DPF灰分對重型柴油車PN排放的影響

薛黎明　萬亮亮　夏德東　王波

摘 要：灰分是顆粒物捕集器（DPF）捕集的微粒物經再生氧化燃燒后殘留的不可燃物質，灰分沉積會影響DPF性能與使用壽命。本研究基于便攜式排放測試系統，研究了新鮮態DPF與累積一定灰分的DPF對重型柴油車PN排放的影響。研究表明，與新鮮態DPF相比，累積一定灰分的DPF能夠有效減少柴油車PN排放。研究結果對DPF性能優化與減少柴油車PN排放具有參考價值和現實意義。

關鍵詞：顆粒物捕集器 灰分沉積 捕集效率 DPF PN PEMS

Effect of DPF ash on PN emission of heavy duty diesel vehicles

Xue liming Wan Liangliang Xia Dedong Wang Bo

Abstract：Ash is a kind of non combustible material after regeneration， oxidation and combustion of particulate matter captured by DPF. Ash deposition will affect the performance and service life of DPF. Based on portable emission test system， the effects of fresh DPF and DPF with certain ash content on PN emission of heavy duty diesel vehicles were studied. The results show that compared with fresh DPF， DPF with a certain ash content can effectively reduce the PN emission of diesel vehicles. The research results have reference value and practical significance for DPF performance optimization and reducing diesel vehicle PN emissions.

Key words：particulate matter trap; ash deposition; capture efficiency; DPF; PN; PEMS

1 前言

隨著排放法規日趨嚴格，柴油車采用DPF（顆粒物捕集器）成為一種必然趨勢。隨著DPF孔道壁面上的微粒沉積量增加，會造成柴油機排氣背壓升高，從而影響到柴油機缸內的燃燒狀況，需要定期對DPF進行再生。目前絕大多數的DPF再生都是基于熱再生的原理，在一定溫度下將DPF中累積的顆粒物氧化燃燒成氣態物質。再生結束后，在DPF孔道內會有一定量的殘留物質，這些物質被稱為灰分，主要來源于燃油添加劑、潤滑油添加劑、零部件磨損及腐蝕等[1]。灰分對DPF性能和壽命都有很大影響，所以對灰分的探究就十分必要。

2 DPF選型及灰分加載

2.1 DPF選型

試驗選用某渦輪增壓發動機DPF，主要參數如表1所示。選取兩個DPF，分別編號為DPF-1，DPF-2。

2.2 DPF灰分加載

灰分在DPF內部沉積是一個漫長的過程，通常是經過長時間的使用，多次加載和再生之后才能積累到可觀的量，需要大量的時間和資源。本研究在發動機試驗臺架上，通過DPF快速老化試驗方法，加速DPF內部灰分沉積。對DPF-2進行灰分加載，加載后灰分沉積量為6.5g/L。

3 試驗方法

3.1 試驗設備

采用美國Sensers公司SEMTECH-DS+便攜式排放測試系統，主要由主控系統（SCS）、氣體分析系統（GAS）、PN分析模塊（CPN）、采樣管、排氣流量計（EFM）、OBD數據采集模塊（ICM）、環境濕溫度計、衛星定位系統（GPS）組成。PN分析模塊采用凝結核粒子計數器原理測量PN排放，測量結果重復性、精確度都較為理想。

3.2 試驗車輛

以1輛湖北大運新生產的6*2國Ⅵ自卸車為試驗車輛，該車配置了國Ⅵ發動機和后處理系統。車輛加載質量為最大載荷的50%，燃油為普通市售柴油。

3.3 試驗路線

國Ⅵ法規[7]要求試驗路線應包括：市區路、市郊路、高速路。試驗車屬N3類，測試道路組成依次為20%的市區路、25%的市郊路和55%的高速路。試驗開始點和結束點之間的海拔高度之差不得超過100m，并且試驗車輛的累計正海拔高度增加量應不大于1200m/100km。試驗路線選擇十堰市武當山-丹江口市土關埡高速口（沿土武一級路）-襄陽市龍王高速口（沿福銀高速）。

3.4 試驗方法

測試開始前對PEMS設備預熱，使之準備就緒，補充正丁醇溶液并更換新的濾膜。吹掃排氣流量計，清除壓力測量端口冷凝物及柴油顆粒物。對PEMS取樣系統進行氣體泄漏檢查，按設備操作要求執行氣體標定。測試過程中由兩塊12V鋰電池對PEMS設備不間斷供電。

