论文部分内容阅读
针对不同油品的机油掺混率，以及不同油品的机油对柴油机颗粒过滤器（DPF）的积灰特性进行研究。试验结果表明，油品的掺混率对DPF的积灰特性有一定的影响，2%的掺混率能缩短试验的验证周期，且两者的差异在工程试验的合理偏差范围内，因此该方案更适用于工程验证。机油的油品对DPF的积灰特性影响较大，选择性能好的机油可以降低催化器的阻力增加速率，延长DPF的清灰里程，降低用户的使用成本，提高柴油机运行效率。关键词：柴油机颗粒过滤器;积灰;压差;清灰里程
0 前言
柴油机在动力性、经济性方面具有突出优势。随着排放法规的日益严格，柴油机氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放问题愈发成为柴油机排放控制的难点。重型柴油车仅仅通过缸内净化技术难以满足法规要求，后处理装置已成了柴油车不可或缺的部件之一[1]。重型柴油车国六排放法规对PM和颗粒数（PN）排放都作了明确的限值规定。
在柴油车后处理装置中，采用柴油机颗粒过滤器（DPF）已成为满足国六排放法规必不可少的技术手段。DPF的过滤效率可以达到95%以上，除了捕集炭烟颗粒外，DPF还能捕集由部分机油窜入气缸内发生燃烧产生的灰分。炭烟颗粒部分可以通过DPF再生的方式进行周期性的处理，使得DPF的性能恢复到初始状态。DPF的再生可以分为外加能源的主动再生和无外加能源的被动再生2种方式[2]。但是，由于机油进入气缸内燃烧产生的灰分无法在使用过程中实现周期性的处理，随着积灰量的增加，在排气背压逐渐增大到一定数值后，发动机的动力性和经济性会发生显著劣化。因此，在使用一定时间后，为了减少因背压上升导致的发动机性能劣化，运行车辆需要在服务站内进行清灰处理。在车辆使用的生命周期内，积灰的速度越慢，清灰里程越长，用户对于车辆的使用将会更加便利，用户获得的收益也会更高。因此，研究DPF的积灰特性对于用户的车辆使用体验具有较大的经济价值。
1 试验样机及后处理样件
研究人员在1台直列6缸车用柴油机上进行了机油品质对DPF积灰特性的试验研究。该发动机采用废气再循环（EGR）系统+柴油机氧化催化器（DOC）+DPF+选择性催化还原（SCR）系统的后处理技术路线，其排放满足《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 17691—2018）中的6b阶段排放限值要求。该试验发动机的部分技术参数如表1所示。
2 试验方法
该试验使用市售柴油，在测试台架上安装发动机和后处理系统，并对后处理系统进行4 h预处理。在预处理过程中保证催化器的空速为40 000 h-1，催化器的入口温度为450 ℃，在完成对后处理系统的预处理后，研究人员对原始催化器进行了称重。
为了实现快速验证的目的，在本试验中，研究人员对柴油进行了掺混机油的操作。为了对比不同油品的机油掺混率对试验结果的影响，研究人员首先安排进行不同掺混率的试验对比。在试验过程中，分别采用2%和1%的掺混率，按照相同的试验步骤开展试验。在对试验机油进行调制后，研究人员对预处理后的DPF进行了装配调试，并让发动机在最高功率点连续运行24 h。在试验结束后，研究人员再次对催化器进行了称重，记录此时的催化器质量及相关试验条件数据。
根据上一步确定的机油掺混率，研究人员对不同品质机油的DPF积灰特性进行验证。在完成掺混机油A的柴油试验后，依次更换掺混机油B、机油C、机油D的柴油，同时更换新的催化器，并按照以上的试验方法进行重复试验。相关机油的特性如表2所示。
3 数据处理
根据上述试验所得数据，研究人员进行了整理分析，按照最大后处理压力40.0 kPa，计算积灰率和最大允许清灰里程。积灰率y按照下式进行计算。
