灰分载量对cDPF 压差的影响研究

陈 男，梁向京，陈 健，姜科楠

（黄冈职业技术学院 1.交通学院；2.智能制造学院 湖北 黄冈 438002）

随着《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 17691-2018）的发布与实施，增加了排气中颗粒物的数量（PN）限值，为达成该排放标准要求，后处理系统均采用了催化柴油微粒捕集器[1-2]（coated Diesel Particle Filter，cDPF）。

cDPF 主要采用物理过滤的方式实现对柴油机排气颗粒物的捕集[3]。随着颗粒物捕集量的增加，DPF对发动机的排气阻力增加，从而增加了发动机的排气背压，影响发动机的动力性和经济性。因此，需要对cDPF 内部的颗粒物进行清除，降低cDPF 对发动机的排气阻力,这一过程被称为cDPF 再生[4]。cDPF 再生有两种方式，分别为主动再生和被动再生：主动再生是采用缸内远后喷、排气管电加热、排气管喷油等方式将DPF 前端温度快速提升至550～650℃，排气中氧气将DPF 内部颗粒物进行燃烧消除的过程；被动再生是发动机排温在250～350℃范围内，排气中的NO2在cDPF 内部涂覆催化剂作用下将cDPF 内部颗粒物进行氧化消除的过程[5-6]。

进气杂质、机油和燃油添加剂在缸内的燃烧产物和发动机活塞缸套磨损物等以灰分形式被cDPF 捕集[7-8]。被捕集的灰分（主要以金属氧化物）无法通过主动和被动再生消除，存在于cDPF 内部，也会增加cDPF阻力从而影响发动机的性能。由于国六柴油和低灰分润滑油的使用，柴油机排气中的灰分量较少，导致灰分加载试验时间长。因此，目前主要针对于cDPF 灰分对cDPF 压降的影响研究的主要基于主动再生和灰分快速加载为主，鲜有针对于柴油机实际排气灰分对对cDPF 压降的影响研究。基于此，本研究通过搭载可靠性试验和热冲击试验完成了cDPF 的灰分加载，并在此基础上开展灰分对cDPF 压差的影响特性研究。研究成果能为国六重型柴油车清灰里程研究提供支撑。

1 试验条件

1.1 试验发动机

本试验持续时间长，cDPF 灰分加载试验主要搭载在可靠性试验和热冲击试验，试验发动机为三台同一型式发动机，主要参数见表1。

表1 发动机主要参数表

1.2 试验用油与防冻液

机油：莱克DFCV－L40 15W/40 CI-4

防冻防锈液：嘉实多DFL-L40

燃油：0#（或-10#）市场国5 柴油

1.3 试验环境

出水温度：88±2℃；

燃油温度：40±3℃；

进气总管温度（中冷后）：50±2℃；

排气背压：20±1kPa（额定工况）；

进气阻力：≦3.5kPa（额定工况）；

中冷器压降：12.5±1 kPa（额定工况）；

燃油回油压力：≦20kPa

1.4 台架试验

试验过程：1000h 可靠性试验1 次，750h 热冲击试验4 次，期间机油消耗试验和热机试验等合计356h。共计试验时间4356h。

cDPF：试验用cDPF 为巴斯夫cDPF 产品，cDPF尺寸为10.5³11（英寸）。灰分累积试验之前，发动机调至高排温工况，运行60 分钟后，拆下cDPF，cDPF入口端肉眼观测不到碳烟。试验完成后，cDPF 入口段呈灰黑色，可能含有部分碳烟，大部分应该为灰分。

cDPF 称重：cDPF 称重之前，发动机工况调至标定工况运行30min，让cDPF内部的碳烟微粒通过cDPF被动再生去除。为避免相对湿度对cDPF 重量影响，本试验称重过程期间cDPF 内部温度为125±5℃。称重用电子秤量程20kg，检定分度值为0.1g。试验前cDPF 称重质量为12.505g，试验完成后，cDPF 称重质量为12.621kg，累积灰分为126g。

2 结果与讨论

2.1 灰分累积试验

图1 为台架试验过程cDPF 质量随发动机运行时间的变化关系图。可以看出，热冲击试验过程中cDPF质量与发动机运行时间呈良好的线性相关性，可靠性试验的DPF 质量与运行时间点与直线对应点略有偏差，说明两种试验过程的灰分生成率不同。Bagi 等[8]研究结果表明，灰分主要来源于发动机磨损、机油和燃油添加剂。由于两种试验的发动机运行工况不同，可靠性试验发动机运行在额定工况，热冲击试验的试验工况主要交变工况。不同转速和负荷下，发动机磨损率、机油消耗速率有所差异，从而导致不同的灰分累积速率。

图1 cDPF 灰分累积结果

2.2 稳态工况带灰分cDPF 的压差特性

灰分在cDPF 内部的堆积，势必会增加cDPF 内部通道阻力，从而增加发动机排气背压，影响发动机的性能。因此，本节开展了cDPF 压差特性的测试研究。发动机循环工况分为稳态和瞬态两种，本试验也从稳态和瞬态两个方面考察了灰分对cDPF 压降的影响。

台架测量的发动机排气流量为质量排气流量，而cDPF对排气的阻碍特性通过排气的体积流量QV体现，需要采用公式（1）将发动机排气质量流量转化为体积排气流量：

其中，Qm为发动机的排气质量流量，单位kg/h，可从发动机控制单元中获取；R为普适气体常数，一般取R=8.31 J/(mol²K)；T为排气流经cDPF 时的温度，单位K，由公式（2）所得，其中t前、t后分别为cDPF 前温传感器和后温传感器测得的温度，单位℃；Mg为排气的摩尔质量，一般取Mg=29 g/mol；P为cDPF入口处的排气压力，本文取P=101+△P，其中△P为cDPF 压差传感器测得的压差，单位kPa。

