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.廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006；2.深圳職業技術學院汽車與交通學院，廣東 深圳 518055)

據統計，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。《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 17691—2018)新增了車輛實際道路行駛排放(RDE)測試要求，規定了粒子數量(PN)排放限值。實際道路運行工況的多變性與駕駛習慣的差異等帶來排放的不確定性。HUANG等[2]、SAARI等[3]研究認為，駕駛激烈程度、負荷、道路坡度等均對柴油車輛顆粒物排放產生影響。RDE測試要求對顆粒物排放控制技術提出了更高要求。柴油機顆粒捕集器(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導致發動機排氣背壓增大，排放性能等惡化[5]，因此沉積的顆粒物需不斷被氧化燃燒，呈氣態或細小的顆粒物狀排出，謂之DPF再生。再生期間，細小的顆粒物排出怎樣影響PN的RDE測試，引起了關注。張俊等[6]研究了柴油機DPF噴油主動再生技術對PN排放的影響，發現再生期間PN排放增大。R’MILI等[7]也得出類似結論。孟忠偉等[8]研究了外加熱源主動再生技術對DPF再生時PN排放的影響，發現再生初期PN排放增加。YOON等[9]發現，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]研究發現，DPF主動再生過程中揮發性有機物大量增加。當前對PN排放特性的研究大多基于室內臺架、穩態工況，對柴油車實際道路行駛瞬態工況下PN排放特性，尤其對實際道路行駛中DPF再生期間PN排放規律了解甚少，其原因有實際道路運行工況不確定性與顆粒物車載排放測試系統(PEMS)的復雜性等。本研究以匹配DPF的重型柴油貨車為對象，依照國Ⅵ排放標準的RDE測試規范，采用先進的PEMS開展整車實際道路運行顆粒物排放測試，研究車輛實際道路運行工況等與PN排放關系，測試DPF對顆粒物的凈化率，探究DPF再生對PN排放的影響。研究成果可為開發精細的顆粒物排放控制技術提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗樣車

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

表1 整車與發動機技術參數

1.2 試驗設備

采用美國Sensors公司的SEMTECH-CPN顆粒物數量測量裝置進行車輛實際運行排放車載測試，該設備滿足實驗室級別的精度標準要求，具有排氣流量和排氣溫度測量模塊，能讀取發動機的轉速、扭矩，具有燃油消耗率等參數的車載診斷系統模塊、記錄時間與車速等信息的全球定位系統模塊及采用凝結核粒子計數原理測量PN的測量模塊等。

1.3 試驗方法

參考重型柴油車國Ⅵ標準的RDE測試規范，依據車輛行駛平均速度選擇了市區路(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路線(見圖1)。先從位于深圳南山區的市區路出發，最后經廣深沿江高速S3到廣州黃埔區黃埔收費站終止，往返連續行駛進行測試。市郊路試驗部分時段選擇在高速路上進行，通過控制車速模擬市郊路工況。

圖1 試驗路線Fig.1 Test route

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

2 結果與分析

2.1 原機和捕集狀態下PN排放與運行工況關系

2.1.1 PN排放速率與燃油消耗率的關系

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，原機與捕集狀態下PN排放速率均呈線性增加趨勢，但捕集狀態PN排放速率較原機狀態低近2個數量級。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系Fig.2 Relationship between PN emission rate and fuel consumption rate

2.1.2 PN排放速率與發動機工況的關系

由圖3可見，發動機的轉速分布在600～1 800 r/min，扭矩分布在0～800 N·m，發動機主要工作在中低轉速區，扭矩覆蓋范圍較寬廣。

圖3 發動機運行工況散點圖Fig.3 The scatter diagram of engine operating conditions

將發動機的轉速測試數據劃分為若干區間，統計各主要工況區間PN平均排放速率，結果見圖4。原機狀態下，PN排放速率在1011數量級附近，高PN排放區位于發動機中高轉速、大扭矩工況區。發動機的扭矩、轉速增加，對應的循環供油量增加，顆粒物生成增多，因此PN排放速率隨扭矩、轉速的增加基本呈增大的趨勢。捕集狀態下，PN排放速率最高在109數量級，較原機狀態低了近2個數量級，說明DPF對PN的凈化率非常高，達99%以上。

圖4 PN排放速率與轉速、扭矩的關系Fig.4 Relationship between PN emission rate and engine speed，torque

