集成式后處理裝置對(duì)農(nóng)用柴油機(jī)排放的影響

胡 杰，鐘 靜，廖健雄，顏伏伍，蔡之洲

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070；2.武漢理工大學(xué)汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070；3.武漢理工大學(xué)湖北省新能源與智能網(wǎng)聯(lián)車(chē)工程技術(shù)研究中心，武漢430070）

0 概述

柴油機(jī)具有熱效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、園林機(jī)械等非道路領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1-2］。隨著柴油機(jī)保有量的增加，柴油機(jī)尾氣對(duì)大氣環(huán)境的污染日益受到關(guān)注。據(jù)《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2020）》統(tǒng)計(jì)顯示，中國(guó)2019年非道路移動(dòng)源NOx排放量為493.3 萬(wàn)t，顆粒物（particulate matter，PM）排放量為24 萬(wàn)t，其中主要以柴油機(jī)排放為主。非道路柴油機(jī)已成為影響空氣質(zhì)量的重要污染源之一［3］。2020年12月，中國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》，與第三階段非道路排放標(biāo)準(zhǔn)相比，第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)全面加嚴(yán)，并對(duì)顆粒物數(shù)量（particulate number，PN）限值給出了明確規(guī)定［4］。非道路柴油機(jī)功率范圍覆蓋廣，工作環(huán)境惡劣，排放控制技術(shù)起步晚且發(fā)展慢，這使得僅依靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)實(shí)現(xiàn)排放升級(jí)具有極大的難度，加裝后處理系統(tǒng)成為滿(mǎn)足嚴(yán)格的第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)的有效手段［5］。柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）+催化型柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器（catalyzed diesel particulate filter，CDPF）+尿素選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）集成式后處理系統(tǒng)作為能同時(shí)降低NOx和PM 排放的裝置，在保證尾氣凈化能力的同時(shí)能夠降低主機(jī)廠(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)壓力和成本，成為中重型非道路柴油機(jī)滿(mǎn)足排放法規(guī)的主流的技術(shù)方案之一［4］。

針對(duì)后處理裝置對(duì)排放的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。在氣態(tài)排放物方面：文獻(xiàn)［6］中基于底盤(pán)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)研究了不同后處理裝置對(duì)排放的影響，發(fā)現(xiàn)DOC+CDPF 在各工況下對(duì)氣態(tài)排放物總碳?xì)洌╰otal hydrocarbon，THC）和CO 的減排效果均優(yōu)于單獨(dú)使用DOC。文獻(xiàn)［7］中研究了不同測(cè)試循環(huán)下具有后處理系統(tǒng)的柴油車(chē)的排放特性，得出了NOx排放隨測(cè)試循環(huán)的改變而改變但PM、THC、CO 受循環(huán)影響較小且均保持較低排放的結(jié)論。文獻(xiàn)［8］中研究了不同行駛工況下后處理裝置對(duì)排放的影響，結(jié)果表明新歐洲駕駛循環(huán)測(cè)試（new European driving cycle，NEDC）下DOC+DPF 方案的NO2排放比CDPF 多兩倍，冷起動(dòng)工況下CO2排放和PN 與普通工況相比大幅增加。在PM 排放方面，文獻(xiàn)［9］中選取歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（European steady cycle，ESC）典型工況研究了DOC 前后PM的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)DOC 對(duì)PN 排放降幅為25%～40%，隨著負(fù)荷的增加DOC 對(duì)核模態(tài)減排效果逐漸減小而對(duì)積聚態(tài)效果逐漸增加。文獻(xiàn)［10］中研究了DOC 對(duì)PM 排放的影響，結(jié)果表明DOC 和排氣溫度對(duì)核模態(tài)顆粒物數(shù)量峰值具有較大的影響，DOC能夠降低顆粒物中可溶性有機(jī)物（soluble organic fraction，SOF）含量但PM 氧化活化能升高。針對(duì)非道路機(jī)械排放，文獻(xiàn)［11］中研究了DOC+SCR+氨氧化催化劑（ammonia oxidation catalyst，AMOX）對(duì)工業(yè)非道路柴油機(jī)排放特性的影響，發(fā)現(xiàn)在非道路穩(wěn)態(tài)循環(huán)（non-road steady cycle，NRSC）中DOC+SCR+AMOX 后處理裝置可以高效去除尾氣中的THC 和CO，且對(duì)NO2的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)69%。