式中，Q1为积灰量，单位g;Q2为加速试验机油消耗量，单位g;μ为机油中灰分含量。
清灰里程H按照下式进行计算。
式中，ρ为柴油的密度，单位g/L，此处取值为835 g/L;λ为理论机油消耗率，单位g/（kW·h），此处取值为0.1 g/（kW·h）;be为试验工况的燃油消耗率，单位g/（kW·h）;Q2为加速试验机油消耗量，单位g;Q为车辆运行过程的百公里燃油消耗量，单位L。
4 数据分析
为了验证机油掺混率对试验结果的影响，本研究基于机油A，对不同掺混率积灰结果的影响进行了对比。具体试验方法与上述试验方法一致。在试验结束后，研究人员按照式1和式2对试验结果进行了统计。统计结果如表3所示。
从表3中的试验数据统计结果来看，在相同的试验时间内，机油掺混率不同，其积灰率也不同。1%的机油掺混率的积灰率相比2%的机油掺混率的积灰率下降了9.48%。虽然机油掺混率对试验结果有一定的影响，但2种机油掺混率的结果偏差处于合理范围内。在工程领域中，2%的机油掺混率能对产品的适用性加速验证，缩短开发周期，因而更具试验价值。因此，下文基于不同油品的研究均基于2%的机油掺混率进行试验验证。
不同机油对DPF积灰特性影响的试验按照上述试验方法开展。在试验结束后，通过式1和式2对试验数据进行整理分析，其结果如表4所示。
从表4中的试验数据统计结果来看，在相同的试验中，不同机油的积灰量和积灰率有较大差异：机油D的积灰量和积灰率最高，且其催化器的压力增加较快;机油A的积灰率最快，但其催化器的压力增加最慢，清灰里程最长。在相同的时间内，机油A和机油B的催化器压力增加最大相差8.4 kPa。按照最大的压力目标40.0 kPa进行折算，机油B的清灰里程相比机油A的要缩短50%以上。对于用户来说，使用机油A可增加清灰里程，减少清灰的次数和费用。
为了进一步探索在发动机性能允许范围内的最大清灰里程，基于机油A，研究人员继续延长积灰的试验时间，并在试验过程中检测后处理的压力增加速率。当压力增加接近20.0 kPa时，试验结束。在试验结束后，研究人员对试验结果进行了统计分析，其结果如表5所示。
从表5的统计结果可以看出，基于机油A的3次积灰（积灰时间分别为24 h、36 h、48 h）累积量为297 g，初始新鲜状态后处理器压力为20.3 kPa，48 h积灰试验后，后处理压力增加值为19.8 kPa，此时后处理器最大压力达到40.1 kPa，累积折合清灰里程为393 932 km。由于此时后处理器的最大压力目标与设计目标基本一致，因此最大清灰里程满足350 000 km的产品设计目标。
5 结论
本文主要通过针对不同油品的机油掺混率，以及不同油品的机油对DPF的积灰特性进行了研究，得出如下结论。
（1）2%和1%的机油掺混率，对试验结果略有影响。1%的机油掺混率的积灰率相比2%的机油掺混率的积灰率下降了9.48%。
（2）基于不同油品机油的对比结果来看，机油品质对积灰的特性影响较大。在相同的时间内，机油A和机油B的催化器压力最大相差8.4 kPa。按照最大压力目标40.0 kPa進行折算，机油B的清灰里程相比机油A的缩短50%以上，在某柴油机使用机油A的情况下，会造成用户的产品体验较差，并会增加用户使用成本。
（3）按照机油A的试验结果进行评估，其清灰里程可达393 932 km，满足350 000 km清灰里程的产品设计目标。
机油油品对DPF的积灰特性影响较大，选择性能较好的机油可以降低用户的使用成本，提高柴油机运行效率。
[1]帅石金， 刘世宇， 马骁， 等. 重型柴油车满足近零排放法规的技术分析[J].汽车安全与节能学报， 2019， 10（01）：16-31.
