柴油機(jī)顆粒數(shù)量排放特性研究

谷雨，宮寶利，徐輝，張謙益

(中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

柴油機(jī)具有熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好、動(dòng)力性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被全世界機(jī)動(dòng)車廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量的逐年增加，移動(dòng)源尾氣污染已成為不可忽視的環(huán)節(jié)。近年來(lái)，霧霾現(xiàn)象在全國(guó)各地日益嚴(yán)重，作為單機(jī)顆粒物排放量更大的柴油機(jī)需要更加嚴(yán)格的控制監(jiān)管。2018年6月22日國(guó)家發(fā)布了《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》，并于2021年7月1日正式實(shí)施重型柴油車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)。在以往的研究中，諸多學(xué)者對(duì)內(nèi)燃機(jī)顆粒物排放進(jìn)行了不同領(lǐng)域的研究。李新令等對(duì)柴油機(jī)排氣顆粒粒徑分布進(jìn)行詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)排氣顆粒中核模態(tài)粒子占有較大的數(shù)量百分比,積聚模態(tài)粒子占有較大的體積百分比。孟忠偉等對(duì)柴油機(jī)DPF主動(dòng)再生中的顆粒排放特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高碳載量時(shí)顆粒物排放總量受再生溫度影響較大，再生過程中的碳載量對(duì)顆粒物總數(shù)量濃度有一定影響。侯獻(xiàn)軍等對(duì)汽油、CNG兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放特性進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了進(jìn)氣壓力對(duì)兩種燃料的顆粒物排放影響。王小臣等則重點(diǎn)研究了DOC對(duì)柴油機(jī)顆粒物排放粒徑分布的影響。

重型柴油車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)不僅對(duì)顆粒質(zhì)量進(jìn)行限制，同時(shí)也將顆粒數(shù)量PN(Particle Number)納入了監(jiān)管范圍。本研究通過設(shè)計(jì)一系列發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，分析柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、EGR率、負(fù)荷加載、DOC、CDPF碳載量、環(huán)境溫度等條件對(duì)柴油機(jī)PN排放的影響，對(duì)國(guó)六柴油機(jī)PN 原機(jī)排放開發(fā)標(biāo)定、后處理選型及開發(fā)標(biāo)定有重要指導(dǎo)作用，為控制PN排放的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架開發(fā)研究工作提供一定的理論參考。

1 試驗(yàn)裝置和方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用1臺(tái)滿足GB 17691—2018標(biāo)準(zhǔn)國(guó)六b階段的柴油機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)使用HORIBA LI250測(cè)功系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，配備全流稀釋排放分析系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣進(jìn)行二級(jí)稀釋后，通過采樣濾紙稱重計(jì)算顆粒物質(zhì)量，采用MEXA-2000SPCS顆粒計(jì)數(shù)器對(duì)PN進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)通過標(biāo)定工具INCA系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理。試驗(yàn)采用國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求的基準(zhǔn)燃油和低溫用基準(zhǔn)燃油。試驗(yàn)裝置見圖1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理裝置主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)流程，應(yīng)該先進(jìn)行柴油機(jī)原機(jī)排放標(biāo)定開發(fā)，然后再做后處理選型配合標(biāo)定，因此本次試驗(yàn)按照柴油機(jī)在原始排放以及攜帶后處理裝置的兩種情況下，對(duì)PN排放的特性規(guī)律進(jìn)行研究，試驗(yàn)方案如下：

1) 在相同負(fù)荷下研究轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體PN排放的影響；在相同轉(zhuǎn)速下研究負(fù)荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體PN排放的影響；

2) 在固定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，研究EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體PN排放的影響；

3) 在固定轉(zhuǎn)速下，研究瞬態(tài)負(fù)荷加載對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體PN排放的影響；

4) 在攜帶DOC后處理裝置和不攜帶任何后處理裝置兩種情況下，研究DOC對(duì)PN排放的影響；

5) 在CDPF攜帶不同碳載量的狀態(tài)下，研究CDPF碳載量對(duì)PN排放的影響；

6) 在攜帶DOC和CDPF的情況下，研究環(huán)境溫度對(duì)PN排放的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)PN的影響

為獲得單一變量結(jié)果，消除后處理催化器對(duì)PN排放結(jié)果的影響，試驗(yàn)時(shí)拆除所有后處理催化器，僅測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)本體排放。選取發(fā)動(dòng)機(jī)較為典型的3個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，其中1 200 r/min為發(fā)動(dòng)機(jī)低速暖機(jī)轉(zhuǎn)速，1 800 r/min為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速，2 800 r/min為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速。

