部分流顆粒捕集器效率及對發(fā)動機性能的影響

部分流顆粒捕集器效率及對發(fā)動機性能的影響

孫俊，馬志豪，李智博，朱宇東

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

摘要：顆粒捕集技術(shù)是降低柴油機顆粒物排放的最有效的手段之一，但是加裝部分流顆粒捕集器后會對柴油機的性能產(chǎn)生一定影響。本試驗在發(fā)動機臺架上進行了柴油機的歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)測試，隨著捕集器內(nèi)沉積顆粒物的增多，分析了捕集效率對柴油機排氣背壓、燃油經(jīng)濟性以及排放特性的影響。試驗結(jié)果表明：加裝部分流顆粒捕集器后柴油機NOX 排放變化不明顯，但是隨著沉積顆粒物的增多，最終燃油消耗率增加4%左右，排氣背壓上升約9 kPa。

關(guān)鍵詞：柴油機；部分流顆粒捕集器；歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)測試；捕集效率

基金項目：河南省自然科學(xué)基金項目(092300410125);汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室項目(KF11161)

作者簡介：孫俊(1988-),男,河南洛陽人,碩士生;馬志豪(1965-),男,通信作者,回族,河南洛陽人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為內(nèi)燃機燃燒與污染物排放控制.

收稿日期：2014-09-01

文章編號：1672-6871(2015)01-0034-05

中圖分類號：TK421.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

近年來，柴油機憑借其良好的動力性能而被廣泛應(yīng)用。但是柴油機排放的氣體中CO是有毒氣體，HC和NOX可導(dǎo)致光化學(xué)煙霧以及酸雨的形成[1]，柴油車排放的顆粒物(PM)如被人體吸入將會對健康造成極大的危害[2]。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，采用高壓電控噴射、進氣增壓技術(shù)、廢氣再循環(huán)、進氣中冷等機內(nèi)凈化技術(shù)[3-4]的同時，還必須增加后處理技術(shù)才能使其排放達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，這充分說明了柴油機后處理技術(shù)的重要性。柴油機微粒捕集技術(shù)是目前國際上公認(rèn)的最為有效和最簡單的柴油機排氣微粒后處理技術(shù)，也是目前國際上商用前景最好的排氣微粒后處理技術(shù)[5-6]。

微粒捕集器(DPF)捕捉一定量碳煙顆粒后，在捕捉器微孔表面將形成PM層或可稱為“Soot Cake”[7]，這將會大大地加強微粒捕集器的凈化效率。當(dāng)PM層過厚時會使排氣背壓升高，影響到發(fā)動機經(jīng)濟性，此時需更換微粒捕集器或再生處理[8]。國內(nèi)外研究機構(gòu)對DPF性能評價測試方法做了許多研究[9-11]，但是針對隨DPF沉積顆粒物質(zhì)量的增加，發(fā)動機性能及排放特性變化的研究還有所不足。本試驗主要通過在柴油機上加裝一款部分流顆粒捕集器后，研究隨著DPF上沉積顆粒物質(zhì)量的增加，發(fā)動機油耗、排氣背壓、煙度、PM以及DPF過濾效率的變化規(guī)律。

部分流顆粒捕集器工作原理是：當(dāng)工作時，發(fā)動機尾氣從入口進入顆粒捕集器，大部分氣流流過過濾介質(zhì)，顆粒物被捕集在平板氈和波形氈的表面；部分氣流直接通過平板氈的小孔排出，從而形成部分流過濾器。加裝DPF后，由于過濾介質(zhì)的阻力將導(dǎo)致柴油機的排氣背壓增大，這也將直接影響到柴油機的性能。

1試驗裝置和研究方法

本試驗使用的發(fā)動機為長城綠靜GW4D20直列四缸、增壓中冷柴油機。試驗使用的部分流顆粒捕集器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。主要試驗設(shè)備儀器如表1所示，試驗臺架如圖2所示。

