柴油車道路行駛及顆粒捕集器再生期間顆粒物排放*

彭美春 鄒康聰 陳 越 黃文偉

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國汽車顆粒物排放總量的84.6%以上來源于僅占汽車保有量7.9%的柴油貨車[1]，可見降低柴油貨車顆粒物排放意義重大?！吨匦筒裼蛙囄廴疚锱欧畔拗导皽y量方法(中國第六階段)》(GB 17691—2018)新增了車輛實(shí)際道路行駛排放(RDE)測試要求，規(guī)定了粒子數(shù)量(PN)排放限值。實(shí)際道路運(yùn)行工況的多變性與駕駛習(xí)慣的差異等帶來排放的不確定性。HUANG等[2]、SAARI等[3]研究認(rèn)為，駕駛激烈程度、負(fù)荷、道路坡度等均對柴油車輛顆粒物排放產(chǎn)生影響。RDE測試要求對顆粒物排放控制技術(shù)提出了更高要求。柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)可有效捕集排氣顆粒物[4]，但隨DPF中沉積的顆粒物量增加會堵塞DPF導(dǎo)致發(fā)動機(jī)排氣背壓增大，排放性能等惡化[5]，因此沉積的顆粒物需不斷被氧化燃燒，呈氣態(tài)或細(xì)小的顆粒物狀排出，謂之DPF再生。再生期間，細(xì)小的顆粒物排出怎樣影響PN的RDE測試，引起了關(guān)注。張俊等[6]研究了柴油機(jī)DPF噴油主動再生技術(shù)對PN排放的影響，發(fā)現(xiàn)再生期間PN排放增大。R’MILI等[7]也得出類似結(jié)論。孟忠偉等[8]研究了外加熱源主動再生技術(shù)對DPF再生時(shí)PN排放的影響，發(fā)現(xiàn)再生初期PN排放增加。YOON等[9]發(fā)現(xiàn)，令DPF再生過程PN排放增大的原因主要是一些成核模式的粒子物排放量大增。YAMADA等[10]研究發(fā)現(xiàn)，DPF主動再生過程中揮發(fā)性有機(jī)物大量增加。當(dāng)前對PN排放特性的研究大多基于室內(nèi)臺架、穩(wěn)態(tài)工況，對柴油車實(shí)際道路行駛瞬態(tài)工況下PN排放特性，尤其對實(shí)際道路行駛中DPF再生期間PN排放規(guī)律了解甚少，其原因有實(shí)際道路運(yùn)行工況不確定性與顆粒物車載排放測試系統(tǒng)(PEMS)的復(fù)雜性等。本研究以匹配DPF的重型柴油貨車為對象，依照國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的RDE測試規(guī)范，采用先進(jìn)的PEMS開展整車實(shí)際道路運(yùn)行顆粒物排放測試，研究車輛實(shí)際道路運(yùn)行工況等與PN排放關(guān)系，測試DPF對顆粒物的凈化率，探究DPF再生對PN排放的影響。研究成果可為開發(fā)精細(xì)的顆粒物排放控制技術(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣車

試驗(yàn)樣車為具有高壓共軌、增壓中冷技術(shù)的重型柴油貨車，匹配有柴油機(jī)氧化催化(DOC)、DPF后處理器，DPF再生形式為噴油主動再生。試驗(yàn)所用的DOC與DPF后處理器為整體封裝，故本研究的DPF包括了DPF與DOC。車輛主要技術(shù)信息見表1。

表1 整車與發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用美國Sensors公司的SEMTECH-CPN顆粒物數(shù)量測量裝置進(jìn)行車輛實(shí)際運(yùn)行排放車載測試，該設(shè)備滿足實(shí)驗(yàn)室級別的精度標(biāo)準(zhǔn)要求，具有排氣流量和排氣溫度測量模塊，能讀取發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩，具有燃油消耗率等參數(shù)的車載診斷系統(tǒng)模塊、記錄時(shí)間與車速等信息的全球定位系統(tǒng)模塊及采用凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)原理測量PN的測量模塊等。

