物經(jīng)過濾方式被cDPF 捕集后，會(huì)以碳煙層形式附在cDPF 載體表面，顆粒與顆粒之間的孔徑和孔隙率及低。而灰分主要以化合物形式嵌入在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣顆粒物中，顆粒物被捕集再生后，灰分之間的碳煙被氧化消耗掉，剩余的灰分微粒間的空隙較大，盡管經(jīng)過流動(dòng)遷移堆積，重新堆積形成的灰分孔隙率和孔徑明顯大于碳煙層的孔隙率和孔徑，從而使得中、高排氣體積流量下的壓差低于帶碳載量cDPF 的壓差數(shù)值。

圖5 帶灰分cDPF 與帶3.5g/L 碳載量cDPF 瞬態(tài)工況壓差對(duì)比

3 結(jié)論

本研究利用可靠性試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)完成了純被動(dòng)再生cDPF灰分加載，并開展了被動(dòng)再生灰分對(duì)cDPF壓降的影響研究。主要結(jié)論：①純被動(dòng)再生的灰分加載速率與試驗(yàn)工況相關(guān)；②穩(wěn)態(tài)工況的中、高排氣流量時(shí)，帶灰分的DPF壓降與體積排氣流量呈明顯的線性相關(guān)性，而低排氣流量特征不明顯；③加速過程和減速過程的壓差隨體積排氣流量變化曲線具有較大的差異；④灰分在cDPF內(nèi)部累積后的壓差明顯高于空載DPF的壓差?；趬翰畹奶驾d量模型標(biāo)定需要通過DPF載灰后的壓差特性進(jìn)行修正；⑤中、高排氣體積流量下，帶3.5 g/L碳載量的DPF壓差高于帶10 g/L灰分的cDPF壓差。