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摘 要：灰分是颗粒物捕集器（DPF）捕集的微粒物经再生氧化燃烧后残留的不可燃物质，灰分沉积会影响DPF性能与使用寿命。本研究基于便携式排放测试系统，研究了新鲜态DPF与累积一定灰分的DPF对重型柴油车PN排放的影响。研究表明，与新鲜态DPF相比，累积一定灰分的DPF能够有效减少柴油车PN排放。研究结果对DPF性能优化与减少柴油车PN排放具有参考价值和现实意义。
关键词：颗粒物捕集器 灰分沉积 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
随着排放法规日趋严格，柴油车采用DPF（颗粒物捕集器）成为一种必然趋势。随着DPF孔道壁面上的微粒沉积量增加，会造成柴油机排气背压升高，从而影响到柴油机缸内的燃烧状况，需要定期对DPF进行再生。目前绝大多数的DPF再生都是基于热再生的原理，在一定温度下将DPF中累积的颗粒物氧化燃烧成气态物质。再生结束后，在DPF孔道内会有一定量的残留物质，这些物质被称为灰分，主要来源于燃油添加剂、润滑油添加剂、零部件磨损及腐蚀等[1]。灰分对DPF性能和寿命都有很大影响，所以对灰分的探究就十分必要。
2 DPF选型及灰分加载
2.1 DPF选型
试验选用某涡轮增压发动机DPF，主要参数如表1所示。选取两个DPF，分别编号为DPF-1，DPF-2。
2.2 DPF灰分加载
灰分在DPF内部沉积是一个漫长的过程，通常是经过长时间的使用，多次加载和再生之后才能积累到可观的量，需要大量的时间和资源。本研究在发动机试验台架上，通过DPF快速老化试验方法，加速DPF内部灰分沉积。对DPF-2进行灰分加载，加载后灰分沉积量为6.5g/L。
3 试验方法
3.1 试验设备
采用美国Sensers公司SEMTECH-DS+便携式排放测试系统，主要由主控系统（SCS）、气体分析系统（GAS）、PN分析模块（CPN）、采样管、排气流量计（EFM）、OBD数据采集模块（ICM）、环境湿温度计、卫星定位系统（GPS）组成。PN分析模块采用凝结核粒子计数器原理测量PN排放，测量结果重复性、精确度都较为理想。
3.2 试验车辆
以1辆湖北大运新生产的6*2国Ⅵ自卸车为试验车辆，该车配置了国Ⅵ发动机和后处理系统。车辆加载质量为最大载荷的50%，燃油为普通市售柴油。
3.3 试验路线
国Ⅵ法规[7]要求试验路线应包括：市区路、市郊路、高速路。试验车属N3类，测试道路组成依次为20%的市区路、25%的市郊路和55%的高速路。试验开始点和结束点之间的海拔高度之差不得超过100m，并且试验车辆的累计正海拔高度增加量应不大于1200m/100km。试验路线选择十堰市武当山-丹江口市土关垭高速口（沿土武一级路）-襄阳市龙王高速口（沿福银高速）。
3.4 试验方法
测试开始前对PEMS设备预热，使之准备就绪，补充正丁醇溶液并更换新的滤膜。吹扫排气流量计，清除压力测量端口冷凝物及柴油颗粒物。对PEMS取样系统进行气体泄漏检查，按设备操作要求执行气体标定。测试过程中由两块12V锂电池對PEMS设备不间断供电。
车辆进行预热行驶，当冷却液温度在70℃以上，测试正式开始。试验样车分别搭载新鲜态DPF-1与加载灰分的DPF-2各进行一次试验，2次试验由同一名经验丰富的驾驶员以正常驾驶习惯沿规划路线行驶（按市区、市郊和高速的连续工况），试验起终点尽量保持一致。采样时间均为120min，各运行道路平均车速及时间占比按表2规定，允许实际道路构成比例有±5%的偏差。
3.5 判定方法
采用功基窗口法对试验数据进行计算和结果判定。有效窗口：窗口平均功率大于发动机最大功率的20%的窗口，有效窗口的比例应大于等于50%。若有效窗口比例低于50%，则降低功率阀值，功率阀值最小不能小于10%。本次试验仅对PN排放进行探究，不对CO、NOx排放进行评价。在有效功基窗口中，要求90%以上的窗口满足PN比排放小于1.2*1012/kWh排放限值要求。 4 试验结果对比分析
4.1 行驶特征
试验在夏季进行，环境温度30-32℃。2次试验市区、市郊、高速道路行驶的基本情况见表3。各运行道路平均车速、时间占比均符合国Ⅵ法规中N3类车辆规定。
4.2 PN排放结果