[2]吴凤英， 王站成， 徐斌， 等. 柴油机颗粒捕集器（DPF）再生技术分析[J].环境工程， 2015， 33（6）：67-70.
0 前言
柴油机在动力性、经济性方面具有突出优势。随着排放法规的日益严格，柴油机氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放问题愈发成为柴油机排放控制的难点。重型柴油车仅仅通过缸内净化技术难以满足法规要求，后处理装置已成了柴油车不可或缺的部件之一[1]。重型柴油车国六排放法规对PM和颗粒数（PN）排放都作了明确的限值规定。
在柴油车后处理装置中，采用柴油机颗粒过滤器（DPF）已成为满足国六排放法规必不可少的技术手段。DPF的过滤效率可以达到95%以上，除了捕集炭烟颗粒外，DPF还能捕集由部分机油窜入气缸内发生燃烧产生的灰分。炭烟颗粒部分可以通过DPF再生的方式进行周期性的处理，使得DPF的性能恢复到初始状态。DPF的再生可以分为外加能源的主动再生和无外加能源的被动再生2种方式[2]。但是，由于机油进入气缸内燃烧产生的灰分无法在使用过程中实现周期性的处理，随着积灰量的增加，在排气背压逐渐增大到一定数值后，发动机的动力性和经济性会发生显著劣化。因此，在使用一定时间后，为了减少因背压上升导致的发动机性能劣化，运行车辆需要在服务站内进行清灰处理。在车辆使用的生命周期内，积灰的速度越慢，清灰里程越长，用户对于车辆的使用将会更加便利，用户获得的收益也会更高。因此，研究DPF的积灰特性对于用户的车辆使用体验具有较大的经济价值。
1 试验样机及后处理样件
研究人员在1台直列6缸车用柴油机上进行了机油品质对DPF积灰特性的试验研究。该发动机采用废气再循环（EGR）系统+柴油机氧化催化器（DOC）+DPF+选择性催化还原（SCR）系统的后处理技术路线，其排放满足《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 17691—2018）中的6b阶段排放限值要求。该试验发动机的部分技术参数如表1所示。
2 试验方法
该试验使用市售柴油，在测试台架上安装发动机和后处理系统，并对后处理系统进行4 h预处理。在预处理过程中保证催化器的空速为40 000 h-1，催化器的入口温度为450 ℃，在完成对后处理系统的预处理后，研究人员对原始催化器进行了称重。
为了实现快速验证的目的，在本试验中，研究人员对柴油进行了掺混机油的操作。为了对比不同油品的机油掺混率对试验结果的影响，研究人员首先安排进行不同掺混率的试验对比。在试验过程中，分别采用2%和1%的掺混率，按照相同的试验步骤开展试验。在对试验机油进行调制后，研究人员对预处理后的DPF进行了装配调试，并让发动机在最高功率点连续运行24 h。在试验结束后，研究人员再次对催化器进行了称重，记录此时的催化器质量及相关试验条件数据。
根据上一步确定的机油掺混率，研究人员对不同品质机油的DPF积灰特性进行验证。在完成掺混机油A的柴油试验后，依次更换掺混机油B、机油C、机油D的柴油，同时更换新的催化器，并按照以上的试验方法进行重复试验。相关机油的特性如表2所示。
3 数据处理
根据上述试验所得数据，研究人员进行了整理分析，按照最大后处理压力40.0 kPa，计算积灰率和最大允许清灰里程。积灰率y按照下式进行计算。
式中，Q1为积灰量，单位g;Q2为加速试验机油消耗量，单位g;μ为机油中灰分含量。
清灰里程H按照下式进行计算。