車輛進行預熱行駛，當冷卻液溫度在70℃以上，測試正式開始。試驗樣車分別搭載新鮮態DPF-1與加載灰分的DPF-2各進行一次試驗，2次試驗由同一名經驗豐富的駕駛員以正常駕駛習慣沿規劃路線行駛（按市區、市郊和高速的連續工況），試驗起終點盡量保持一致。采樣時間均為120min，各運行道路平均車速及時間占比按表2規定，允許實際道路構成比例有±5%的偏差。

3.5 判定方法

采用功基窗口法對試驗數據進行計算和結果判定。有效窗口：窗口平均功率大于發動機最大功率的20%的窗口，有效窗口的比例應大于等于50%。若有效窗口比例低于50%，則降低功率閥值，功率閥值最小不能小于10%。本次試驗僅對PN排放進行探究，不對CO、NOx排放進行評價。在有效功基窗口中，要求90%以上的窗口滿足PN比排放小于1.2*1012/kWh排放限值要求。

4 試驗結果對比分析

4.1 行駛特征

試驗在夏季進行，環境溫度30-32℃。2次試驗市區、市郊、高速道路行駛的基本情況見表3。各運行道路平均車速、時間占比均符合國Ⅵ法規中N3類車輛規定。

4.2 PN排放結果

PN排放結果見表4，2次試驗累積功均滿足最低4～7倍發動機循環功要求，有效窗口比例均超過50%，試驗結果有效。試驗車搭載新鮮態DPF-1，PN比排放滿足限值的窗口比例僅26.96%，PN排放不合格;搭載DPF-2，PN比排放滿足限值的窗口比例為100%，PN排放合格。從PN窗口排放（圖1）可以看出，試驗車搭載DPF-1，在大部分數據采樣點，PN比排放均超過1.2*1012/kWh限值要求，最高峰值達到7.2*1012/kWh;試驗車搭載DPF-2，在所有采樣點，PN比排放均未超過1.2*1012/kWh，峰值僅1.2* 1011/kWh。

4.3 結果分析

上述試驗結果表明，與DPF-1相比，DPF-2可以有效減少PN排放。分析原因為灰分在DPF-2過濾體孔道內沉積后形成的層狀物質的結構與多孔介質結構相類似，當灰分層形成后，過濾體孔道內相當于存在三層捕集介質（灰分層、微粒層、過濾壁面），因此隨著灰分在DPF-2過濾體內沉積，DPF-2對顆粒物的捕集效率逐漸增大。

但DPF捕集效率與流動阻力是相互矛盾的，只要過濾體內存在灰分沉積，流動阻力必然增加，直接影響柴油機缸內廢氣的排出，進而影響柴油機的動力性和燃油經濟性。當DPF灰分沉積量較大時甚至會堵塞濾體的進氣孔道，從而被迫對DPF進行維修或更換，嚴重影響DPF的使用壽命。所以在綜合考慮DPF捕集效率、流動阻力與使用壽命時，灰分沉積對DPF而言還是起負面作用的。

5 結論

基于便攜式排放測試系統，對灰分對重型柴油車PN排放的影響進行了對比研究。結果表明，與新鮮態DPF相比，沉積一定量灰分的DPF能有效減少柴油車PN排放。但綜合考慮，灰分沉積對DPF而言還是起負面作用的。DPF在實際車載使用過程中，灰分在DPF過濾體內的沉積是不可避免的，因此在設計DPF時，如何平衡灰分對DPF捕集效率、流動阻力與使用壽命的影響，是至關重要的。

參考文獻：

[1]張俊，帥石金，肖建華.灰分對柴油機顆粒捕集器性能影響研究綜述[J].內燃機工程，2018，39（6）：11-22.

[2]侯獻軍，馬義，彭輔明，等.柴油機微粒捕集器再生中灰分沉積機理及影響研究[J].汽車工程，2012，34（4）：316-319.

[3]侯獻軍，王清森，徐雷.灰分沉積對柴油機微料捕集器再生影響分析[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2016，40（5）：765-769.

[4]黃迎.柴油機壁流式微粒捕集器灰燼沉積過程研究[D].長沙：湖南大學，2011.