PN排放结果见表4，2次试验累积功均满足最低4～7倍发动机循环功要求，有效窗口比例均超过50%，试验结果有效。试验车搭载新鲜态DPF-1，PN比排放满足限值的窗口比例仅26.96%，PN排放不合格;搭载DPF-2，PN比排放满足限值的窗口比例为100%，PN排放合格。从PN窗口排放（图1）可以看出，试验车搭载DPF-1，在大部分数据采样点，PN比排放均超过1.2*1012/kWh限值要求，最高峰值达到7.2*1012/kWh;试验车搭载DPF-2，在所有采样点，PN比排放均未超过1.2*1012/kWh，峰值仅1.2* 1011/kWh。
4.3 结果分析
上述试验结果表明，与DPF-1相比，DPF-2可以有效减少PN排放。分析原因为灰分在DPF-2过滤体孔道内沉积后形成的层状物质的结构与多孔介质结构相类似，当灰分层形成后，过滤体孔道内相当于存在三层捕集介质（灰分层、微粒层、过滤壁面），因此随着灰分在DPF-2过滤体内沉积，DPF-2对颗粒物的捕集效率逐渐增大。
但DPF捕集效率与流动阻力是相互矛盾的，只要過滤体内存在灰分沉积，流动阻力必然增加，直接影响柴油机缸内废气的排出，进而影响柴油机的动力性和燃油经济性。当DPF灰分沉积量较大时甚至会堵塞滤体的进气孔道，从而被迫对DPF进行维修或更换，严重影响DPF的使用寿命。所以在综合考虑DPF捕集效率、流动阻力与使用寿命时，灰分沉积对DPF而言还是起负面作用的。
5 结论
基于便携式排放测试系统，对灰分对重型柴油车PN排放的影响进行了对比研究。结果表明，与新鲜态DPF相比，沉积一定量灰分的DPF能有效减少柴油车PN排放。但综合考虑，灰分沉积对DPF而言还是起负面作用的。DPF在实际车载使用过程中，灰分在DPF过滤体内的沉积是不可避免的，因此在设计DPF时，如何平衡灰分对DPF捕集效率、流动阻力与使用寿命的影响，是至关重要的。
参考文献：
[1]张俊，帅石金，肖建华.灰分对柴油机颗粒捕集器性能影响研究综述[J].内燃机工程，2018，39（6）：11-22.
[2]侯献军，马义，彭辅明，等.柴油机微粒捕集器再生中灰分沉积机理及影响研究[J].汽车工程，2012，34（4）：316-319.
[3]侯献军，王清森，徐雷.灰分沉积对柴油机微料捕集器再生影响分析[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2016，40（5）：765-769.
[4]黄迎.柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究[D].长沙：湖南大学，2011.
关键词：颗粒物捕集器 灰分沉积 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
随着排放法规日趋严格，柴油车采用DPF（颗粒物捕集器）成为一种必然趋势。随着DPF孔道壁面上的微粒沉积量增加，会造成柴油机排气背压升高，从而影响到柴油机缸内的燃烧状况，需要定期对DPF进行再生。目前绝大多数的DPF再生都是基于热再生的原理，在一定温度下将DPF中累积的颗粒物氧化燃烧成气态物质。再生结束后，在DPF孔道内会有一定量的残留物质，这些物质被称为灰分，主要来源于燃油添加剂、润滑油添加剂、零部件磨损及腐蚀等[1]。灰分对DPF性能和寿命都有很大影响，所以对灰分的探究就十分必要。
2 DPF选型及灰分加载
2.1 DPF选型
试验选用某涡轮增压发动机DPF，主要参数如表1所示。选取两个DPF，分别编号为DPF-1，DPF-2。
2.2 DPF灰分加载
灰分在DPF内部沉积是一个漫长的过程，通常是经过长时间的使用，多次加载和再生之后才能积累到可观的量，需要大量的时间和资源。本研究在发动机试验台架上，通过DPF快速老化试验方法，加速DPF内部灰分沉积。对DPF-2进行灰分加载，加载后灰分沉积量为6.5g/L。
3 试验方法
3.1 试验设备
采用美国Sensers公司SEMTECH-DS+便携式排放测试系统，主要由主控系统（SCS）、气体分析系统（GAS）、PN分析模块（CPN）、采样管、排气流量计（EFM）、OBD数据采集模块（ICM）、环境湿温度计、卫星定位系统（GPS）组成。PN分析模块采用凝结核粒子计数器原理测量PN排放，测量结果重复性、精确度都较为理想。
3.2 试验车辆
以1辆湖北大运新生产的6*2国Ⅵ自卸车为试验车辆，该车配置了国Ⅵ发动机和后处理系统。车辆加载质量为最大载荷的50%，燃油为普通市售柴油。
3.3 试验路线
