機(jī)油品質(zhì)對(duì)柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器性能影響的試驗(yàn)研究

王曉輝 謝夏琳

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

0 前言

柴油機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性方面具有突出優(yōu)勢(shì)。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放問(wèn)題愈發(fā)成為柴油機(jī)排放控制的難點(diǎn)。重型柴油車僅僅通過(guò)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(guó)六排放法規(guī)對(duì)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(jī)顆粒過(guò)濾器（DPF）已成為滿足國(guó)六排放法規(guī)必不可少的技術(shù)手段。DPF的過(guò)濾效率可以達(dá)到95%以上，除了捕集炭煙顆粒外，DPF還能捕集由部分機(jī)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(guò)DPF再生的方式進(jìn)行周期性的處理，使得DPF的性能恢復(fù)到初始狀態(tài)。DPF的再生可以分為外加能源的主動(dòng)再生和無(wú)外加能源的被動(dòng)再生2種方式[2]。但是，由于機(jī)油進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的灰分無(wú)法在使用過(guò)程中實(shí)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性會(huì)發(fā)生顯著劣化。因此，在使用一定時(shí)間后，為了減少因背壓上升導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)性能劣化，運(yùn)行車輛需要在服務(wù)站內(nèi)進(jìn)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(zhǎng)，用戶對(duì)于車輛的使用將會(huì)更加便利，用戶獲得的收益也會(huì)更高。因此，研究DPF的積灰特性對(duì)于用戶的車輛使用體驗(yàn)具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 試驗(yàn)樣機(jī)及后處理樣件

研究人員在1臺(tái)直列6缸車用柴油機(jī)上進(jìn)行了機(jī)油品質(zhì)對(duì)DPF積灰特性的試驗(yàn)研究。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)+柴油機(jī)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(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（GB 17691—2018）中的6b階段排放限值要求。該試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)使用市售柴油，在測(cè)試臺(tái)架上安裝發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)，并對(duì)后處理系統(tǒng)進(jìn)行4 h預(yù)處理。在預(yù)處理過(guò)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(duì)后處理系統(tǒng)的預(yù)處理后，研究人員對(duì)原始催化器進(jìn)行了稱重。

為了實(shí)現(xiàn)快速驗(yàn)證的目的，在本試驗(yàn)中，研究人員對(duì)柴油進(jìn)行了摻混機(jī)油的操作。為了對(duì)比不同油品的機(jī)油摻混率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，研究人員首先安排進(jìn)行不同摻混率的試驗(yàn)對(duì)比。在試驗(yàn)過(guò)程中，分別采用2%和1%的摻混率，按照相同的試驗(yàn)步驟開(kāi)展試驗(yàn)。在對(duì)試驗(yàn)機(jī)油進(jìn)行調(diào)制后，研究人員對(duì)預(yù)處理后的DPF進(jìn)行了裝配調(diào)試，并讓發(fā)動(dòng)機(jī)在最高功率點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行24 h。在試驗(yàn)結(jié)束后，研究人員再次對(duì)催化器進(jìn)行了稱重，記錄此時(shí)的催化器質(zhì)量及相關(guān)試驗(yàn)條件數(shù)據(jù)。

根據(jù)上一步確定的機(jī)油摻混率，研究人員對(duì)不同品質(zhì)機(jī)油的DPF積灰特性進(jìn)行驗(yàn)證。在完成摻混機(jī)油A的柴油試驗(yàn)后，依次更換摻混機(jī)油B、機(jī)油C、機(jī)油D的柴油，同時(shí)更換新的催化器，并按照以上的試驗(yàn)方法進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。相關(guān)機(jī)油的特性如表2所示。