綜上可知，在眾多研究中，學(xué)者們主要研究了不同工況條件及不同后處理布置對(duì)道路柴油車(chē)排放特性的影響。但非道路柴油機(jī)和道路柴油機(jī)在使用環(huán)境和法規(guī)限值等方面具有差異，同時(shí)非道路柴油機(jī)后處理系統(tǒng)需要更加兼顧排放法規(guī)和使用成本，因此DOC+CDPF+SCR 集成式后處理系統(tǒng)對(duì)非道路柴油機(jī)排放特性的影響也會(huì)存在較大的區(qū)別，而相關(guān)研究較少。此外集成式后處理系統(tǒng)內(nèi)部氣體組分和顆粒物分布特性的演變規(guī)律也未進(jìn)行大量的研究。基于此背景，本文中基于一臺(tái)129 kW 大功率農(nóng)用柴油機(jī)，集成電控+高壓共軌技術(shù)，無(wú)廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）裝置，通過(guò)加裝針對(duì)非道路柴油機(jī)應(yīng)用特性設(shè)計(jì)的DOC+CDPF+SCR 集成式后處理系統(tǒng)，研究了在不同工況下后處理系統(tǒng)不同位置的溫度、壓力和污染物排放，以探究加裝前后農(nóng)用柴油機(jī)的排放特性及后處理系統(tǒng)內(nèi)部氣體成分變化規(guī)律，為集成式后處理系統(tǒng)在農(nóng)用柴油機(jī)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為某型農(nóng)用機(jī)械柴油機(jī)，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。集成式后處理系統(tǒng)按DOC、CDPF、SCR 順序依次按照S 形結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，尿素噴射裝置與SCR 入口的間隔距離為55 cm，后處理催化劑均為新涂裝狀態(tài)，CDPF 內(nèi)無(wú)碳煙沉積。后處理系統(tǒng)的具體參數(shù)如表2 所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

表2 后處理具體參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)架布置如圖1 所示，測(cè)功機(jī)為AVL PUMA 電力測(cè)功機(jī)，DOC、CDPF、SCR 前后均布置了試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)。使用HORIBA OBS-ONE 測(cè)量了不同測(cè)點(diǎn)HC、CO、CO2、NO、NO2和NOx排放，通過(guò)LDS6 測(cè)量氨泄漏量，采用DMS500 快速顆粒物光譜儀測(cè)量顆粒物排放特性，使用DEWETRON 數(shù)采系統(tǒng)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理的溫度和壓力變化。設(shè)備具體參數(shù)如表3 所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置圖

表3 主要設(shè)備儀器參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)工況點(diǎn)分布如圖2 所示，圖中NRTC 為非道路瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)（non-road transient cycle）。分別選取發(fā)動(dòng)機(jī)中間轉(zhuǎn)速1 650 r/min 和標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 200 r/min，以負(fù)荷率10%、50%、75% 和100%為試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行負(fù)荷特性試驗(yàn)，在外特性曲線(xiàn)上選取轉(zhuǎn)速800 r/min、1 200 r/min、1 650 r/min、2 000 r/min和2 200 r/min 進(jìn)行外特性試驗(yàn)，共計(jì)11 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，然后分別測(cè)量后處理不同測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力及排放。在對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量前需將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在怠速狀態(tài)然后調(diào)節(jié)至測(cè)試工況點(diǎn)，每個(gè)工況點(diǎn)保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行300 s，待發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)再進(jìn)行測(cè)量。所有試驗(yàn)均進(jìn)行多次取其平均值，并保證試驗(yàn)環(huán)境一致，以減少試驗(yàn)誤差。

圖2 試驗(yàn)工況圖

2 不同工況下氣體污染物的排放特性

2.1 不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化規(guī)律

如圖3 所示為轉(zhuǎn)速為1 650 r/min 和2 200 r/min下加裝DOC+CDPF+SCR 前后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和油耗的變化。加裝后處理發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩相比原機(jī)降低了約2%。原因是加裝后處理系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓增大，需要消耗更多的能量克服排氣阻力，導(dǎo)致動(dòng)力性降低，油耗增加，但總體影響較小。發(fā)動(dòng)機(jī)油耗隨著負(fù)荷的增加而降低，加裝后處理之后油耗均增加約1%。綜上可知，加裝DOC+CDPF+SCR 后處理系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均無(wú)明顯影響。

