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        機(jī)油品質(zhì)對柴油機(jī)顆粒過濾器性能影響的試驗研究

        2021-09-10 19:09:35王曉輝謝夏琳
        汽車與新動力 2021年3期
        關(guān)鍵詞:積灰壓差

        王曉輝 謝夏琳

        針對不同油品的機(jī)油摻混率,以及不同油品的機(jī)油對柴油機(jī)顆粒過濾器(DPF)的積灰特性進(jìn)行研究。試驗結(jié)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(nèi),因此該方案更適用于工程驗證。機(jī)油的油品對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)顆粒過濾器;積灰;壓差;清灰里程

        0 前言

        柴油機(jī)在動力性、經(jīng)濟(jì)性方面具有突出優(yōu)勢。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)排放問題愈發(fā)成為柴油機(jī)排放控制的難點。重型柴油車僅僅通過缸內(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]。重型柴油車國六排放法規(guī)對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)顆粒過濾器(DPF)已成為滿足國六排放法規(guī)必不可少的技術(shù)手段。DPF的過濾效率可以達(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再生和無外加能源的被動再生2種方式[2]。但是,由于機(jī)油進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的灰分無法在使用過程中實現(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)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性會發(fā)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(dǎo)致的發(fā)動機(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,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(jīng)濟(jì)價值。

        1 試驗樣機(jī)及后處理樣件

        研究人員在1臺直列6缸車用柴油機(jī)上進(jìn)行了機(jī)油品質(zhì)對DPF積灰特性的試驗研究。該發(fā)動機(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(fā)動機(jī)的部分技術(shù)參數(shù)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(fā)動機(jī)和后處理系統(tǒng),并對后處理系統(tǒng)進(jìn)行4 h預(yù)處理。在預(yù)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(tǒng)的預(yù)處理后,研究人員對原始催化器進(jìn)行了稱重。

        為了實現(xiàn)快速驗證的目的,在本試驗中,研究人員對柴油進(jìn)行了摻混機(jī)油的操作。為了對比不同油品的機(jī)油摻混率對試驗結(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(jī)油進(jìn)行調(diào)制后,研究人員對預(yù)處理后的DPF進(jìn)行了裝配調(diào)試,并讓發(fā)動機(jī)在最高功率點連續(xù)運(yùn)行24 h。在試驗結(jié)束后,研究人員再次對催化器進(jìn)行了稱重,記錄此時的催化器質(zhì)量及相關(guān)試驗條件數(shù)據(jù)。

        根據(jù)上一步確定的機(jī)油摻混率,研究人員對不同品質(zhì)機(jī)油的DPF積灰特性進(jìn)行驗證。在完成摻混機(jī)油A的柴油試驗后,依次更換摻混機(jī)油B、機(jī)油C、機(jī)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(jìn)行重復(fù)試驗。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)行計算。

        式中,Q1為積灰量,單位g;Q2為加速試驗機(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為試驗工況的燃油消耗率,單位g/(kW·h);Q2為加速試驗機(jī)油消耗量,單位g;Q為車輛運(yùn)行過程的百公里燃油消耗量,單位L。

        4 數(shù)據(jù)分析

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

        從表3中的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看,在相同的試驗時間內(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)油摻混率對試驗結(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)油摻混率能對產(chǎn)品的適用性加速驗證,縮短開發(fā)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(jī)油摻混率進(jìn)行試驗驗證。

        不同機(jī)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(jié)束后,通過式1和式2對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,其結(jié)果如表4所示。

        從表4中的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看,在相同的試驗中,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。在相同的時間內(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。對于用戶來說,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(dāng)壓力增加接近20.0 kPa時,試驗結(jié)束。在試驗結(jié)束后,研究人員對試驗結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析,其結(jié)果如表5所示。

        從表5的統(tǒng)計結(jié)果可以看出,基于機(jī)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(tài)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(dá)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(biāo)與設(shè)計目標(biāo)基本一致,因此最大清灰里程滿足350 000 km的產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)。

        5 結(jié)論

        本文主要通過針對不同油品的機(jī)油摻混率,以及不同油品的機(jī)油對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,對試驗結(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)油的對比結(jié)果來看,機(jī)油品質(zhì)對積灰的特性影響較大。在相同的時間內(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,會造成用戶的產(chǎn)品體驗較差,并會增加用戶使用成本。

        (3)按照機(jī)油A的試驗結(jié)果進(jìn)行評估,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)計目標(biāo)。

        機(jī)油油品對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, 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.

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