圖2示出在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷下測(cè)試的結(jié)果?？梢钥闯?，在40%以下的低負(fù)荷區(qū)域，隨著柴油機(jī)負(fù)荷增加，更多燃油參與燃燒，但空燃比仍然處于較大的狀態(tài)，缸內(nèi)溫度升高使得燃燒更加充分，顆粒物數(shù)量濃度持續(xù)下降。但隨著負(fù)荷繼續(xù)增加，噴油量也持續(xù)增加，柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣均勻性變差，導(dǎo)致局部燃燒惡化，顆粒物數(shù)量濃度迅速上升。在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性下，1 200 r/min時(shí)的顆粒物數(shù)量濃度為475.2 個(gè)/cm，扭矩點(diǎn)顆粒物數(shù)量濃度為769.6個(gè)/cm，而標(biāo)定點(diǎn)的顆粒物數(shù)量濃度達(dá)到了1 107.2個(gè)/cm，相較于20%負(fù)荷顆粒濃度的增幅分別達(dá)到了261.6%，335.6%，356.6%。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)PN的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同樣對(duì)顆粒物數(shù)量濃度起到了正向影響作用，相同負(fù)荷下隨著轉(zhuǎn)速的增加，噴油脈寬也加大，噴油持續(xù)期延長(zhǎng)，顆粒物數(shù)量濃度同時(shí)增加。隨著負(fù)荷的增加，轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒物數(shù)量濃度的影響逐漸變大?？梢钥吹皆?0%負(fù)荷下，2 800 r/min的顆粒數(shù)量濃度比1 200 r/min增加84.5%；而在100%負(fù)荷下，2 800 r/min的顆粒數(shù)量濃度比1 200 r/min增加133.0%。

2.2 EGR率對(duì)PN的影響

廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)可有效降低柴油機(jī)NO排放，是目前國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)普遍采用的排放控制技術(shù)，但是EGR的使用會(huì)不同程度地影響缸內(nèi)燃燒。在1 800 r/min，60%負(fù)荷工況下，通過INCA標(biāo)定電腦控制EGR開度，獲得所需的EGR率。從圖3可以看出，當(dāng)EGR率為10%的時(shí)候，燃油消耗率僅為197.3 g/(kW·h)，顆粒物數(shù)量濃度為253.1 個(gè)/cm。隨著EGR率的不斷增加，燃油消耗率和顆粒物數(shù)量濃度也不斷增大，20%EGR率下，燃油消耗率達(dá)到了223.5 g/(kW·h)，相比10%EGR率增幅為13.3%；顆粒物數(shù)量濃度增加到547.5 個(gè)/cm，增幅為116.3%。

圖3 EGR率對(duì)PN的影響

這是因?yàn)殡S著EGR率增大，泵氣損失持續(xù)增加，同時(shí)回流廢氣中的惰性氣體降低了缸內(nèi)氧氣濃度，抑制了燃燒反應(yīng)，缸內(nèi)燃燒速率減慢，從而使燃油經(jīng)濟(jì)性不斷惡化，顆粒物數(shù)量濃度也會(huì)同時(shí)增加。可以看到當(dāng)EGR率控制在16%以下時(shí)，燃油消耗率和顆粒數(shù)量濃度增加較為緩慢，而當(dāng)EGR率超過16%以后，缸內(nèi)混合氣均勻程度下降加速，燃燒惡化程度加劇，燃油消耗率和顆粒數(shù)量濃度也急劇增加。

2.3 負(fù)荷加載對(duì)PN的影響

圖4示出負(fù)荷加載的操作過程，發(fā)動(dòng)機(jī)分別在1 200 r/min，1 800 r/min，2 800 r/min轉(zhuǎn)速下，以1 s的過渡時(shí)間，從20%負(fù)荷加載到100%負(fù)荷，隨后穩(wěn)定在100%負(fù)荷運(yùn)行4 s。由圖可知，雖然測(cè)功機(jī)設(shè)置的過渡工況時(shí)間是1 s，但是由于渦輪增壓系統(tǒng)的遲滯效應(yīng)，3個(gè)轉(zhuǎn)速下的峰值都出現(xiàn)在2 s附近。在100%負(fù)荷下顆粒物數(shù)量濃度峰值分別為645.4 個(gè)/cm，849.9 個(gè)/cm，1 346.2 個(gè)/cm，這比外特性穩(wěn)定工況下的顆粒物數(shù)量濃度增加了約35.8%，20.8%，12.6%。在峰值過后的3 s，顆粒物數(shù)量濃度逐漸回落，并保持在外特性穩(wěn)態(tài)工況下的濃度狀態(tài)。這是因?yàn)樵谪?fù)荷瞬態(tài)加載的過程中，缸內(nèi)噴油量急劇增加，空燃比減小，局部不均勻混合氣變多，導(dǎo)致了更多的不充分燃燒，從而產(chǎn)生更多的炭煙顆粒并引起顆粒數(shù)量濃度激增。在低轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣量更少，瞬態(tài)的負(fù)荷加載所導(dǎo)致的空燃比下降會(huì)更加突出，顆粒數(shù)量濃度的增幅也會(huì)更大。