圖3 轉(zhuǎn)矩和油耗的變化規(guī)律

圖4 和圖5 所示分別為轉(zhuǎn)速為1 650 r/min 和2 200 r/min 下后處理不同測(cè)點(diǎn)的排氣溫度和壓力。隨著負(fù)荷的增加，噴油量增加，導(dǎo)致排溫升高。后處理系統(tǒng)內(nèi)部排溫先升高后降低，其原因?yàn)榕艢饬鹘?jīng)DOC 時(shí)，DOC 中HC、CO 和NOx發(fā)生氧化反應(yīng)并放出大量熱量，導(dǎo)致DOC 后排溫升高。發(fā)動(dòng)機(jī)出口壓力隨著負(fù)荷增加而增加，同一工況下后處理系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)壓力依次降低，SCR 后出口壓力均小于5 kPa。

圖6 為外特性下不同測(cè)點(diǎn)排氣溫度和排氣壓力的變化規(guī)律。隨著轉(zhuǎn)速增加，排氣溫度先升高后降低，排溫最高值528.8 ℃出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速1 650 r/min 時(shí)。同一工況下最高排氣溫度始終出現(xiàn)在DOC 出口，CDPF 和SCR 測(cè)點(diǎn)后排氣溫度依次降低。發(fā)動(dòng)機(jī)出口壓力隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，同一工況下4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力依次降低，原排和SCR 后的壓差也隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，在轉(zhuǎn)速為2 200 r/min 時(shí)達(dá)到最大值21.1 kPa。SCR 測(cè)點(diǎn)的出口壓力均小于5 kPa，與負(fù)荷特性下結(jié)果相似。

圖6 外特性下排氣溫度和排氣壓力的變化規(guī)律

2.2 負(fù)荷特性下氣體污染物的變化規(guī)律

圖7 為1 650 r/min 和2 200 r/min 轉(zhuǎn)速下不同測(cè)點(diǎn)NO2、NOx的比例（記為NO2/NOx比，下同）隨負(fù)荷的變化規(guī)律。發(fā)動(dòng)機(jī)出口NO2/NOx比均小于10%且隨著負(fù)荷增加無(wú)明顯變化。DOC 后NO2/NOx比明顯上升，這是因?yàn)槭蹹OC 氧化作用的影響，排氣中的部分NO 參與氧化反應(yīng)，生成NO2。當(dāng)排氣流過(guò)CDPF 后，NO2可以與CDPF 中的顆粒物反應(yīng)，參與其被動(dòng)再生，使CDPF 后NO2占比降低。隨著負(fù)荷的增加，DOC 和CDPF 后NO2/NOx比均先增加后降低，因?yàn)镹O 氧化反應(yīng)受溫度限制，當(dāng)溫度較低時(shí)反應(yīng)平衡受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，溫度升高會(huì)加快NO 氧化反應(yīng)的速度，當(dāng)溫度超過(guò)一定限值時(shí)，反應(yīng)受熱力學(xué)控制，此時(shí)溫度進(jìn)一步升高會(huì)造成NO2占比減小［12］。NO2/NOx比最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速1 650 r/min、負(fù)荷50%處，NO2/NOx比為39.4%。

圖7 負(fù)荷特性下NO2/NOx比的變化規(guī)律

圖8 為1 650 r/min 和2 200 r/min 轉(zhuǎn)速下不同測(cè)點(diǎn)NOx排放隨負(fù)荷的變化規(guī)律，隨著負(fù)荷的增加，轉(zhuǎn)速1 650 r/min 和2 200 r/min 下NOx的排放逐漸增加。這是因?yàn)镹Ox生成受到氧含量、燃燒溫度和燃燒產(chǎn)物在缸內(nèi)停留時(shí)間的綜合影響，柴油機(jī)總處于富氧燃燒，所以溫度越高且停留時(shí)間越長(zhǎng)會(huì)使得NOx生成量越多。DOC 和CDPF 后NOx濃度無(wú)明顯變化，SCR 后NOx排放明顯降低，體積分?jǐn)?shù)均小于55×10-6，其轉(zhuǎn)化效率隨著負(fù)荷的增加而增加，最后穩(wěn)定在95% 左右。尿素噴射量隨著負(fù)荷的增加而增加，同時(shí)NOx轉(zhuǎn)化效率隨負(fù)荷增加而顯著提升，這是由于NOx的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間為220 ℃～500 ℃，低負(fù)荷時(shí)排氣溫度較低且尿素溶液霧化效果不好導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率較低，隨著負(fù)荷增加，排氣溫度增加，達(dá)到SCR 的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間，轉(zhuǎn)化效率提高［13］。SCR 入口NH3與NOx未完全反應(yīng)會(huì)造成NH3的泄漏，在所有測(cè)試工況下NH3泄漏量均小于20×10-6，遠(yuǎn)低于法規(guī)限值。

