郎建平,劉倩,張治強(qiáng),段娜,任永凱

(1.中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南動(dòng)力部，山東濟(jì)南 250200;2.中國(guó)重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，山東濟(jì)南 250200)

0 引言

柴油機(jī)熱效率較高，在重型貨車(chē)、城市大巴等大型運(yùn)輸工具上幾乎都用柴油機(jī)作為動(dòng)力[1]。柴油機(jī)廣泛應(yīng)用的同時(shí)，排放的顆粒物和氮氧化物等是造成大氣污染的重要成分。解決柴油機(jī)排放污染的關(guān)鍵是柴油機(jī)顆粒物凈化。目前，柴油機(jī)微粒捕集器(diesel particular filter，DPF)是處理柴油機(jī)顆粒物排放最有效的后處理系統(tǒng)[2-3]。

壁流式DPF中，當(dāng)排氣從一個(gè)過(guò)濾孔道流入后穿過(guò)多孔性壁面從相鄰孔道流出時(shí)，顆粒物被有效地捕集在載體上。DPF可以有效過(guò)濾柴油機(jī)排氣中的顆粒排放物，但是當(dāng)顆粒物在載體中累積到一定數(shù)量時(shí)，柴油機(jī)排氣阻力增加，排氣背壓升高，嚴(yán)重影響柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此必須選擇合適的時(shí)機(jī)，利用物理或化學(xué)方法去除DPF載體內(nèi)累積的顆粒物，去除載體內(nèi)沉積顆粒物的過(guò)程稱(chēng)為再生。DPF再生效率不可能達(dá)到100%，即再生過(guò)程不能將所有累積的顆粒物完全去除，有一些顆粒物留在DPF載體內(nèi)部，這些顆粒物稱(chēng)為灰分。載體內(nèi)的灰分不僅會(huì)增加流動(dòng)阻力，還會(huì)占用載體通道內(nèi)的有效過(guò)濾面積，對(duì)排氣中顆粒物的過(guò)濾和DPF的再生效率都有不利影響；這些灰分不能燃燒，只能依靠物理方法去除。同時(shí)，灰分大量沉積影響DPF的使用壽命。因此，對(duì)灰分研究具有重要意義。

1 灰分的形成和沉積對(duì)主動(dòng)再生過(guò)程的影響

DPF的再生技術(shù)是影響DPF能否在柴油機(jī)上正常使用的關(guān)鍵。根據(jù)再生系統(tǒng)的原理，DPF再生技術(shù)大體分為兩類(lèi)，一是主動(dòng)再生，即直接加熱使微粒燃燒，二是被動(dòng)再生，即通過(guò)催化劑的催化作用降低顆粒物的反應(yīng)活化能，使捕集的顆粒物能夠在柴油機(jī)正常排氣溫度范圍內(nèi)燃燒。兩類(lèi)方法都是將DPF收集的微粒通過(guò)燃燒變成氣態(tài)排出，達(dá)到DPF再生的目的[4]。

1.1 主動(dòng)再生技術(shù)

主動(dòng)再生技術(shù)利用的能量并非缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的能量，而是外加能量。外加能量使柴油機(jī)排氣溫度達(dá)到顆粒物的起燃溫度，燃燒顆粒物實(shí)現(xiàn)再生。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況要求較低，對(duì)柴油中的硫含量不敏感，因此應(yīng)用較廣泛。噴油助燃再生是國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用較多的一種主動(dòng)再生方法。噴油助燃再生的基本原理為：當(dāng)檢測(cè)到DPF需要再生時(shí)，通過(guò)布置在氧化性催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)前端的碳?xì)鋰娚淦?hydrocarbon injector，HCI)向排氣中噴射一定的柴油，噴入的柴油在DOC內(nèi)氧化，提升排氣溫度至顆粒物的起燃溫度，使DPF載體內(nèi)的顆粒物著火燃燒，達(dá)到DPF再生的目的[5]。李新等[6]和龔金科等[7-8]對(duì)DPF的主動(dòng)再生系統(tǒng)進(jìn)行自行設(shè)計(jì)，并對(duì)其再生控制策略進(jìn)行研究。

1.2 灰分來(lái)源

DPF中的灰分主要由硫酸鹽、磷酸鹽和鈣、鎂、鋅的氧化物等組成，主要來(lái)源有3個(gè)：1)柴油機(jī)潤(rùn)滑油中的添加劑，這些添加劑的主要作用是清潔、防氧化和防腐蝕等，起到有效保護(hù)摩擦副，降低摩擦的作用；2)柴油冶煉過(guò)程中的添加劑，其目的是提升柴油品質(zhì)，或者是降低再生過(guò)程中顆粒物的起燃溫度；3)金屬物脫落，如柴油機(jī)摩擦副摩擦產(chǎn)生的金屬碎屑，以及后處理器堇青石載體脫落的材料等[9]。

