柴油机颗粒后处理装置中沉积灰分的理化特性和形成机理研究

Inorganic components can not be burnt or oxidized and thereby remain in after-treatment systems of diesel engines are called ash. Ash temporally amasses in after-treatment systems along with engine operations. Excessive accumulation of ash gives rise to an increase in exhaust back pressure, which obscures fuel economy and regeneration strategy of diesel vehicle. Ash contained in lubricants primarily contributes to ash deposit in after-treatment systems. In addition to lubricant ash, the formation of ash deposit highly depends on lubricant consumption, sulfur and phosphorus contents in lubricant, structure of after-treatment system, base material, engine operating condition and mode of regeneration. In this case, ash accumulation mechanisms in DPF, POC and DOC, ash distribution features in DPF as well as physical and chemical properties of ash are of scopes. Besides, effects of ash, metallic additives, sulfides and phosphides in lubricants and ash contained in diesel on ash accumulation in DPF will be investigated. This study will also look into the influences of engine operating conditions upon ash accumulation in DPF. The correlation between ash deposit and exhaust back pressure will be established as well. Based on aforementioned studies, a regeneration strategy for diesel engine after-treatment systems considering ash accumulation will be proposed. Meanwhile, key features of low-ash lubricant will be suggested.

灰分是残留在柴油机颗粒物后处理装置上的，在再生过程中不能完全燃烧的残留部分，需要定期进行人工处理。后处理装置中残留灰分的不断累积导致柴油机排气背压逐渐增加，影响柴油车的燃油经济性和颗粒物再生控制策略。后处理装置中的灰分主要来源于润滑油灰分，与润滑油消耗量、润滑油中的灰分、硫含量、磷含量等关系密切，与后处理装置结构、基体材料以及发动机的运行工况、再生方式等密切相关。本项目重点研究柴油机各种颗粒物后处理装置（DPF、POC和DOC）中残留灰分的累积特性、灰分在DPF通道中的分布特性、灰分的物理化学特性，润滑油消耗量、润滑油灰分、润滑油中的磷化物和硫化物对后处理装置残留灰分的影响，以及柴油灰分对后处理装置中残留灰分的影响，研究柴油机运行工况对后处理装置中残留灰分的影响，研究灰分残留对柴油机排气背压的影响。在上述研究的基础上，提出考虑灰分残留量的后处理装置再生控制策略低灰分润滑油设计要点。

微粒捕集器（DPF）广泛地应用于满足第五阶段以上排放法规的柴油动力机械。但是DPF在再生时，颗粒物中无法被氧化的成分残留在DPF中，形成灰分。后处理装置中残留灰分的不断累积导致柴油机排气背压逐渐增加，影响柴油车的燃油经济性和颗粒物再生控制策略。因此，本项目对柴油机颗粒后处理装置中沉积灰分的理化特性和形成机理进行了研究。实验结果表明：（1）加速加载时，颗粒物增加了2.7-10.3倍；掺烧比例为2%时，各粒径大小的颗粒物几乎是等比例增加，提高到4%时，小粒经的颗粒物增加的比例更多；加速加载产生的部分颗粒物中，能明显观察到与周围成分相异的第二相粒子；掺烧比例为2%时，颗粒物的元素组成较掺烧比例为4%时更接近正常工作时的元素组成；掺烧润滑油后灰分含量由1.2%提高至13.7%以上；（2）灰分中存在大量晶面间距在0.25nm-0.30nm之间的晶体结构；灰分层与载体层之间存在一个“相互包容”的厚度50μm以上的过渡区，与沉积层之间有明显的分界面；润滑油形成的灰分中，O元素的平均含量最高，达19.84%-34.96%；Ca、Mg、Zn、P之间的相关性较高；Si和Ca、Mg、Zn、P之间的负相关系数较高，而和Al、K、Ni、Fe之间的正相关系数较高；CDPF催化剂成分在灰分中的含量较低；（3）灰分沉积初期，排气背压上升明显；灰分对排气背压的影响仅相当于颗粒物的28%-50%；在灰分沉积量较小时，孔道较密的DPF和采用高温再生的DPF的排气背压受灰分的影响较小，不过它们在灰分沉积量较大时却更容易受到影响；（4）在沉积了26.8g/L灰分后，CDPF对积聚态颗粒物质量的捕集效率下降了0.57%-4.49%而对PN和核态颗粒物质量的捕集效率没有明显变化；排气中的CO和THC明显增加了68.2%和91.0%，醛酮类化合物大幅增加了41%-150%、苯系物小幅降低了8.6%-23.6%；相比灰分本身对它们的作用，排气背压是引起这些变化的主要因素；（5）：颗粒物中的灰分能降低颗粒物起燃温度大约75-105K，降低表观活化能至81.62-109.21kJ/mol；灰分由于能够降低颗粒物的起燃温度，因此在缓慢加载和DTI工况下均能在一定程度上降低非催化型DPF载体热损毁的风险；