圖8 負(fù)荷特性下NOx 排放的變化規(guī)律

圖9 和圖10 分別為1 650 r/min 和2 200 r/min轉(zhuǎn)速下不同測(cè)點(diǎn)HC 和CO 排放隨負(fù)荷的變化規(guī)律。隨著負(fù)荷的增加發(fā)動(dòng)機(jī)HC 和CO 排放降低。在低負(fù)荷時(shí)油氣混合濃度低，燃燒不完全，導(dǎo)致HC和CO 生成較多。DOC 后HC 和CO 排放顯著降低，且隨著負(fù)荷的增加，轉(zhuǎn)化效率增加。這是因?yàn)榕艢鉁囟仍礁撸呋瘎┗钚栽胶?，DOC 轉(zhuǎn)化效率相應(yīng)增加。DOC 對(duì)HC 轉(zhuǎn)化效率均大于79%，在轉(zhuǎn)速1 650 r/min、100% 負(fù)荷下轉(zhuǎn)化效率取得最大值94.8%。DOC 對(duì)CO 的轉(zhuǎn)化效率在79% 以上，在轉(zhuǎn)速1 650 r/min、100% 負(fù)荷時(shí)達(dá)到96.3%，幾乎完全氧化。CDPF 表面涂覆有催化劑，對(duì)HC 和CO也起到一定的減排效果，但相比DOC 其轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低。

圖9 負(fù)荷特性下HC 排放的變化規(guī)律

圖10 負(fù)荷特性下CO 排放的變化規(guī)律

圖11 為負(fù)荷特性下NOx、HC 和CO 比排放量的變化規(guī)律。原機(jī)NOx、HC 和10% 負(fù)荷下CO 的比排放均高于法規(guī)限值。加裝后處理裝置后，除10% 負(fù)荷下HC 比排放量高于法規(guī)限值外，其余工況下均低于非道路國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)限值，說(shuō)明加裝集成式后處理系統(tǒng)對(duì)降低排氣污染物具有較好的效果。

圖11 負(fù)荷特性下氣體污染物比排放

2.3 外特性下氣體污染物的變化規(guī)律

圖12 為外特性下不同測(cè)點(diǎn)NO2/NOx比的變化規(guī)律。原排NO2/NOx比均小于10%；DOC 后NO2/NOx比顯著上升，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，NO2/NOx比先增加后降低，在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min 時(shí)達(dá)到最高。這是由于在轉(zhuǎn)速為800 r/min～1 200 r/min 時(shí)，DOC 內(nèi)反應(yīng)受溫度的影響，溫度越高NO 轉(zhuǎn)化效率越高，隨著轉(zhuǎn)速的增加溫度超出最佳反應(yīng)溫度區(qū)間，此時(shí)溫度再增加會(huì)抑制NO 轉(zhuǎn)化。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 650 r/min 時(shí)，雖然排氣溫度降低，但轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致空速增加，NO轉(zhuǎn)化效率受到物質(zhì)傳輸和擴(kuò)散的影響，轉(zhuǎn)化效率降低［14］。CDPF 后NO2/NOx比較DOC 后有 所降低，在所有工況下NO2/NOx比均小于35%。