圖1　部分流顆粒捕集器結(jié)構(gòu)示意圖

表1　試驗用設(shè)備儀器

圖2　試驗臺架示意圖

歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)試驗是在規(guī)定試驗循環(huán)的每個工況下，從經(jīng)過預(yù)熱的發(fā)動機排氣中直接取樣，并連續(xù)測量。在每個工況運行中，測量每種氣態(tài)污染物的濃度、發(fā)動機的排氣流量和輸出功率，將測量值進行加權(quán)，計算每種污染物的克每千瓦時的比排放量。按照GB17691—2005中ESC循環(huán)試驗的規(guī)定[12]，經(jīng)計算得出ESC循環(huán)13工況點，如表2所示。表2中，idle表示怠速狀態(tài)；A、B、C分別代表ESC循環(huán)低、中、高3種轉(zhuǎn)速；25、50、75、100指發(fā)動機某一轉(zhuǎn)速下可得到最大扭矩的百分比。

表2　ESC循環(huán)13工況點

首先對原機進行1組ESC循環(huán)測試；然后，在發(fā)動機排氣管上加裝一款部分流顆粒捕集器；再進行8組ESC循環(huán)測試。記錄各個工況下發(fā)動機排氣背壓、燃油消耗、排氣溫度、氣體排放，顆粒按照國家排放標(biāo)準(zhǔn)(GB17691—2005)進行收集。根據(jù)對比原機及加上DPF情況下收集顆粒物質(zhì)量，計算可得出每循環(huán)的DPF效率以及沉積在DPF上的顆粒質(zhì)量。

2試驗結(jié)果與分析

2.1　顆粒沉積質(zhì)量

表3為柴油機上加裝DPF后進行8組ESC循環(huán)，每組循環(huán)后測量累積沉積在DPF上的顆粒物質(zhì)量。8組循環(huán)依次按照DPF-1、DPF-2、…、DPF-8表示。由表3可以看出：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，沉積在DPF上的顆粒質(zhì)量幾乎呈線性增加。這必將導(dǎo)致排氣背壓的升高，從而影響發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒過程。

表3　DPF累積顆粒質(zhì)量

2.2　DPF對柴油機排氣背壓及經(jīng)濟性的影響

DPF的壓力損失主要包括摩擦阻力損失、透過壓力損失和出口壓力損失。其中，摩擦損失和透過壓力損失是DPF壓力損失的主要因素，DPF壓力損失將直接導(dǎo)致柴油機排氣背壓升高，因此，柴油機的經(jīng)濟性將會有所下降。各組ESC循環(huán)排氣背壓變化情況如圖3所示。由圖3可以看出：隨DPF沉積顆粒量的增加，發(fā)動機排氣背壓整體上升，且逐步穩(wěn)定在比原機大9 kPa左右狀態(tài)。這主要是由于附著在DPF上的顆粒物不斷增多，氣體流過DPF時摩擦阻力、透過壓力損失也將增大，這就導(dǎo)致了發(fā)動機排氣壓力不斷升高。通過圖3還能發(fā)現(xiàn)：同一轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷的增大排氣壓力也增大(即C100>C75>C50>C25),這是由于轉(zhuǎn)速不變，隨負(fù)荷的提高排溫也將升高，排氣壓力也隨之上升；相同負(fù)荷下，隨轉(zhuǎn)速的增加排氣壓力也不斷增加(即C100>B100>A100)，這主要是由于隨著轉(zhuǎn)速增大，排氣流速增大，DPF摩擦阻力損失增大。

圖3　排氣背壓的對比

為方便對比研究，本文取原機、DPF-3以及DPF-8這3組循環(huán)的油耗進行對比，如圖4所示。從圖4可以看出：相同轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷的增加，燃油消耗率逐步下降(即C25>C50>C75>C100)，這說明高負(fù)荷下，燃油燃燒熱效率高；隨著DPF上沉積顆粒質(zhì)量的增多，DPF-8比原機燃油消耗率增大約4%，這主要是由于隨排氣背壓增加，燃燒室內(nèi)殘余的廢氣量增多，燃料燃燒熱效率下降，故油耗量增大。