1.3 試驗(yàn)方法

參考重型柴油車國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的RDE測試規(guī)范，依據(jù)車輛行駛平均速度選擇了市區(qū)路(15～30 km/h)、市郊路(45～70 km/h)和高速路(>70 km/h)等道路類型，選擇位于深圳西—東莞—廣州東路段適合的試驗(yàn)路線(見圖1)。先從位于深圳南山區(qū)的市區(qū)路出發(fā)，最后經(jīng)廣深沿江高速S3到廣州黃埔區(qū)黃埔收費(fèi)站終止，往返連續(xù)行駛進(jìn)行測試。市郊路試驗(yàn)部分時(shí)段選擇在高速路上進(jìn)行，通過控制車速模擬市郊路工況。

圖1 試驗(yàn)路線Fig.1 Test route

按照整車最大總質(zhì)量的50%給車輛加載荷，使用制式砝碼作為負(fù)載，載荷均勻布置在車廂內(nèi)。使用國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油，含硫量不大于10 mg/kg。為研究DPF對PN排放影響，本研究進(jìn)行3種狀態(tài)下整車PN排放試驗(yàn)研究：(1)未匹配DPF，稱為原機(jī)狀態(tài)；(2)匹配DPF且DPF未發(fā)生再生，稱為捕集狀態(tài)；(3)匹配DPF且DPF發(fā)生再生，稱為再生狀態(tài)。所有試驗(yàn)由同一技術(shù)熟練的專業(yè)駕駛員駕駛試驗(yàn)車輛，盡量保持每次試驗(yàn)的駕駛操作相近，3種狀態(tài)下車載試驗(yàn)集中在一周內(nèi)完成，氣候環(huán)境條件基本相同。為觸發(fā)DPF主動再生，完成試驗(yàn)路線之后，沿原路返回行駛進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 原機(jī)和捕集狀態(tài)下PN排放與運(yùn)行工況關(guān)系

2.1.1 PN排放速率與燃油消耗率的關(guān)系

將車載測試獲得的PN排放濃度，與排氣流量相乘，得到PN排放速率。由圖2可見，隨燃油消耗率增加，原機(jī)與捕集狀態(tài)下PN排放速率均呈線性增加趨勢，但捕集狀態(tài)PN排放速率較原機(jī)狀態(tài)低近2個(gè)數(shù)量級。PN排放來源于燃料的燃燒，燃料消耗越多，PN生成量自然越大。

圖2 PN排放速率與燃油消耗率的關(guān)系Fig.2 Relationship between PN emission rate and fuel consumption rate

2.1.2 PN排放速率與發(fā)動機(jī)工況的關(guān)系

由圖3可見，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速分布在600～1 800 r/min，扭矩分布在0～800 N·m，發(fā)動機(jī)主要工作在中低轉(zhuǎn)速區(qū)，扭矩覆蓋范圍較寬廣。

圖3 發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況散點(diǎn)圖Fig.3 The scatter diagram of engine operating conditions

將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速測試數(shù)據(jù)劃分為若干區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各主要工況區(qū)間PN平均排放速率，結(jié)果見圖4。原機(jī)狀態(tài)下，PN排放速率在1011數(shù)量級附近，高PN排放區(qū)位于發(fā)動機(jī)中高轉(zhuǎn)速、大扭矩工況區(qū)。發(fā)動機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速增加，對應(yīng)的循環(huán)供油量增加，顆粒物生成增多，因此PN排放速率隨扭矩、轉(zhuǎn)速的增加基本呈增大的趨勢。捕集狀態(tài)下，PN排放速率最高在109數(shù)量級，較原機(jī)狀態(tài)低了近2個(gè)數(shù)量級，說明DPF對PN的凈化率非常高，達(dá)99%以上。

圖4 PN排放速率與轉(zhuǎn)速、扭矩的關(guān)系Fig.4 Relationship between PN emission rate and engine speed，torque