3 數(shù)據(jù)處理

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

式中，Q1為積灰量，單位g;Q2為加速試驗(yàn)機(jī)油消耗量，單位g;μ為機(jī)油中灰分含量。

清灰里程H按照下式進(jìn)行計(jì)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(jī)油消耗率，單位g/（kW·h），此處取值為0.1 g/（kW·h）;be為試驗(yàn)工況的燃油消耗率，單位g/（kW·h）;Q2為加速試驗(yàn)機(jī)油消耗量，單位g;Q為車輛運(yùn)行過(guò)程的百公里燃油消耗量，單位L。

4 數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證機(jī)油摻混率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究基于機(jī)油A，對(duì)不同摻混率積灰結(jié)果的影響進(jìn)行了對(duì)比。具體試驗(yàn)方法與上述試驗(yàn)方法一致。在試驗(yàn)結(jié)束后，研究人員按照式1和式2對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

從表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在相同的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，機(jī)油摻混率不同，其積灰率也不同。1%的機(jī)油摻混率的積灰率相比2%的機(jī)油摻混率的積灰率下降了9.48%。雖然機(jī)油摻混率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，但2種機(jī)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(jī)油摻混率能對(duì)產(chǎn)品的適用性加速驗(yàn)證，縮短開(kāi)發(fā)周期，因而更具試驗(yàn)價(jià)值。因此，下文基于不同油品的研究均基于2%的機(jī)油摻混率進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

不同機(jī)油對(duì)DPF積灰特性影響的試驗(yàn)按照上述試驗(yàn)方法開(kāi)展。在試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)式1和式2對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，其結(jié)果如表4所示。

從表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在相同的試驗(yàn)中，不同機(jī)油的積灰量和積灰率有較大差異：機(jī)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(jī)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(zhǎng)。在相同的時(shí)間內(nèi)，機(jī)油A和機(jī)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(biāo)40.0 kPa進(jìn)行折算，機(jī)油B的清灰里程相比機(jī)油A的要縮短50%以上。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，使用機(jī)油A可增加清灰里程，減少清灰的次數(shù)和費(fèi)用。

為了進(jìn)一步探索在發(fā)動(dòng)機(jī)性能允許范圍內(nèi)的最大清灰里程，基于機(jī)油A，研究人員繼續(xù)延長(zhǎng)積灰的試驗(yàn)時(shí)間，并在試驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)后處理的壓力增加速率。當(dāng)壓力增加接近20.0 kPa時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。在試驗(yàn)結(jié)束后，研究人員對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如表5所示。

從表5的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，基于機(jī)油A的3次積灰（積灰時(shí)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(yàn)后，后處理壓力增加值為19.8 kPa，此時(shí)后處理器最大壓力達(dá)到40.1 kPa，累積折合清灰里程為393 932 km。由于此時(shí)后處理器的最大壓力目標(biāo)與設(shè)計(jì)目標(biāo)基本一致，因此最大清灰里程滿足350 000 km的產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)論

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

（1）2%和1%的機(jī)油摻混率，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果略有影響。1%的機(jī)油摻混率的積灰率相比2%的機(jī)油摻混率的積灰率下降了9.48%。

（2）基于不同油品機(jī)油的對(duì)比結(jié)果來(lái)看，機(jī)油品質(zhì)對(duì)積灰的特性影響較大。在相同的時(shí)間內(nèi)，機(jī)油A和機(jī)油B的催化器壓力最大相差8.4 kPa。按照最大壓力目標(biāo)40.0 kPa進(jìn)行折算，機(jī)油B的清灰里程相比機(jī)油A的縮短50%以上，在某柴油機(jī)使用機(jī)油A的情況下，會(huì)造成用戶的產(chǎn)品體驗(yàn)較差，并會(huì)增加用戶使用成本。

（3）按照機(jī)油A的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，其清灰里程可達(dá)393 932 km，滿足350 000 km清灰里程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)。

機(jī)油油品對(duì)DPF的積灰特性影響較大，選擇性能較好的機(jī)油可以降低用戶的使用成本，提高柴油機(jī)運(yùn)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(xué)報(bào)， 2019， 10（01）：16-31.

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