圖4　燃油消耗率對比

2.3　DPF對NO x、煙度及PM排放的影響

由于柴油機的CO和HC排放量極低，所以這里僅對柴油機的兩項主要污染物NOX和PM加以討論。

2.3.1NOX排放

為方便對比，本文取原機、DPF-2、DPF-5、DPF-8這4組ESC循環(huán)，對比各工況下尾氣中NOX的濃度，如圖5所示。從圖5中可以看出：同一轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷的增加，NOX的排放升高(即C100>C75>C50>C25)。這主要是由于隨負(fù)荷的增大，可燃混合氣的平均空燃比減小，缸內(nèi)溫度和燃燒壓力升高，有利于NOX的形成。在相同負(fù)荷下，隨轉(zhuǎn)速的升高，NOX排放也升高，這是因為轉(zhuǎn)速升高，燃燒室中過量空氣系數(shù)減小而導(dǎo)致燃燒惡化，使得缸內(nèi)溫度升高，NOX排放也升高。隨著DPF上沉積的顆粒質(zhì)量增加，尾氣管道排氣背壓增大，這相當(dāng)于廢氣再循環(huán)的作用，降低了缸內(nèi)混合氣含氧量而且增大了缸內(nèi)混合氣比熱容，這在一定程度上抑制了NOX的形成。所以加裝DPF后NOX的生成受到以上各因素的相互制約。表4為各循環(huán)NOX的排放情況。從表4中可以看出DPF總體上對發(fā)動機NOX的排放影響不大。

圖5　NO X排放

表4　NO X的循環(huán)排放量　g/(kW·h)

2.3.2排氣煙度

進氣溫度、負(fù)荷、過量空氣系數(shù)、燃料供給系統(tǒng)參數(shù)等都是影響排氣煙度的主要因素。柴油機碳煙顆粒物對人體健康有嚴(yán)重的危害，特別是碳煙中間產(chǎn)物多環(huán)芳香烴(PAHs)中含有致癌物質(zhì)，因此，各發(fā)達(dá)國家高度重視對發(fā)動機尾氣排放中煙度的要求[13]。柴油機排氣中的碳煙是在高溫缺氧條件下由燃料中的碳產(chǎn)生[14]，燃料中烴分子熱裂解氧化生成分子量較小的碳?xì)洌@些碳?xì)渑c較小的烷基組分以及其他芳香族組分進一步的脫氫和環(huán)化，形成單環(huán)和多環(huán)芳烴；多個粒子會積聚成直徑1～2 nm的碳核，其他氣相烴在碳核表面凝聚成直徑為10～30 nm的碳煙基元，最終聚集成0.1～10.0 μm的球狀或鏈狀碳煙顆粒。各工況煙度對比如圖6所示。

圖6　煙度對比

從圖6可以看出：加裝DPF后發(fā)動機各工況尾氣煙度均有明顯下降，隨著DPF上沉積顆粒的增多，尾氣煙度整體并未出現(xiàn)明顯變化。這主要是由于煙度的大小跟尾氣中顆粒物粒徑大小有關(guān)，加裝DPF后大粒徑的顆粒物被沉積在DPF上，尾氣中僅殘留部分小粒徑顆粒，所以測得的煙度明顯比原機的低。加裝DPF后隨DPF上沉積顆粒物的增加，DPF的孔徑會出現(xiàn)微小的變化，這將導(dǎo)致各工況所測得的煙度有所差異，但此差異不是特別明顯。

2.3.3PM排放

按照排放法規(guī)對各ESC循環(huán)顆粒物進行采集并計算質(zhì)量，可以得出各循環(huán)的PM排放情況，其結(jié)果如表5所示。從表5可以看出：DPF對PM的減排效果顯著，且隨DPF上沉積顆粒質(zhì)量的增多，過濾后的尾氣PM也趨于穩(wěn)定。

表5　PM的循環(huán)排放量　g/(kW·h)

2.4　DPF過濾效率

為了得出DPF的過濾效率，本試驗采用顆粒采集系統(tǒng)對顆粒物進行采集。試驗前至少1 h，將每張濾紙置于培養(yǎng)皿中，放入溫度和相對濕度分別為22 ℃和45%的稱量室中進行穩(wěn)定。穩(wěn)定后，稱量每張濾紙的凈質(zhì)量并記錄。試驗時將濾紙放入顆粒物取樣系統(tǒng)。試驗結(jié)束后，待濾紙在環(huán)境倉穩(wěn)定到規(guī)定溫濕度后再對其進行稱量，試驗前后濾紙質(zhì)量差值就是整個ESC循環(huán)顆粒采集系統(tǒng)收集的發(fā)動機排放的顆粒量。記錄各組ESC循環(huán)收集的顆粒質(zhì)量，根據(jù)式(1)計算出DPF的過濾效率：