捕集狀態(tài)下，≤1 200 r/min時(shí)，PN排放速率隨轉(zhuǎn)速增大的梯度不及原機(jī)明顯，其原因在于有DPF時(shí)的PN排放取決于發(fā)動機(jī)燃燒生成量與DPF凈化量。因DPF對PN有99%以上的凈化率，轉(zhuǎn)速升高導(dǎo)致的PN生成增加量在低速區(qū)基本被DPF凈化，故PN排放速率隨轉(zhuǎn)速增加不明顯。但>1 200 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大導(dǎo)致DPF空速增大，擴(kuò)散捕集效率有所降低，PN排放速率隨轉(zhuǎn)速增大變得明顯。同樣，由于DPF高的凈化率，導(dǎo)致PN排放速率隨扭矩增大的增幅不及原機(jī)狀態(tài)明顯。

2.1.3 車輛行駛工況對PN排放的影響

車速和PN排放濃度隨時(shí)間的變化見圖5。原機(jī)狀態(tài)下，PN排放濃度主要在106～107#/cm3。低于50 km/h時(shí)，車速波動頻繁，PN排放濃度波動也大；高于60 km/h時(shí)，車速變平穩(wěn)，PN排放濃度也相對穩(wěn)定。低于50 km/h基本屬于市區(qū)路路況，因交通不夠順暢，頻繁加減速，容易出現(xiàn)急加減速工況，噴油量增減頻繁，燃燒不穩(wěn)定，導(dǎo)致PN排放波動較大。60～80 km/h區(qū)域?yàn)槭薪悸放c高速路路況，車流順暢，車速較穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況較穩(wěn)定，故PN排放變化較穩(wěn)定。

圖5 車速和PN排放濃度隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of vehicle speed and PN emission concentration with time

原機(jī)與捕集狀態(tài)下車速曲線基本相同，說明運(yùn)行工況類似，但PN排放濃度差異較大，捕集狀態(tài)下的PN排放濃度較原機(jī)狀態(tài)約低2個(gè)數(shù)量級。捕集狀態(tài)下，低于70 km/h區(qū)域，PN排放濃度低且變化不大；高于70 km/h區(qū)域，PN排放濃度出現(xiàn)了3個(gè)波峰(見圖5(b))，波峰①、②出現(xiàn)在加速階段，波峰③出現(xiàn)在急減速階段。波峰①、②產(chǎn)生原因有2個(gè)：(1)加速噴油量增大，PN生成量增大；(2)加速瞬時(shí)變大的排氣流量可能使吸附在DPF上的顆粒物脫附，而被氣流吹出。形成波峰③的原因是急減速階段吸附在DPF壁面的顆粒物由于排氣流量突變，形成短暫反向負(fù)壓從DPF中逸出，導(dǎo)致PN排放濃度增大，這與陳熊等[11]的研究結(jié)果相符。

PN排放速率與車速、加速度的關(guān)系見圖6。原機(jī)和捕集狀態(tài)下，隨車速增大，PN排放速率總體均呈增大趨勢。分析認(rèn)為車速增大，需求功率增加，相應(yīng)發(fā)動機(jī)燃油消耗率增大，PN生成量增大。在中高車速、急加減速下出現(xiàn)一些較高PN排放速率點(diǎn)，原因同3個(gè)波峰的形成原因。原機(jī)狀態(tài)下，在低車速、較大加減速下存在較大的PN排放速率點(diǎn)，而捕集狀態(tài)下，高的PN排放速率主要集中在中高車速區(qū)，但PN排放速率遠(yuǎn)低于原機(jī)狀態(tài)。

圖6 PN排放速率與車速、加速度的關(guān)系Fig.6 Relationship between PN emission rate and vehicle speed，acceleration

2.1.4 PN排放濃度與排氣流量的關(guān)系

由圖7可見，原機(jī)狀態(tài)下，PN排放濃度在0～200 kg/h時(shí)稍低，>200 kg/h時(shí)變化不明顯。捕集狀態(tài)下，PN排放濃度隨排氣流量增加而明顯變化，分析原因是排氣流量增加，DPF空速增大，排氣顆粒物流經(jīng)DPF時(shí)因佩克萊特?cái)?shù)增大，擴(kuò)散捕集效率降低，導(dǎo)致PN排放濃度增加。