圖4 負(fù)荷加載對(duì)PN的影響

2.4 DOC對(duì)PN的影響

DOC屬于柴油機(jī)常配后處理催化器，不僅能對(duì)HC和CO進(jìn)行氧化處理，同時(shí)還能通過氧化反應(yīng)“捕集”可揮發(fā)性有機(jī)顆粒物。圖5示出在發(fā)動(dòng)機(jī)1 800 r/min條件下進(jìn)行的負(fù)荷特性測(cè)試結(jié)果，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)運(yùn)行20 min，通過MEXA-2000SPCS測(cè)量PN排放值，通過濾紙稱重測(cè)量PM的質(zhì)量?？梢钥闯?，在安裝DOC后，顆粒物質(zhì)量出現(xiàn)了明顯下降，下降幅度隨負(fù)荷增加而增大。滿負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)原始排氣PM測(cè)量值為135.6 μg，在安裝DOC后下降到了84.3 μg，降幅達(dá)到37.8%，但DOC的安裝對(duì)PN的影響卻十分小。這是因?yàn)镈OC的強(qiáng)氧化性對(duì)可揮發(fā)性有機(jī)顆粒物進(jìn)行了氧化轉(zhuǎn)化，使得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒物中的有機(jī)物成分得到了極大的削減，進(jìn)而減小了PM整體質(zhì)量。而PN的影響則歸結(jié)于目前顆粒計(jì)數(shù)器的測(cè)量原理，在經(jīng)過了旋風(fēng)式分離器的粒徑篩選后，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣將經(jīng)過揮發(fā)性顆粒去除器(VPR)，VPR中的蒸發(fā)管保持在300～400 ℃，對(duì)可揮發(fā)性顆粒物進(jìn)行加熱蒸發(fā)。也正是相對(duì)于可揮發(fā)有機(jī)顆粒，VPR與DOC有著相同的作用，因此最終測(cè)得已除去可揮發(fā)性有機(jī)顆粒的剩余顆粒數(shù)量大致相當(dāng)。

圖5 DOC對(duì)PN的影響

2.5 CDPF碳載量對(duì)PN的影響

CDPF是解決顆粒數(shù)量排放的重要零部件，壁流式的內(nèi)腔使得顆粒的捕集效率在90%以上，內(nèi)腔載體同時(shí)涂覆貴金屬層增加附著顆粒的被動(dòng)再生能力，在運(yùn)行一定周期后，還將通過缸內(nèi)后噴進(jìn)行主動(dòng)再生。試驗(yàn)采用INCA標(biāo)定電腦對(duì)以壓差、時(shí)間、溫度等參數(shù)建立的碳載量模型進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在通過發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工況運(yùn)行后，CDPF碳載量模型值基本歸0。然后以1 200 r/min，該轉(zhuǎn)速下40%負(fù)荷的工況開始運(yùn)行，從圖6可以看出，此時(shí)顆粒數(shù)量濃度為99.3 個(gè)/cm。隨著碳載量的逐漸增加，顆粒物數(shù)量濃度持續(xù)下降，當(dāng)碳載量小于9 g時(shí)，碳載量對(duì)顆粒物數(shù)量濃度的影響較大，當(dāng)碳載量超過9 g以后，顆粒物數(shù)量濃度的減小趨勢(shì)趨于平緩。CDPF的顆粒處理方式為物理捕集，每個(gè)獨(dú)立內(nèi)腔壁面的孔隙會(huì)持續(xù)不斷地過濾掉尾氣中的碳顆粒，而被“捕集”的碳顆粒會(huì)逐漸將每個(gè)內(nèi)腔壁面的孔隙堵塞，從而使得碳顆粒愈發(fā)難以通過CDPF，這也是日常運(yùn)行過程中CDPF主動(dòng)再生后PN排放量驟然增大的原因。顆粒物質(zhì)量總體變化趨勢(shì)與顆粒物數(shù)量濃度相同，但是下降過程沒有完全的線性規(guī)律。在碳載量為6 g和15 g的時(shí)候呈現(xiàn)反向升高現(xiàn)象，這是因?yàn)镃DPF載體上的碳顆粒附著狀態(tài)一直處于動(dòng)態(tài)的氣流變化下，隨著附著的碳顆粒累積量變大，一些大粒徑顆粒會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行偶發(fā)性地被排氣流吹出，從而出現(xiàn)濾紙上的顆粒質(zhì)量增大，但實(shí)際顆粒數(shù)量卻沒有增加的情況。

