機油品質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，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、經濟性方面具有突出優勢。隨著排放法規的日益嚴格，柴油機氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放問題愈發成為柴油機排放控制的難點。重型柴油車僅僅通過缸內凈化技術難以滿足法規要求，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對PM和顆粒數（PN）排放都作了明確的限值規定。

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必不可少的技術手段。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發生燃燒產生的灰分。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。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燃燒產生的灰分無法在使用過程中實現周期性的處理，隨著積灰量的增加，在排氣背壓逐漸增大到一定數值后，發動機的動力性和經濟性會發生顯著劣化。因此，在使用一定時間后，為了減少因背壓上升導致的發動機性能劣化，運行車輛需要在服務站內進行清灰處理。在車輛使用的生命周期內，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對DPF積灰特性的試驗研究。該發動機采用廢氣再循環（EGR）系統+柴油機氧化催化器（DOC）+DPF+選擇性催化還原（SCR）系統的后處理技術路線，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。該試驗發動機的部分技術參數如表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動機和后處理系統，并對后處理系統進行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的預處理后，研究人員對原始催化器進行了稱重。

為了實現快速驗證的目的，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制后，研究人員對預處理后的DPF進行了裝配調試，并讓發動機在最高功率點連續運行24 h。在試驗結束后，研究人員再次對催化器進行了稱重，記錄此時的催化器質量及相關試驗條件數據。

根據上一步確定的機油摻混率，研究人員對不同品質機油的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。相關機油的特性如表2所示。

3 數據處理

根據上述試驗所得數據，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 數據分析

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

從表3中的試驗數據統計結果來看，在相同的試驗時間內，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果有一定的影響，但2種機油摻混率的結果偏差處于合理范圍內。在工程領域中，2%的機油摻混率能對產品的適用性加速驗證，縮短開發周期，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。在試驗結束后，通過式1和式2對試驗數據進行整理分析，其結果如表4所示。

從表4中的試驗數據統計結果來看，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，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，減少清灰的次數和費用。

為了進一步探索在發動機性能允許范圍內的最大清灰里程，基于機油A，研究人員繼續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，試驗結束。在試驗結束后，研究人員對試驗結果進行了統計分析，其結果如表5所示。

從表5的統計結果可以看出，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計目標基本一致，因此最大清灰里程滿足350 000 km的產品設計目標。

5 結論

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，得出如下結論。

（1）2%和1%的機油摻混率，對試驗結果略有影響。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果來看，機油品質對積灰的特性影響較大。在相同的時間內，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清灰里程的產品設計目標。

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的技術分析[J].汽車安全與節能學報， 2019， 10（01）：16-31.

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