柴油機(jī)排放顆粒數(shù)控制方法研究

封 慧，陸 健，王建航，趙 娜，馬燕燕，房瑞雪

柴油機(jī)排放顆粒數(shù)控制方法研究

封 慧1,2，陸 健1,2，王建航1,2，趙 娜1,2，馬燕燕1,2，房瑞雪1,2

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261001；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著全球空氣污染加劇，控制柴油機(jī)排放污染物是解決污染的主要措施之一。柴油機(jī)排放污染物中的顆粒數(shù)（PN）不僅污染空氣，還嚴(yán)重危害人們的身體健康。為了滿足法規(guī)中PN的要求，分別從優(yōu)化燃燒、優(yōu)化活塞環(huán)組、優(yōu)化油氣分離器的分離方式、優(yōu)化顆粒捕集器（DPF）四方面入手，提出了優(yōu)化措施，并通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化措施的可行性。

PN；活塞環(huán)組；油氣分離器；DPF

柴油機(jī)因其熱效率高、功率覆蓋廣、燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。然而，柴油機(jī)在給人們生活提供便利的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的空氣污染問題。柴油機(jī)產(chǎn)生的顆粒物不僅污染空氣，其攜帶的多環(huán)芳烴等化學(xué)物質(zhì)還危害人們的身體健康。粒徑較小的顆粒物可以吸附很多有毒成分，并且可以被人體吸入，影響人體健康[1-7]。

為了滿足法規(guī)對(duì)顆粒數(shù)（Particle Number, PN）限值的要求，本文從優(yōu)化燃燒、優(yōu)化活塞環(huán)組、優(yōu)化油氣分離器的分離方式、優(yōu)化顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）四方面入手，提出了優(yōu)化措施，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為柴油機(jī)顆粒物控制方法提供參考和建議。

1 顆粒物的分類及形成原因

柴油機(jī)顆粒物的主要成分為碳煙顆粒、灰分、可溶性的液態(tài)顆粒和硫化物顆粒，其中碳煙顆粒所占比例最多[3]。柴油機(jī)排放尾氣中碳煙顆粒的質(zhì)量和數(shù)量分布如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)排氣微粒的典型質(zhì)量和數(shù)量粒徑分布[17]

碳煙顆粒可以根據(jù)粒徑的大小分為核態(tài)、積聚態(tài)和粗糙態(tài)。核態(tài)的碳煙顆粒主要是由以下幾部分組成：在缸內(nèi)燃燒過程中，沒有完全燃燒的碳核、揮發(fā)性的碳?xì)浠衔镞€有燃油中的含硫化合物和部分的金屬化合物，其顆粒數(shù)量占碳煙顆粒的90%[8-16]。

排放法規(guī)中柴油機(jī)PN是指所有粒徑超過23 nm的顆粒物的總數(shù)量，為了滿足法規(guī)要求，需要減小柴油機(jī)燃燒過程中核態(tài)、積聚態(tài)顆粒物的生成、控制并優(yōu)化核態(tài)、積聚態(tài)顆粒物的排放。

2 PN的控制方法

柴油機(jī)PN的控制方法主要分為兩個(gè)方面：一方面降低原排PN：通過優(yōu)化燃燒，保證過量空氣系數(shù)、改善油氣混合均勻性，來降低柴油機(jī)原始排放的PN；另一方面優(yōu)化尾氣排放的PN值，主要是通過采用DPF等后處理裝置，控制尾氣排放PN。對(duì)于采用開式循環(huán)的柴油機(jī)，油氣分離器出氣管排出的氣體直接排放到大氣，會(huì)直接影響柴油機(jī)的顆粒物總數(shù)量。因此，一方面要控制曲軸箱的竄氣量，可以通過優(yōu)化活塞環(huán)組來實(shí)現(xiàn)；另一方面優(yōu)化油氣分離器的分離方式，提高分離效率，降低因曲軸箱竄氣引起的顆粒物數(shù)量增多的現(xiàn)象，具體方法如圖2所示。

圖2 顆粒物數(shù)量控制方法

2.1 優(yōu)化燃燒，降低原排PN

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，燃燒后的氣體大部分通過排氣管之后處理，還有一小部分經(jīng)過活塞、活塞環(huán)組和缸孔之間的間隙進(jìn)入曲軸箱。因此通過優(yōu)化燃燒，可以從根本上降低排放，從而降低燃燒后氣體的PN。優(yōu)化燃燒主要從優(yōu)化配置和優(yōu)化標(biāo)定入手，達(dá)到降低PN的目的。

1）優(yōu)化關(guān)鍵配置，降低PN原排

某排量為2.3 L的國六機(jī)型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示，從圖3可知，PN與顆粒物（Particulate Matter, PM）之間存在一定的相關(guān)性，PM出現(xiàn)峰值的區(qū)域，PN同樣出現(xiàn)峰值。因此降低PN原排可采取降低PM原排的措施，即保證過量空氣系數(shù)；通過增加噴油器孔數(shù)、減小孔徑、提高噴油壓力、改善燃油霧化等措施改善油氣混合均勻性，使燃油充分燃燒。