圖7 PN排放濃度隨排氣流量的變化Fig.7 PN emission concentration changes with exhaust flow

2.2 DPF對PN凈化率影響

凈化率(η，%)以原機(jī)排放為基準(zhǔn)，按式(1)計(jì)算得出。

(1)

式中：N0和Na分別為原機(jī)與捕集狀態(tài)下的PN排放濃度，#/cm3。

由圖8可見，DPF的凈化率都在99%以上，凈化效果非常顯著。凈化率隨車速增大而降低，認(rèn)為主要原因?yàn)檐囁僭龃螅珼PF空速增大，DPF對顆粒物的擴(kuò)散捕集效率下降，導(dǎo)致凈化率降低。

圖8 不同路況下PN排放濃度和凈化率Fig.8 PN emission concentration and purification ratio under different road conditions

2.3 再生狀態(tài)下PN排放特性

測試車輛完成一個(gè)從市區(qū)經(jīng)市郊到高速的完整三路況RDE測試后，原路返回，以70～80 km/h高速行駛、連續(xù)運(yùn)行約50 min，DPF可發(fā)生噴油主動再生事件。根據(jù)瞬時(shí)燃油消耗率確定再生期，將同樣路段下燃油消耗率急劇增大脫離正常曲線點(diǎn)確定為再生起點(diǎn)，將燃油消耗率降低到正常曲線點(diǎn)作為再生終點(diǎn)，起點(diǎn)與終點(diǎn)之間構(gòu)成再生期，可見再生期時(shí)長約1 300 s。以再生期為界，可將PN排放分為再生前(再生之前200 s)、再生期間和再生后(再生之后200 s)3個(gè)階段。

由圖9可見，捕集狀態(tài)下PN排放濃度最低，原機(jī)狀態(tài)下最高，再生狀態(tài)居中。再生狀態(tài)下，再生期間約1 200 s的時(shí)間里PN排放濃度稍低于原機(jī)狀態(tài)，明顯高于捕集狀態(tài)；再生前與再生后PN排放濃度與捕集狀態(tài)下相差不多。

圖9 3種狀態(tài)下PN排放濃度隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of PN emission concentration with time in three states

兩次再生試驗(yàn)分別稱為Test1、Test2。由圖10可見，再生期間，PN排放濃度與原機(jī)狀態(tài)接近，明顯高于再生前，是再生前的40～100倍。分析有3個(gè)方面原因：(1)再生使沉積在孔壁面的顆粒物燃燒，讓DPF孔道壁面碳餅層變薄，導(dǎo)致DPF對顆粒物的過濾效率降低，同施蘊(yùn)曦等[12]研究結(jié)果；(2)再生時(shí)，DPF中沉積的顆粒物因燃燒產(chǎn)生較多的小粒徑粒子逸出，導(dǎo)致PN排放顯著增多，與文獻(xiàn)[13]、[14]的研究結(jié)果相同；(3)噴油主動再生，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)生的PN排放量增大。再生后，DPF又開始正常的顆粒捕集工作，恢復(fù)捕集效率，再生后的PN排放濃度基本接近再生前。

圖10 再生對PN排放濃度的影響Fig.10 Influence of regeneration on PN emission concentration

綜上，再生期間約20 min接近原機(jī)狀態(tài)下高的PN排放水平，會明顯加大顆粒物排放，采取相關(guān)技術(shù)控制再生期間高的顆粒物排放問題十分必要。

3 結(jié) 論

(1) PN排放速率與燃油消耗速率呈線性關(guān)系，隨發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩與車速的升高而增大。

(2) 匹配DPF情形下，PN排放濃度隨排氣流量的增大而增加。

(3) DPF對PN的凈化率大于99%，凈化率隨車速增大而降低。

(4) DPF噴油主動再生期間，PN排放濃度遠(yuǎn)高于未再生時(shí)段，接近未匹配DPF時(shí)的排放濃度。再生后，DPF恢復(fù)捕集效能同再生前。再生時(shí)長約1 300 s。