图2 为灰分加载4356 小时后，cDPF 压差随基于公式（1）和公式（2）计算所得的稳态工况体积流量变化关系图。可以看出，随着体积流量的增加，cDPF压差逐渐升高。中、高体积流量条件下，cDPF 压差随体积流量变化呈线性变化趋势，而在低体积流量下，没有呈现出具有明显特征的变化规律。这主要是因为中、高体积流量工况，发动机转速相对较高，由于流量较大，排气向载体外部辐射的热能和内部通道出现的能量损失所占自身总能量的比例较低，cDPF内部温度场分布较为均匀，温度梯度小，不同区域的气体热膨胀程度差别不显著，对应的压差随排气体积流量变化能够呈现较好的线性关系。而在低排气流量工况下，发动机转速较低，排气向载体外部辐射的热能和内部通道出现的能量损失所占自身总能量的比例较高，且各处损失能量后温度降幅较中、高体积流量工况大，cDPF 内部温度分布不均匀，对应的压差与排气体积流量变化关系特征不显著。

图2 带灰分cDPF 对稳态工况压差影响图

2.3 带灰分cDPF 在瞬态工况的压差特性

除稳态工况外，道路工况更多的为瞬态工况，因此本节对带灰分的cDPF 开展了变工况的压差特性研究。

图3 为加速和减速过程的cDPF 压差随体积流量变化的关系图。由图可以看出，与稳态工况图2 相似的是，DPF 压差随着体积流量的升高呈逐渐升高的趋势。不同之处在于，瞬态工况下的DPF 压差随排气体积流量变化吻合于二次拟合曲线。此外，加速工况和减速工况下的DPF 压差随排气体积流量变化曲线不重叠，但是随着体积排气流量增加，相同排气体积流量下的压差差值逐渐缩小。

图3 带灰分cDPF 对瞬态工况压差影响

加速工况过程中，排气体积流量逐渐增加，与相同排气流量的稳态工况相比，压差偏小。发动机的体积排气流量结果是根据ECU 中进气流量、循环喷油量和公式（2）得到的温度计算所得，由于排气流过DPF内部的时滞特性，DPF 内部的从入口端到出口端的体积流量逐渐降低，入口端的体积排气流量为稳态工况的体积排气流量，出口端为之前工况的体积排气流量，DPF 内总排气体积相比于稳态工况偏小。而在减速工况试验过程中，排气流过DPF 内部的时滞特性导致DPF 内部的从入口端到出口端的体积流量逐渐升高，入口端的体积排气流量为稳态工况的体积排气流量，出口端为之前工况的体积排气流量，其总排气体积相比于稳态工况偏大，导致排气压差较稳态工况偏大。

2.4 与空载DPF 压差特性对比

灰分在DPF 内部的附着，会引起DPF 内部的通道的变窄，从而带来更大的排气阻力。灰分在DPF 内部分布不均匀，以及灰分孔隙率和孔径与载体的差异，更容易引起流体局部能量损失的增加。

图4 为带灰分的cDPF 与空白cDPF 在变加速和变减速工况下的压差对比。可以看出，灰分在cDPF 内部累积后的压差明显高于空白cDPF 的压差。因此，基于压差的碳载量模型标定需要通过cDPF 载灰后的压差特性进行修正。否则灰分累积一定程度后，会频繁出现再生触发，增加整体的燃油消耗率。

图4 空白cDPF 和带灰分cDPF 瞬态工况压差对比

2.5 与带碳烟cDPF 压差特性对比

图5 为带10g/L 灰分的cDPF 与带3.5 g/L 碳载量的cDPF 在变加速和变减速工况下的压差对比。可以看出，在小体积排气流量下，两种情况下的cDPF压差差别不明显，随着体积排气流量的增加，带3.5g/L 碳载量的cDPF 压差较带10g/L 灰分cDPF 的压差随排气体积流量的升高率更高。尽管灰分质量较碳烟质量多，在中、高排气体积流量下，带碳载量的cDPF 压差明显高于带灰分的cDPF 压差，这主要是由于灰分与碳烟微粒的物理结构特性不同引起的。一定量的颗粒物经过滤方式被cDPF 捕集后，会以碳烟层形式附在cDPF 载体表面，颗粒与颗粒之间的孔径和孔隙率及低。而灰分主要以化合物形式嵌入在发动机的排气颗粒物中，颗粒物被捕集再生后，灰分之间的碳烟被氧化消耗掉，剩余的灰分微粒间的空隙较大，尽管经过流动迁移堆积，重新堆积形成的灰分孔隙率和孔径明显大于碳烟层的孔隙率和孔径，从而使得中、高排气体积流量下的压差低于带碳载量cDPF 的压差数值。

图5 带灰分cDPF 与带3.5g/L 碳载量cDPF 瞬态工况压差对比

3 结论

本研究利用可靠性试验和热冲击试验完成了纯被动再生cDPF灰分加载，并开展了被动再生灰分对cDPF压降的影响研究。主要结论：①纯被动再生的灰分加载速率与试验工况相关；②稳态工况的中、高排气流量时，带灰分的DPF压降与体积排气流量呈明显的线性相关性，而低排气流量特征不明显；③加速过程和减速过程的压差随体积排气流量变化曲线具有较大的差异；④灰分在cDPF内部累积后的压差明显高于空载DPF的压差。基于压差的碳载量模型标定需要通过DPF载灰后的压差特性进行修正；⑤中、高排气体积流量下，带3.5 g/L碳载量的DPF压差高于带10 g/L灰分的cDPF压差。