圖6 CDPF碳載量對(duì)PN的影響

2.6 環(huán)境溫度對(duì)PN的影響

在3種環(huán)境溫度下，以碳載量3 g為起點(diǎn)，持續(xù)以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min，該轉(zhuǎn)速下40%負(fù)荷的工況運(yùn)行2 h，在不進(jìn)行排氣管和后處理催化器保溫包裹的情況下進(jìn)行測(cè)試：

1) 高溫環(huán)境 在夏季不開試驗(yàn)室環(huán)境空調(diào)的情況下，試驗(yàn)室環(huán)境溫度在33 ℃左右；

2) 常溫環(huán)境 開啟房間環(huán)境空調(diào)，將試驗(yàn)室環(huán)境溫度控制在20 ℃；

3) 低溫環(huán)境 將發(fā)動(dòng)機(jī)更換至低溫試驗(yàn)倉(cāng)，試驗(yàn)室環(huán)境溫度控制在-7 ℃。

從圖7可以看出，在3種環(huán)境溫度下，隨著低速中負(fù)荷的累碳工況持續(xù)運(yùn)行，碳載量均不斷增加，而排氣中的顆粒數(shù)量濃度也持續(xù)減小。環(huán)境溫度對(duì)碳載量的累積速率影響較大，在2 h的累碳工況運(yùn)行下，高溫環(huán)境下的碳載量增幅僅有196.7%，常溫環(huán)境的碳載量增幅為213.3%，而低溫環(huán)境下的碳載量增幅達(dá)到了230.0%。隨著碳載量的增加，3種溫度環(huán)境下顆粒物數(shù)量濃度均呈現(xiàn)下降，擬合趨勢(shì)如下：

1) 高溫33 ℃

=0429 8- 9541 7+ 79914；

2) 常溫20 ℃

=0781- 12533+ 81257；

3) 低溫-7 ℃

= 1241 7- 16715+ 846。

圖7 環(huán)境溫度對(duì)PN的影響

同樣以碳載量模型3 g為起點(diǎn)，按照GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》，分別在3種環(huán)境溫度下進(jìn)行WHTC(世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán))測(cè)試。由表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在同一碳載量基礎(chǔ)下，環(huán)境溫度越低，WHTC中的PN循環(huán)比排放量也越低。

表2 WHTC測(cè)試結(jié)果

這是因?yàn)楫?dāng)CDPF載體處于250 ℃以上時(shí)，被動(dòng)再生激活，隨著CDPF載體溫度升高，被動(dòng)再生作用會(huì)持續(xù)增強(qiáng)。在沒有進(jìn)行排氣管和后處理催化器保溫包裹的情況下，較低的環(huán)境溫度與CDPF外殼進(jìn)行著更加激烈的熱交換反應(yīng)，從而導(dǎo)致CDPF內(nèi)部載體熱量損失，減弱了被動(dòng)再生作用，同時(shí)也影響了顆粒數(shù)量濃度的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

a) 在不攜帶后處理催化器的情況下，柴油機(jī)本體PN排放量隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；高速高負(fù)荷仍然是PN高排放區(qū)域，柴油機(jī)原機(jī)排放標(biāo)定開發(fā)時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)應(yīng)對(duì)；

b) EGR率的增加會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，油耗和PN排放量也會(huì)隨之增大，在開發(fā)過程中應(yīng)當(dāng)控制合適的EGR率以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排放中的PN和NO；

c) 瞬態(tài)負(fù)荷加載會(huì)因空燃比驟然減小導(dǎo)致PN短時(shí)間出現(xiàn)峰值，為應(yīng)對(duì)國(guó)六瞬態(tài)排放測(cè)試循環(huán)，在開發(fā)過程中應(yīng)提高工況突變情況下的標(biāo)定精度；

d) DOC通過氧化反應(yīng)“捕集”可揮發(fā)性有機(jī)顆粒，能夠有效降低PM，但無(wú)法減少PN；

e) 在不觸發(fā)主動(dòng)再生的前提下，CDPF碳載量的增加會(huì)降低PN的排放量，PM也會(huì)持續(xù)下降，但無(wú)線性規(guī)律；

f) 環(huán)境溫度的下降會(huì)減弱CDPF被動(dòng)再生速率，相同時(shí)間內(nèi)，CDPF碳載量累積越快，在不觸發(fā)主動(dòng)再生的前提下，PN排放量越低。