式中，ρ为柴油的密度，单位g/L，此处取值为835 g/L;λ为理论机油消耗率，单位g/（kW·h），此处取值为0.1 g/（kW·h）;be为试验工况的燃油消耗率，单位g/（kW·h）;Q2为加速试验机油消耗量，单位g;Q为车辆运行过程的百公里燃油消耗量，单位L。
4 数据分析
为了验证机油掺混率对试验结果的影响，本研究基于机油A，对不同掺混率积灰结果的影响进行了对比。具体试验方法与上述试验方法一致。在试验结束后，研究人员按照式1和式2对试验结果进行了统计。统计结果如表3所示。
从表3中的试验数据统计结果来看，在相同的试验时间内，机油掺混率不同，其积灰率也不同。1%的机油掺混率的积灰率相比2%的机油掺混率的积灰率下降了9.48%。虽然机油掺混率对试验结果有一定的影响，但2种机油掺混率的结果偏差处于合理范围内。在工程领域中，2%的机油掺混率能对产品的适用性加速验证，缩短开发周期，因而更具试验价值。因此，下文基于不同油品的研究均基于2%的机油掺混率进行试验验证。
不同机油对DPF积灰特性影响的试验按照上述试验方法开展。在试验结束后，通过式1和式2对试验数据进行整理分析，其结果如表4所示。
从表4中的试验数据统计结果来看，在相同的试验中，不同机油的积灰量和积灰率有较大差异：机油D的积灰量和积灰率最高，且其催化器的压力增加较快;机油A的积灰率最快，但其催化器的压力增加最慢，清灰里程最长。在相同的时间内，机油A和机油B的催化器压力增加最大相差8.4 kPa。按照最大的压力目标40.0 kPa进行折算，机油B的清灰里程相比机油A的要缩短50%以上。对于用户来说，使用机油A可增加清灰里程，减少清灰的次数和费用。
为了进一步探索在发动机性能允许范围内的最大清灰里程，基于机油A，研究人员继续延长积灰的试验时间，并在试验过程中检测后处理的压力增加速率。当压力增加接近20.0 kPa时，试验结束。在试验结束后，研究人员对试验结果进行了统计分析，其结果如表5所示。
从表5的统计结果可以看出，基于机油A的3次积灰（积灰时间分别为24 h、36 h、48 h）累积量为297 g，初始新鲜状态后处理器压力为20.3 kPa，48 h积灰试验后，后处理压力增加值为19.8 kPa，此时后处理器最大压力达到40.1 kPa，累积折合清灰里程为393 932 km。由于此时后处理器的最大压力目标与设计目标基本一致，因此最大清灰里程满足350 000 km的产品设计目标。
5 结论
本文主要通过针对不同油品的机油掺混率，以及不同油品的机油对DPF的积灰特性进行了研究，得出如下结论。
（1）2%和1%的机油掺混率，对试验结果略有影响。1%的机油掺混率的积灰率相比2%的机油掺混率的积灰率下降了9.48%。
（2）基于不同油品机油的对比结果来看，机油品质对积灰的特性影响较大。在相同的时间内，机油A和机油B的催化器压力最大相差8.4 kPa。按照最大压力目标40.0 kPa進行折算，机油B的清灰里程相比机油A的缩短50%以上，在某柴油机使用机油A的情况下，会造成用户的产品体验较差，并会增加用户使用成本。
（3）按照机油A的试验结果进行评估，其清灰里程可达393 932 km，满足350 000 km清灰里程的产品设计目标。
机油油品对DPF的积灰特性影响较大，选择性能较好的机油可以降低用户的使用成本，提高柴油机运行效率。
[1]帅石金， 刘世宇， 马骁， 等. 重型柴油车满足近零排放法规的技术分析[J].汽车安全与节能学报， 2019， 10（01）：16-31.
[2]吴凤英， 王站成， 徐斌， 等. 柴油机颗粒捕集器（DPF）再生技术分析[J].环境工程， 2015， 33（6）：67-70.