国Ⅵ法规[7]要求试验路线应包括：市区路、市郊路、高速路。试验车属N3类，测试道路组成依次为20%的市区路、25%的市郊路和55%的高速路。试验开始点和结束点之间的海拔高度之差不得超过100m，并且试验车辆的累计正海拔高度增加量应不大于1200m/100km。试验路线选择十堰市武当山-丹江口市土关垭高速口（沿土武一级路）-襄阳市龙王高速口（沿福银高速）。
3.4 试验方法
测试开始前对PEMS设备预热，使之准备就绪，补充正丁醇溶液并更换新的滤膜。吹扫排气流量计，清除压力测量端口冷凝物及柴油颗粒物。对PEMS取样系统进行气体泄漏检查，按设备操作要求执行气体标定。测试过程中由两块12V锂电池對PEMS设备不间断供电。
车辆进行预热行驶，当冷却液温度在70℃以上，测试正式开始。试验样车分别搭载新鲜态DPF-1与加载灰分的DPF-2各进行一次试验，2次试验由同一名经验丰富的驾驶员以正常驾驶习惯沿规划路线行驶（按市区、市郊和高速的连续工况），试验起终点尽量保持一致。采样时间均为120min，各运行道路平均车速及时间占比按表2规定，允许实际道路构成比例有±5%的偏差。
3.5 判定方法
采用功基窗口法对试验数据进行计算和结果判定。有效窗口：窗口平均功率大于发动机最大功率的20%的窗口，有效窗口的比例应大于等于50%。若有效窗口比例低于50%，则降低功率阀值，功率阀值最小不能小于10%。本次试验仅对PN排放进行探究，不对CO、NOx排放进行评价。在有效功基窗口中，要求90%以上的窗口满足PN比排放小于1.2*1012/kWh排放限值要求。 4 试验结果对比分析
4.1 行驶特征
试验在夏季进行，环境温度30-32℃。2次试验市区、市郊、高速道路行驶的基本情况见表3。各运行道路平均车速、时间占比均符合国Ⅵ法规中N3类车辆规定。
4.2 PN排放结果
PN排放结果见表4，2次试验累积功均满足最低4～7倍发动机循环功要求，有效窗口比例均超过50%，试验结果有效。试验车搭载新鲜态DPF-1，PN比排放满足限值的窗口比例仅26.96%，PN排放不合格;搭载DPF-2，PN比排放满足限值的窗口比例为100%，PN排放合格。从PN窗口排放（图1）可以看出，试验车搭载DPF-1，在大部分数据采样点，PN比排放均超过1.2*1012/kWh限值要求，最高峰值达到7.2*1012/kWh;试验车搭载DPF-2，在所有采样点，PN比排放均未超过1.2*1012/kWh，峰值仅1.2* 1011/kWh。
4.3 结果分析
上述试验结果表明，与DPF-1相比，DPF-2可以有效减少PN排放。分析原因为灰分在DPF-2过滤体孔道内沉积后形成的层状物质的结构与多孔介质结构相类似，当灰分层形成后，过滤体孔道内相当于存在三层捕集介质（灰分层、微粒层、过滤壁面），因此随着灰分在DPF-2过滤体内沉积，DPF-2对颗粒物的捕集效率逐渐增大。
但DPF捕集效率与流动阻力是相互矛盾的，只要過滤体内存在灰分沉积，流动阻力必然增加，直接影响柴油机缸内废气的排出，进而影响柴油机的动力性和燃油经济性。当DPF灰分沉积量较大时甚至会堵塞滤体的进气孔道，从而被迫对DPF进行维修或更换，严重影响DPF的使用寿命。所以在综合考虑DPF捕集效率、流动阻力与使用寿命时，灰分沉积对DPF而言还是起负面作用的。
5 结论
基于便携式排放测试系统，对灰分对重型柴油车PN排放的影响进行了对比研究。结果表明，与新鲜态DPF相比，沉积一定量灰分的DPF能有效减少柴油车PN排放。但综合考虑，灰分沉积对DPF而言还是起负面作用的。DPF在实际车载使用过程中，灰分在DPF过滤体内的沉积是不可避免的，因此在设计DPF时，如何平衡灰分对DPF捕集效率、流动阻力与使用寿命的影响，是至关重要的。
参考文献：
[1]张俊，帅石金，肖建华.灰分对柴油机颗粒捕集器性能影响研究综述[J].内燃机工程，2018，39（6）：11-22.
[2]侯献军，马义，彭辅明，等.柴油机微粒捕集器再生中灰分沉积机理及影响研究[J].汽车工程，2012，34（4）：316-319.
[3]侯献军，王清森，徐雷.灰分沉积对柴油机微料捕集器再生影响分析[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2016，40（5）：765-769.
[4]黄迎.柴油机壁流式微粒捕集器灰烬沉积过程研究[D].长沙：湖南大学，2011.