缸套—活塞環(huán)摩擦副主要通過(guò)機(jī)油潤(rùn)滑，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有少許機(jī)油進(jìn)入燃燒室，因此柴油機(jī)在正常工作過(guò)程中會(huì)消耗機(jī)油。圖1為柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)示意圖，曲軸箱中的潤(rùn)滑油由機(jī)油泵輸送到機(jī)油濾清器和摩擦副表面，循環(huán)后的絕大部分機(jī)油回流至曲軸箱，少許機(jī)油進(jìn)入燃燒室燃燒，然后伴隨排氣一同排出。當(dāng)排氣經(jīng)過(guò)DPF時(shí)，由于內(nèi)部阻力大，流動(dòng)阻力增加，潤(rùn)滑油中金屬元素燃燒所生成的灰分沉積在DPF中，圖2為DPF的工作原理示意圖。

圖1 柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)示意圖 圖2 DPF的工作原理

1.3 灰分對(duì)DPF再生的影響

因DPF上有灰分，不能達(dá)到完全再生時(shí)，DPF壓降增加，導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力下降、油耗增加。DPF模型如圖3所示。DPF再生后，灰分層附著在基層上，進(jìn)行捕集的顆粒物附著在灰分層上?；曳謱拥拇嬖谙拗撇都w粒物的能力，灰分層截面積越大，流通面積的限制率就越高。DPF流通面積限制率與壓降的關(guān)系如圖4所示，流通面積限制是指灰分層厚度占壁流式載體孔道厚度的百分比，壓降隨著流通面積限制率的增加急劇增加。隨著DPF內(nèi)部灰分的增多，DPF的再生效率降低，造成再生不完全，即使再生后，背壓仍舊很高，導(dǎo)致DPF的頻繁、反復(fù)再生。如不及時(shí)將灰分去除，將嚴(yán)重影響DPF的正常使用。有研究表明，對(duì)于壁流式堇青石載體的DPF，經(jīng)過(guò)5萬(wàn)km的道路運(yùn)行后，沉積的顆粒物中有一半為灰分，再生效率最高為50%；經(jīng)過(guò)24萬(wàn)km后，DPF載體內(nèi)沉積的灰分質(zhì)量占比為80%，再生效率僅為20%，造成DPF頻繁再生，因此必須對(duì)DPF做周期性清灰處理[10]。

1.4 灰分成分及沉積形式

灰分的大部分組分是金屬硫酸鹽和磷酸鹽，一小部分是金屬氧化物。硫酸鈣及其他金屬成分是灰分中主要的潤(rùn)滑劑衍生成分，其質(zhì)量為灰分總質(zhì)量的59%～75%。雪佛龍和路博潤(rùn)測(cè)試顯示了潤(rùn)滑劑化學(xué)性質(zhì)對(duì)灰分組成和形態(tài)的影響，并最終影響DPF的壓降，在再生過(guò)程中影響壓降的變化規(guī)律。灰分中的鋁和硅元素來(lái)自載體表面的脫落，鐵、錳、鋅等來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的磨損；鈉和鉀元素來(lái)自燃油添加劑[11-12]。Bardasz等[13]使用具有不同含量的鈣、鎂、二烷基二硫代磷酸鋅、磷和硼等10種潤(rùn)滑油進(jìn)行研究，指出潤(rùn)滑劑中磷濃度高不直接導(dǎo)致DPF壓降增加，該研究進(jìn)一步指出DPF中鉑含量與灰分中磷的關(guān)系，鉑與磷相互作用可降低灰分顆粒的尺寸，使灰分小到可以穿過(guò)DPF；類(lèi)似的研究中，在微粒捕集器沉積的灰分中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)硼。

圖3 DPF模型的幾何參數(shù) 圖4 DPF的流通面積限制與壓降的關(guān)系

灰分在DPF載體中的沉積形式和形態(tài)多種多樣，沉積的形式和形態(tài)影響DPF的壓降?；曳殖练e在DPF壁流式載體的兩端或壁流式載體通道的進(jìn)口時(shí)會(huì)形成堵頭，比沉積在中心部分對(duì)壓降的影響更大。再生方式對(duì)灰分沉積的形式和形態(tài)有影響，主動(dòng)再生后，灰分沉積在進(jìn)口的部分比中心部位多；而被動(dòng)再生后，灰分大部分沉積在載體的中心部位，分布比較均勻。

灰分在DPF內(nèi)沉積后，DPF載體的過(guò)濾效率升高，過(guò)濾過(guò)程中攔截作用更加明顯，能夠顯著提升捕集顆粒效率，但灰分成分對(duì)于載體過(guò)濾效率的詳細(xì)影響機(jī)理還需進(jìn)一步的研究才能明確[14]。