圖12 外特性下NO2/NOx比的變化規(guī)律

圖13 為外特性下不同測(cè)點(diǎn)NOx排放隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。隨著轉(zhuǎn)速的增加，原排NOx逐漸降低，DOC、CDPF 后NOx與原排相比無(wú)明顯變化。隨著轉(zhuǎn)速增加，排氣空速增加，反應(yīng)時(shí)間減少，NOx完全反應(yīng)需要噴射更多的尿素，因此尿素噴射量隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。不同轉(zhuǎn)速下SCR 的轉(zhuǎn)化效率均維持在94% 以上且轉(zhuǎn)化效率隨著轉(zhuǎn)速的增加先降低后增加。這是由于SCR 最佳工作溫度區(qū)間為220 ℃～500 ℃，在此溫度區(qū)間轉(zhuǎn)化效率隨著溫度的增加而增加，但SCR 溫度大于500 ℃時(shí)，NH3會(huì)與排氣中的O2優(yōu)先反應(yīng)，導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率降低［15］。在轉(zhuǎn)速為1 650 r/min 時(shí)，CDPF 后的溫度為522 ℃，超出了SCR 最佳工作溫度區(qū)間，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率降低。SCR 出口平均NH3泄漏量為14.2×10-6，低于法規(guī)限值（25×10-6），表明SCR 在保證NOx高轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)能保持較低的NH3泄漏量。

圖13 外特性下NOx排放變化規(guī)律

圖14 為外特性下不同測(cè)點(diǎn)HC 排放隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。隨著轉(zhuǎn)速的增加原機(jī)HC 排放先增加后降低，在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時(shí)HC 排放最高為37.8×10-6。DOC 后HC 排放有明顯降低，轉(zhuǎn)化效率隨著轉(zhuǎn)速的增加先增加后降低，在轉(zhuǎn)速為1 650 r/min時(shí)轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高，為94.8%，這與圖6 排氣溫度變化規(guī)律保持一致，說(shuō)明排氣溫度越高催化劑活性越好，轉(zhuǎn)化效率越高。CDPF 涂覆的催化劑能進(jìn)一步降低HC 排放，外特性下后處理系統(tǒng)對(duì)HC 減排效果較好。

圖14 外特性下HC 的排放變化規(guī)律

圖15 為外特性下不同測(cè)點(diǎn)CO 排放隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。隨著轉(zhuǎn)速的增加，原機(jī)CO 排放先降低后增加。DOC 測(cè)點(diǎn)后CO 排放大幅度降低且DOC 對(duì)CO 轉(zhuǎn)化效率均大于90%，在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min 和2 000 r/min 下DOC 的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到100%，CDPF后基本無(wú)CO 排放。由此可見(jiàn)，DOC+CDPF 在外特性下對(duì)CO 具有較高的凈化率。同時(shí)對(duì)比圖9、圖10、圖14 可以發(fā)現(xiàn)，同一工況下DOC 對(duì)CO 的轉(zhuǎn)化效率總是大于HC，說(shuō)明DOC 對(duì)CO 的氧化效果好于HC，這是因?yàn)镈OC 內(nèi)涂覆的催化劑對(duì)CO 有更好的選擇性，當(dāng)HC 和CO 同時(shí)吸附在催化劑載體表面時(shí)，貴金屬會(huì)優(yōu)先參與CO 的反應(yīng)，使得同一工況下 CO 的轉(zhuǎn)化效率總是高于HC［13］。

圖15 外特性下CO 排放的變化規(guī)律

圖16 為外特性下NOx、HC 和CO 比排放的變化規(guī)律。與原機(jī)排放相比，加裝后處理裝置后NOx、HC和CO 比排放大幅下降，在外特性下NOx平均比排放為0.4 g/（kW·h），HC 平均比排放為0.1 g/（kW·h），CO 平均比排放為0.003 3 g/（kW·h），均低于非道路國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖16 外特性下氣體污染物比排放

3 不同工況下顆粒物的排放特性

3.1 不同工況下顆粒物數(shù)量濃度的變化規(guī)律

圖17 為1 650 r/min 和2 200 r/min 轉(zhuǎn)速下不同測(cè)點(diǎn)PN 濃度隨負(fù)荷的變化規(guī)律。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，顆粒物總數(shù)量濃度增加，這是因?yàn)樵谕晦D(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩增加，發(fā)動(dòng)機(jī)供油量增加，其空燃比減小，缸內(nèi)不完全燃燒可能性增大，導(dǎo)致PN 增加。DOC 能一定程度上降低顆粒物數(shù)量，其轉(zhuǎn)化效率隨著負(fù)荷的增加呈線(xiàn)性增加。CDPF 后PN 平均降低了1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，在所有測(cè)試工況下CDPF 對(duì)PN的轉(zhuǎn)化效率均大于96%，由此可見(jiàn)CDPF 對(duì)顆粒物的PN 降低起主導(dǎo)作用。