圖3 PN和PM排放的相關(guān)性

2）標(biāo)定優(yōu)化，降低PN原排

在進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化的過程中，其主要的影響參數(shù)為提前角、軌壓、廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation, EGR）率、節(jié)流閥開度。在某排量為2.3 L的國六發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，增大提前角，能明顯降低PN，但NOX增長趨勢較快，降低30%PN，NOX升高3.5 g/(kWh)左右；增大軌壓能明顯降低PN，降低30%PN，NOX升高0.5 g/kWh左右，但是油耗也會(huì)有一定的惡化；減小EGR率，能有效降低PN，EGR率超過約20%后，PN呈指數(shù)型增長；關(guān)小節(jié)流閥，PN減小。當(dāng)節(jié)流閥開度小于35%后，隨著節(jié)流閥開度減小，PN增長明顯。

2.2 優(yōu)化活塞環(huán)組，降低漏氣量

活塞環(huán)主要分為氣環(huán)和油環(huán)，氣環(huán)的作用是密封、傳熱、控制機(jī)油消耗量，密封缸內(nèi)氣體，控制竄氣量，傳遞熱量實(shí)現(xiàn)活塞的冷卻；油環(huán)的作用是刮油和布油。

柴油機(jī)的活塞環(huán)組通常由兩個(gè)氣環(huán)和一個(gè)油環(huán)組成。頂環(huán)的功能主要是密封缸內(nèi)氣體，油環(huán)的功能是控制機(jī)油消耗。第二道氣環(huán)的作用既有密封氣體，也有控制油耗的作用，但更多的是為了后者。頂環(huán)靠近燃燒室，在熱負(fù)荷特別高的發(fā)動(dòng)機(jī)中，頂環(huán)易卡在環(huán)槽中，導(dǎo)致拉缸或竄氣竄油的故障，為了避免出現(xiàn)以上問題，第一道活塞環(huán)的斷面形狀通常設(shè)計(jì)為梯形。扭曲環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用廣泛，第二道氣環(huán)通常使用扭曲環(huán)，其特點(diǎn)是與缸壁呈線接觸，磨合性好，與環(huán)槽上下也是線接觸，密封性能得到改善，并且減輕了對(duì)環(huán)槽的沖擊，防止竄油、竄氣效果都比較好[18]。

圖5 開口間隙對(duì)竄氣量的影響

對(duì)于采用開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的柴油機(jī)而言，活塞環(huán)漏氣量將增加整機(jī)的PN排放。影響漏氣量的主要因素有活塞與缸套的配合間隙、活塞環(huán)的開口間隙、活塞環(huán)的斷面形狀等。本文通過減小公差，控制一環(huán)的閉口間隙，同時(shí)將二環(huán)由反扭更改為正扭，測量優(yōu)化前后的漏氣量，如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著開口間隙的減小，竄氣量呈現(xiàn)降低的趨勢，通過優(yōu)化開口間隙及活塞環(huán)斷面形狀，竄氣量由70 L/min降低到50～ 55 L/min。

2.3 優(yōu)化油氣分離器的分離方式，降低開式循環(huán)PN

曲軸箱內(nèi)的氣體主要由以下兩部分組成：一部分為發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，燃燒后通過活塞進(jìn)入曲軸箱的氣體；另一部分為機(jī)油因曲軸箱內(nèi)高溫而蒸發(fā)的機(jī)油蒸汽。這些混合性氣體含有大量的沒有充分燃燒的燃油、水蒸氣以及大部分的顆粒物質(zhì)，它們凝結(jié)后會(huì)對(duì)機(jī)油造成稀釋和氧化，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠耐久性。有研究表明，曲軸箱竄氣中顆粒物質(zhì)能夠占到發(fā)動(dòng)機(jī)排放的總顆粒物質(zhì)的20%[19-20]。

曲軸箱內(nèi)的氣體通過油氣分離器分離后，分離出的機(jī)油重新流回到油底殼，氣體排入大氣的為開式油氣分離器系統(tǒng)；氣體排入進(jìn)氣管路的為閉式油氣分離器系統(tǒng)。與開式系統(tǒng)不同，閉式系統(tǒng)的氣體進(jìn)入進(jìn)氣管，再次參與燃燒過程。因氣體中含有大量燃油、機(jī)油，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)及后處理系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生不良影響，甚至?xí)鹬卮笮孤妒鹿?，因此本文采用開式油氣分離器系統(tǒng)，通過優(yōu)化分離方式，降低PN。