圖5 DPF載體結(jié)構(gòu)示意圖

2 降低灰分的措施

2.1 壁流式DPF

DPF載體通常是壁流式孔道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖5所示，材料以堇青石或碳化硅材料為主，通過(guò)慣性碰撞、攔截、分子形式的擴(kuò)散、重力沉降等機(jī)理將顆粒物從排氣中分離到載體壁面上[15-16]。微粒捕集器的可靠再生技術(shù)、壁流式過(guò)濾載體可靠性技術(shù)、低背壓過(guò)濾技術(shù)、低灰分及清灰技術(shù)等是目前微粒捕集器的主要研究方向。

2.2 降低灰分的措施

表1 不同種類(lèi)的柴油潤(rùn)滑油成分

不同種類(lèi)的柴油潤(rùn)滑油成分如表1所示。由表1可知，潤(rùn)滑油中金屬含量越高，堿值越大。潤(rùn)滑油的堿值越高，潤(rùn)滑性能越好，但是堿值越高，金屬含量越高，進(jìn)入燃燒室參與燃燒后形成的顆粒物就越多。研究發(fā)現(xiàn)，同臺(tái)柴油機(jī)采用低灰分潤(rùn)滑油(硫酸鹽灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.96%)的DPF壓降增加幅度比用高灰分的潤(rùn)滑油(硫酸鹽灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.70%)小[17-18]。為了增加DPF整體使用壽命，應(yīng)盡可能地提高DPF的儲(chǔ)灰能力或盡量選用低灰分的潤(rùn)滑油產(chǎn)品。

DPF對(duì)硫酸鹽灰分比較敏感的原因是:1)潤(rùn)滑油形成的硫酸鹽灰分多為硬度較大的顆粒物，沉積在DPF載體壁面時(shí)，容易被捕集且無(wú)法再生；2)硫酸鹽、磷酸鹽灰分沉積在催化劑表面，使催化劑中毒，降低被動(dòng)再生顆粒物的能力。

通過(guò)使用低硫燃油和低硫潤(rùn)滑油降低灰分中的硫酸鹽成分，并通過(guò)新型清凈劑、分散劑來(lái)補(bǔ)償?shù)土虍a(chǎn)生的影響。潤(rùn)滑油中的磷主要為二烷基二硫代磷酸鋅，其作用主要為抗磨，可以通過(guò)采用新的無(wú)磷抗磨劑和抗氧劑來(lái)替代。

2.3 反吹清除

過(guò)多的灰分沉積在DPF中導(dǎo)致再生不完全，大幅增加再生頻率，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，因此，當(dāng)DPF中灰分沉積量達(dá)到一定程度后，需要及時(shí)清理DPF中的灰分。由分析可知，灰分的主要成分為金屬硫酸鹽和磷酸鹽，和碳煙一起沉積在載體中，沉積的碳煙經(jīng)過(guò)再生后燃燒消耗掉，而金屬硫酸鹽和磷酸鹽經(jīng)過(guò)再生過(guò)程的高溫作用，更加牢固地附著在載體中，甚至?xí)纬蔁Y(jié)，難以清除。

柴油車(chē)廠家一般會(huì)給出DPF清灰的間隔時(shí)間或者行駛里程間隔，并在控制系統(tǒng)中給予提醒。目前最為常用且有效的清灰方式是高壓空氣反吹法。反吹是清除灰分的物理方法，將高壓空氣從DPF的出口反向進(jìn)入，將灰分從DPF的進(jìn)口吹出并收集起來(lái)，高壓空氣能夠有效吹出沉積在DPF載體上的灰分沉積層，根據(jù)DPF載體的大小不同,清灰時(shí)間一般控制在30～60 min。除高壓空氣反吹法外,還有其他的清除灰分的形式，例如利用水或者其他清洗液進(jìn)行清洗，利用清洗液對(duì)拆卸下來(lái)的載體進(jìn)行浸液清洗，灰分溶解到清洗液中，這種方法對(duì)載體上的催化劑有影響，因此只能用于清洗沒(méi)有催化劑的DPF載體，目前應(yīng)用較少。

3 結(jié)語(yǔ)

潤(rùn)滑油是灰分的主要來(lái)源，主要成分為硫酸鹽和磷酸鹽。堿性添加劑過(guò)多勢(shì)必會(huì)引起鈣、鎂元素含量的增加，進(jìn)入燃燒室后生成的灰分就會(huì)增多，從而影響DPF的再生。灰分對(duì)DPF載體的再生效率有非常大的影響，會(huì)導(dǎo)致DPF頻繁再生從而嚴(yán)重影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，需要及時(shí)清理。高壓空氣反吹是清灰的有效方式，還可以通過(guò)使用清凈劑、分散劑降低灰分中的硫酸鹽成分。