圖17 負(fù)荷特性下PN 的變化規(guī)律

圖18 為外特性下不同測(cè)點(diǎn)的PN 濃度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。隨著轉(zhuǎn)速的增加，PN 增加，這是由于轉(zhuǎn)速增加，噴油量增加，存在局部混合不均勻?qū)е氯紵龕夯?，從而?dǎo)致PN 增加。與負(fù)荷特性相比，DOC在外特性下轉(zhuǎn)化效率隨轉(zhuǎn)速的變化較為平緩，且外特性下DOC 的轉(zhuǎn)化效率較高。

圖18 外特性下PN 的變化規(guī)律

圖19 為不同工況下PN 比排放。隨著負(fù)荷的增加PN 比排放先減小后增加，隨著轉(zhuǎn)速增加顆粒物數(shù)量比排放依次增加。與原機(jī)相比，加裝后處理系統(tǒng)之后比排放量平均降幅達(dá)95%以上，且均低于非道路國(guó)四排放限值，其中轉(zhuǎn)速為 2 200 r/min 時(shí)顆粒物比排放降低效果更明顯。

圖19 負(fù)荷特性和外特性下PN 比排放

3.2 不同工況下PM 質(zhì)量濃度的變化規(guī)律

圖20 為1 650 r/min 和2 200 r/min 轉(zhuǎn)速下不同測(cè)點(diǎn)PM 質(zhì)量濃度隨負(fù)荷的變化規(guī)律。隨著負(fù)荷增加PM 質(zhì)量濃度增加。DOC 對(duì)PM 質(zhì)量的轉(zhuǎn)化效率隨著負(fù)荷的增加而增加，在10% 負(fù)荷時(shí)PM 質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化效率最低，因?yàn)镈OC 氧化SOF 會(huì)受到排氣溫度的影響。隨著負(fù)荷增加，DOC 溫度越高其催化劑活性越好，從而對(duì)顆粒物的轉(zhuǎn)化效率越高，但10% 負(fù)荷時(shí)DOC 溫度較低，不利于SOF 氧化［16］。在50%～75% 負(fù)荷之間，PN 轉(zhuǎn)化效率呈線(xiàn)性增加，但PM 質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化效率較為平緩，可能是因?yàn)镈OC 主要氧化的是SOF，雖然DOC 對(duì)其數(shù)量濃度氧化效果較好，但因SOF 質(zhì)量較小所以質(zhì)量轉(zhuǎn)化效率變化不明顯。CDPF 后PM 質(zhì)量濃度大幅降低，在整個(gè)測(cè)試工況內(nèi)CDPF 對(duì)PM 質(zhì)量濃度有較高的效率，均保持在98% 以上，可以看出CDPF 對(duì)PM 質(zhì)量濃度的降低起主要作用。

圖20 負(fù)荷特性下顆粒物質(zhì)量濃度的變化規(guī)律

圖21 為外特性下不同測(cè)點(diǎn)PM 質(zhì)量濃度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。隨著轉(zhuǎn)速增加PM 質(zhì)量濃度逐漸增加，在中低轉(zhuǎn)速下PM 質(zhì)量濃度增加速率較快。DOC 后PM 質(zhì)量濃度相比原機(jī)有所降低，DOC 對(duì)PM 質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)化效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，在轉(zhuǎn)速為2 200 r/min 下轉(zhuǎn)化效率取得最高值60.6%。CDPF 后PM 質(zhì)量濃度大幅降低，在所有工況下CDPF 對(duì)PM 質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化效率均大于95%，表明外特性下CDPF 對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的降低起主要作用。

圖21 外特性下PM 質(zhì)量濃度的變化規(guī)律

圖22 為不同工況下PM 質(zhì)量濃度比排放變化規(guī)律。與原機(jī)相比，加裝后處理系統(tǒng)之后比排放量平均降幅達(dá)95% 以上且均低于非道路國(guó)四排放限值，其中2 200 r/min 時(shí)顆粒物比排放降低效果最佳。