油氣分離器根據(jù)分離方式的不同可分為主動(dòng)式、纖維濾芯式、高效撞擊毛氈式、撞擊毛氈式、普通撞擊式5種類型。在某發(fā)動(dòng)機(jī)上分別使用上述方式，測量出氣含油量及開式PN的數(shù)值，結(jié)果如表1和表2所示。由表1和表2可知，從降低PN效果來看，主動(dòng)式、纖維濾芯式比較好，其次為高效撞擊毛氈式、撞擊毛氈式，最差的為普通撞擊式。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮布置空間及成本問題，選擇合適的油氣分離方式，達(dá)到降低PN的效果。

表1 不同分離方式下的出氣含油量 單位：g/100 kWh

主動(dòng)式纖維濾芯式高效撞擊毛氈式撞擊毛氈式普通撞擊式 出氣含油量0.070.240.1610.7450.94

表2 不同分離方式對(duì)開式PN的影響 單位：個(gè)

主動(dòng)式纖維濾芯式高效撞擊毛氈式撞擊毛氈式普通撞擊式 開式PNWHTC1.6E+111.4E+112.7E+113.4E+114.4E+11 WHSC1.8E+111.5E+112.3E+112.6E+113.4E+11 降PN效果好好中中差

注：WHTC，全稱為Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle，即瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)； WHSC，全稱為World Harmonized Steady-state Cycle，即穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)。

2.4 優(yōu)化DPF，降低尾氣PN

柴油機(jī)DPF技術(shù)，是目前滿足國六排放法規(guī)普遍使用的后處理技術(shù)。DPF能夠明顯降低顆粒物的排放重量和數(shù)量。目前最常用的是壁流式DPF，其工作原理如圖6所示，通過使用類似蜂窩的結(jié)構(gòu)，通道兩端一端開通，一端堵死，迫使氣流從壁面上的多孔結(jié)構(gòu)通過，顆粒物無法通過，被捕集下來，成為沉積的積碳[20-26]。

圖6 壁流式DPF工作原理示意圖[9]

法規(guī)中PN計(jì)數(shù)粒徑為23 nm以上，DPF的中值孔徑為12～13 nm，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物的粒徑大多數(shù)是10～200 nm，因此為了提高DPF的捕集效率，需要經(jīng)過一定的預(yù)處理，如載體表面的碳層/灰層，如圖7所示。從圖7中可以看出DPF的碳層/灰層需要有一定的厚度才能提高捕集效率，從而滿足排放法規(guī)的要求。

圖7 DPF增加碳層或灰層后，提高捕集效率的示意圖

同時(shí)對(duì)DPF的載體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將載體的中值孔徑從13 μm降至9 μm，進(jìn)一步提高捕集效率，并升級(jí)催化劑的涂覆工藝。通過以上措施的實(shí)施，可以有效地控制PN排放的超標(biāo)問題。

3 結(jié)論

1）PN與PM之間存在一定的相關(guān)性，PM出現(xiàn)峰值的區(qū)域，PN同樣出現(xiàn)峰值。PN與NOX也存在一定的相關(guān)性，在PN明顯降低時(shí)，NOX呈增長趨勢。通過優(yōu)化配置，降低PM的同時(shí)也降低了PN；通過標(biāo)定優(yōu)化可以有效降低PN，但NOX升高。

2）活塞環(huán)組開口間隙及環(huán)組的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)柴油機(jī)曲軸箱竄氣量有顯著影響，通過減小開口間隙，優(yōu)化環(huán)組形狀，曲軸箱竄氣量降幅明顯。

3）油氣分離器不同的分離方式對(duì)降低PN 有顯著影響，主動(dòng)式、纖維濾芯式比較好，其次為高效撞擊毛氈式、撞擊毛氈式，最差的為普通撞擊式。

4）DPF能夠明顯降低尾氣排放的PN，通過優(yōu)化DPF的孔徑，升級(jí)涂覆工藝，可以有效地控制PN排放超標(biāo)的問題。

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Research on Particle Number Control Method of Diesel Engine

FENG Hui1,2, LU Jian1,2, WANG Jianhang1,2, ZHAO Na1,2, MA Yanyan1,2, FANG Ruixue1,2

( 1.State Key Laboratory of Engine Reliability, Weifang 261001, China;2.Weichai Power Company Limited, Weifang 261061, China )

With the intensification of global air pollution, the control of diesel emission pollutants is one of the most important measures to solve the pollution. Particle number (PN) in diesel emissions not only pollutes the air, but also seriously endangers people's health. In order to meet the requirements of PN in the regulations, optimization measures are put forward from four aspects, namely, optimization of combustion, piston ring group, separation mode of oil/gas separator, and diesel particulate filter (DPF), and the feasibility of the optimization measures is verified through tests.

PN; Piston ring group; Oil/gas separator; DPF

TK421.5

A

1671-7988(2023)18-183-05

封慧（1988－），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)槊芊饪煽啃裕珽-mail:fengh@weichai.com。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3503205）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.036