捕集狀態下，≤1 200 r/min時，PN排放速率隨轉速增大的梯度不及原機明顯，其原因在于有DPF時的PN排放取決于發動機燃燒生成量與DPF凈化量。因DPF對PN有99%以上的凈化率，轉速升高導致的PN生成增加量在低速區基本被DPF凈化，故PN排放速率隨轉速增加不明顯。但>1 200 r/min時，轉速進一步增大導致DPF空速增大，擴散捕集效率有所降低，PN排放速率隨轉速增大變得明顯。同樣，由于DPF高的凈化率，導致PN排放速率隨扭矩增大的增幅不及原機狀態明顯。

2.1.3 車輛行駛工況對PN排放的影響

車速和PN排放濃度隨時間的變化見圖5。原機狀態下，PN排放濃度主要在106～107#/cm3。低于50 km/h時，車速波動頻繁，PN排放濃度波動也大；高于60 km/h時，車速變平穩，PN排放濃度也相對穩定。低于50 km/h基本屬于市區路路況，因交通不夠順暢，頻繁加減速，容易出現急加減速工況，噴油量增減頻繁，燃燒不穩定，導致PN排放波動較大。60～80 km/h區域為市郊路與高速路路況，車流順暢，車速較穩定，發動機運行工況較穩定，故PN排放變化較穩定。

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

原機與捕集狀態下車速曲線基本相同，說明運行工況類似，但PN排放濃度差異較大，捕集狀態下的PN排放濃度較原機狀態約低2個數量級。捕集狀態下，低于70 km/h區域，PN排放濃度低且變化不大；高于70 km/h區域，PN排放濃度出現了3個波峰(見圖5(b))，波峰①、②出現在加速階段，波峰③出現在急減速階段。波峰①、②產生原因有2個：(1)加速噴油量增大，PN生成量增大；(2)加速瞬時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，形成短暫反向負壓從DPF中逸出，導致PN排放濃度增大，這與陳熊等[11]的研究結果相符。

PN排放速率與車速、加速度的關系見圖6。原機和捕集狀態下，隨車速增大，PN排放速率總體均呈增大趨勢。分析認為車速增大，需求功率增加，相應發動機燃油消耗率增大，PN生成量增大。在中高車速、急加減速下出現一些較高PN排放速率點，原因同3個波峰的形成原因。原機狀態下，在低車速、較大加減速下存在較大的PN排放速率點，而捕集狀態下，高的PN排放速率主要集中在中高車速區，但PN排放速率遠低于原機狀態。

圖6 PN排放速率與車速、加速度的關系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系

由圖7可見，原機狀態下，PN排放濃度在0～200 kg/h時稍低，>200 kg/h時變化不明顯。捕集狀態下，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DPF時因佩克萊特數增大，擴散捕集效率降低，導致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，%)以原機排放為基準，按式(1)計算得出。

(1)

式中：N0和Na分別為原機與捕集狀態下的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，認為主要原因為車速增大，DPF空速增大，DPF對顆粒物的擴散捕集效率下降，導致凈化率降低。

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 再生狀態下PN排放特性

測試車輛完成一個從市區經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、連續運行約50 min，DPF可發生噴油主動再生事件。根據瞬時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確定為再生起點，將燃油消耗率降低到正常曲線點作為再生終點，起點與終點之間構成再生期，可見再生期時長約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個階段。

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

圖9 3種狀態下PN排放濃度隨時間的變化Fig.9 Variation of PN emission concentration with time in three states

兩次再生試驗分別稱為Test1、Test2。由圖10可見，再生期間，PN排放濃度與原機狀態接近，明顯高于再生前，是再生前的40～100倍。分析有3個方面原因：(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，導致DPF對顆粒物的過濾效率降低，同施蘊曦等[12]研究結果；(2)再生時，DPF中沉積的顆粒物因燃燒產生較多的小粒徑粒子逸出，導致PN排放顯著增多，與文獻[13]、[14]的研究結果相同；(3)噴油主動再生，導致燃燒產生的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接近原機狀態下高的PN排放水平，會明顯加大顆粒物排放，采取相關技術控制再生期間高的顆粒物排放問題十分必要。

3 結 論

(1) PN排放速率與燃油消耗速率呈線性關系，隨發動機的轉速、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排放濃度遠高于未再生時段，接近未匹配DPF時的排放濃度。再生后，DPF恢復捕集效能同再生前。再生時長約1 300 s。