圖22 負(fù)荷特性和外特性下PM 質(zhì)量濃度

3.3 不同工況下顆粒物分布的變化規(guī)律

表4 和表5 為不同測(cè)點(diǎn)PM 分布隨負(fù)荷的變化規(guī)律。由圖可知原排核模態(tài)顆粒物比例均保持在50% 左右。當(dāng)排氣流過(guò)DOC 后，由于核模態(tài)顆粒物的主成分是SOF，DOC 對(duì)其氧化效果較好，而積聚態(tài)顆粒物是燃料中未完全燃燒的高分子長(zhǎng)鏈吸附部分物質(zhì)形成的，氧化效果較差［17］，使得DOC 后核模態(tài)比例降低。CDPF 后核模態(tài)顆粒物占比相比DOC 大幅上升，表明CDPF 對(duì)積聚態(tài)顆粒物的捕集效果較好。顆粒物捕集器的捕集機(jī)理包括布朗擴(kuò)散、直接攔截和慣性碰撞3 種，其綜合捕集系數(shù)隨粒徑的增加而減?。?8］。另外，CDPF 表面涂覆的催化劑會(huì)將積聚態(tài)顆粒物表面所吸附的物質(zhì)氧化，從而使得積聚態(tài)顆粒物向粒徑較小的核模態(tài)顆粒物轉(zhuǎn)化。同時(shí)CDPF 后NO2/NOx比降低，表明CDPF中消耗了部分NO2參與了顆粒物的被動(dòng)氧化。上述因素使CDPF 后核模態(tài)顆粒物占比增加。

表4 轉(zhuǎn)速為1 650 r/min 的負(fù)荷特性下顆粒物占比的變化規(guī)律

表5 轉(zhuǎn)速為2 200 r/min 的負(fù)荷特性下顆粒物占比的變化規(guī)律

表6 為外特性下不同測(cè)點(diǎn)核模態(tài)顆粒物比例隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。原排中積聚態(tài)顆粒物比例略大于核模態(tài)顆粒物，隨著轉(zhuǎn)速的增加，核模態(tài)顆粒物比例先增加后降低。DOC 后核模態(tài)顆粒物比例為23%～36%，對(duì)比原排核模態(tài)顆粒物數(shù)量下降較為明顯。CDPF 后核模態(tài)顆粒物比例相比DOC 后有所上升，轉(zhuǎn)速2 000 r/min 時(shí)核模態(tài)顆粒物比例為96%，由此可見(jiàn)CDPF 對(duì)積聚態(tài)顆粒物的捕集效果較好。

表6 外特性(100%負(fù)荷)下顆粒物占比的變化規(guī)律

4 結(jié)論

（1）在測(cè)試工況下，加裝集成式后處理系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降2% 左右，油耗無(wú)明顯增加，說(shuō)明后處理系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性無(wú)明顯影響。

（2）負(fù)荷特性下發(fā)動(dòng)機(jī)排溫和壓力隨著負(fù)荷的增加而增加，外特性下隨著轉(zhuǎn)速增加排溫先增加后降低，壓力依次增加。后處理內(nèi)部排氣溫度先增加后降低，壓力依次降低。

（3）在負(fù)荷特性下，HC 和CO 排放均隨著負(fù)荷增加而降低，外特性下隨轉(zhuǎn)速無(wú)明顯變化規(guī)律。DOC對(duì)HC 和CO 排放起主導(dǎo)作用且平均降幅在80% 以上，其轉(zhuǎn)化效率隨負(fù)荷增加而增加，DOC 對(duì)CO 的轉(zhuǎn)化效率高于HC。CDPF 對(duì)HC 和CO 平均轉(zhuǎn)化率分別約為75% 和85%，低于DOC 的轉(zhuǎn)化效率。

（4）NOx排放在負(fù)荷特性下隨負(fù)荷增加而增加，外特性下隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，DOC+CDPF 會(huì)改 變NO2/NOx比，使 得CDPF 和SCR 入 口NO2增加。SCR 對(duì)NOx平均轉(zhuǎn)化效率為90% 且SCR 出口NH3泄漏均小于20×10-6。

（5）PN 和PM 質(zhì)量隨著轉(zhuǎn)速或負(fù)荷增加而增加，DOC+CDPF 對(duì)PM 質(zhì)量和PN 降幅達(dá)95% 以上，同時(shí)改變了顆粒物的分布，使得CDPF 出口積聚態(tài)顆粒物比例減少而核模態(tài)比例增加。

（6）相比于原機(jī)，加裝DOC+CDPF+SCR 后CO、HC、NOx、PN 和PM 比排放均大幅下降，在所有測(cè)試工況下除10% 負(fù)荷HC 比排放外，其余比排放均低于非道路國(guó)四排放法規(guī)限值。