η=(C0-C1)/C0，

(1)

式中：C0為原機按ESC循環(huán)在濾紙上收集的顆粒質(zhì)量；C1為加裝DPF后ESC循環(huán)收集的顆粒質(zhì)量。

表6為各循環(huán)DPF的過濾效率。由表6可以看出：前3個循環(huán)DPF的效率幾乎呈線性上升，到第4個循環(huán)后開始緩慢波動，可以認(rèn)為基本穩(wěn)定在45%。隨DPF上顆粒物沉積質(zhì)量的增加，DPF的效率也在不斷增加，并且隨著沉積質(zhì)量的繼續(xù)增加，DPF的效率趨于穩(wěn)定。這主要是由于隨著DPF沉積顆粒的增加，發(fā)動機排氣管道背壓有所上升，將導(dǎo)致排氣阻力增加，排氣速率降低，從而使得排溫增加，微粒布朗運動加劇，擴散加強，因此DPF過濾效率變大。隨著排氣背壓的穩(wěn)定，DPF的過濾效率也維持在一定水平。

表6　DPF過濾效率　%

3結(jié)論

(1)部分流顆粒捕集器能夠降低柴油機微粒物排放，且隨著DPF上顆粒物的沉積，過濾效率維持在45%左右。

(2)柴油機加裝DPF后排氣阻力和排氣溫度有所升高，這將導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，使油耗升高，柴油機經(jīng)濟性有所下降。

(3)柴油機加裝DPF后總體上對NOX的排放影響不大。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊正軍,王建海,鐘祥麟.國Ⅳ柴油車NO2排放特性研究[J].汽車技術(shù),2011(6):27-30.

[2]資新運.柴油機微粒捕捉器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].車用發(fā)動機,2000(2):1-4.

[3]GB20891—2007 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第Ⅰ、Ⅱ階段)[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2007.

[4]孫志強,段俊法,楊振中.二甲醚均質(zhì)充量與柴油噴射復(fù)合燃燒方式的發(fā)動機性能[J].河南科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,34(1):25-29.

[5]Walsh M P.Global Trends in Diesel Particulate Control-A 1998 Update[C]//SAE Technical Paper.1998.

[6]賴天貴.柴油機微粒捕集器流場研究及其優(yōu)化設(shè)計[D].長沙:湖南大學(xué),2005.

[7]Yang J,Stewart M,Maupin G,et al.Single Wall Diesel Particulate Filter (DPF) Filtration Efficiency Studies Using Laboratory Generated Particles[J].Chemical Engineering Science,2009,64(8):1625-1634.

[8]王逢瑚,郭秀榮,馬巖,等.柴油車尾氣微粒捕集器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2010(1):92-96.

[9]Cunningham P J,Meckl P H.Measuring Particulate Load in a Diesel Particulate Filter[C]//SAE Technical Paper.2006.

[10]Dabhoiwala R H,Johnson J H,Naber J D.Experimental Study Comparing Particle Size and Mass Concentration Data for a Cracked and Un-Cracked Diesel Particulate Filter[C]//SAE Technical Paper.2009.

[11]Ishizawa T,Yamane H,Sato H,et al.IP Filter with DOC-Integrated DPF for an Advanced PM Aftertreatment System(1):A Preliminary Evaluation[C]//SAE Technical Paper.2007.

[12]GB17691—2005 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

[13]鞠洪玲,成曉北,陳亮,等.柴油機燃燒中多環(huán)芳香烴及碳煙的形成與演化的研究[J].內(nèi)燃機工程,2012(3):26-32.

[14]Szybist J P,Boehman A L,Taylor J D,et al.Evaluation of Formulation Strategies to Eliminate the Biodiesel NOXEffect[J].Fuel Processing Technology,2005,86(10):1109-1126.