柴油機顆粒數(shù)量排放特性研究

谷雨，宮寶利，徐輝，張謙益

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

柴油機具有熱效率高、經(jīng)濟性好、動力性強等優(yōu)點，被全世界機動車廣泛應用。隨著我國機動車保有量的逐年增加，移動源尾氣污染已成為不可忽視的環(huán)節(jié)。近年來，霧霾現(xiàn)象在全國各地日益嚴重，作為單機顆粒物排放量更大的柴油機需要更加嚴格的控制監(jiān)管。2018年6月22日國家發(fā)布了《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，并于2021年7月1日正式實施重型柴油車國六排放標準。在以往的研究中，諸多學者對內(nèi)燃機顆粒物排放進行了不同領(lǐng)域的研究。李新令等對柴油機排氣顆粒粒徑分布進行詳細的研究，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。孟忠偉等對柴油機DPF主動再生中的顆粒排放特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)高碳載量時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顆粒物總數(shù)量濃度有一定影響。侯獻軍等對汽油、CNG兩用燃料發(fā)動機的顆粒物排放特性進行了研究，重點分析了進氣壓力對兩種燃料的顆粒物排放影響。王小臣等則重點研究了DOC對柴油機顆粒物排放粒徑分布的影響。

重型柴油車國六排放標準不僅對顆粒質(zhì)量進行限制，同時也將顆粒數(shù)量PN(Particle Number)納入了監(jiān)管范圍。本研究通過設(shè)計一系列發(fā)動機臺架試驗，分析柴油機轉(zhuǎn)速、負荷、EGR率、負荷加載、DOC、CDPF碳載量、環(huán)境溫度等條件對柴油機PN排放的影響，對國六柴油機PN 原機排放開發(fā)標定、后處理選型及開發(fā)標定有重要指導作用，為控制PN排放的發(fā)動機臺架開發(fā)研究工作提供一定的理論參考。

1 試驗裝置和方案

1.1 試驗裝置

試驗選用1臺滿足GB 17691—2018標準國六b階段的柴油機作為試驗對象，發(fā)動機和后處理裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗使用HORIBA LI250測功系統(tǒng)進行發(fā)動機臺架試驗，配備全流稀釋排放分析系統(tǒng)，對發(fā)動機排氣進行二級稀釋后，通過采樣濾紙稱重計算顆粒物質(zhì)量，采用MEXA-2000SPCS顆粒計數(shù)器對PN進行測量，同時通過標定工具INCA系統(tǒng)與發(fā)動機ECU進行數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理。試驗采用國六標準要求的基準燃油和低溫用基準燃油。試驗裝置見圖1。

表1 發(fā)動機和后處理裝置主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗裝置

1.2 試驗方案

根據(jù)發(fā)動機開發(fā)流程，應該先進行柴油機原機排放標定開發(fā)，然后再做后處理選型配合標定，因此本次試驗按照柴油機在原始排放以及攜帶后處理裝置的兩種情況下，對PN排放的特性規(guī)律進行研究，試驗方案如下：

1) 在相同負荷下研究轉(zhuǎn)速對發(fā)動機本體PN排放的影響；在相同轉(zhuǎn)速下研究負荷對發(fā)動機本體PN排放的影響；

2) 在固定轉(zhuǎn)速和負荷下，研究EGR率對發(fā)動機本體PN排放的影響；

3) 在固定轉(zhuǎn)速下，研究瞬態(tài)負荷加載對發(fā)動機本體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PN排放的影響。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷對PN的影響

為獲得單一變量結(jié)果，消除后處理催化器對PN排放結(jié)果的影響，試驗時拆除所有后處理催化器，僅測試發(fā)動機本體排放。選取發(fā)動機較為典型的3個轉(zhuǎn)速進行測試，其中1 200 r/min為發(fā)動機低速暖機轉(zhuǎn)速，1 800 r/min為發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速，2 800 r/min為發(fā)動機最大功率轉(zhuǎn)速。

圖2示出在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷下測試的結(jié)果。可以看出，在40%以下的低負荷區(qū)域，隨著柴油機負荷增加，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。但隨著負荷繼續(xù)增加，噴油量也持續(xù)增加，柴油機缸內(nèi)混合氣均勻性變差，導致局部燃燒惡化，顆粒物數(shù)量濃度迅速上升。在發(fā)動機外特性下，1 200 r/min時的顆粒物數(shù)量濃度為475.2 個/cm，扭矩點顆粒物數(shù)量濃度為769.6個/cm，而標定點的顆粒物數(shù)量濃度達到了1 107.2個/cm，相較于20%負荷顆粒濃度的增幅分別達到了261.6%，335.6%，356.6%。

圖2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷對PN的影響

發(fā)動機轉(zhuǎn)速同樣對顆粒物數(shù)量濃度起到了正向影響作用，相同負荷下隨著轉(zhuǎn)速的增加，噴油脈寬也加大，噴油持續(xù)期延長，顆粒物數(shù)量濃度同時增加。隨著負荷的增加，轉(zhuǎn)速對顆粒物數(shù)量濃度的影響逐漸變大。可以看到在20%負荷下，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PN的影響

廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)可有效降低柴油機NO排放，是目前國內(nèi)外柴油機普遍采用的排放控制技術(shù)，但是EGR的使用會不同程度地影響缸內(nèi)燃燒。在1 800 r/min，60%負荷工況下，通過INCA標定電腦控制EGR開度，獲得所需的EGR率。從圖3可以看出，當EGR率為10%的時候，燃油消耗率僅為197.3 g/(kW·h)，顆粒物數(shù)量濃度為253.1 個/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/cm，增幅為116.3%。

圖3 EGR率對PN的影響

這是因為隨著EGR率增大，泵氣損失持續(xù)增加，同時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，缸內(nèi)燃燒速率減慢，從而使燃油經(jīng)濟性不斷惡化，顆粒物數(shù)量濃度也會同時增加。可以看到當EGR率控制在16%以下時，燃油消耗率和顆粒數(shù)量濃度增加較為緩慢，而當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 負荷加載對PN的影響

圖4示出負荷加載的操作過程，發(fā)動機分別在1 200 r/min，1 800 r/min，2 800 r/min轉(zhuǎn)速下，以1 s的過渡時間，從20%負荷加載到100%負荷，隨后穩(wěn)定在100%負荷運行4 s。由圖可知，雖然測功機設(shè)置的過渡工況時間是1 s，但是由于渦輪增壓系統(tǒng)的遲滯效應，3個轉(zhuǎn)速下的峰值都出現(xiàn)在2 s附近。在100%負荷下顆粒物數(shù)量濃度峰值分別為645.4 個/cm，849.9 個/cm，1 346.2 個/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)。這是因為在負荷瞬態(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，柴油機缸內(nèi)進氣量更少，瞬態(tài)的負荷加載所導致的空燃比下降會更加突出，顆粒數(shù)量濃度的增幅也會更大。

圖4 負荷加載對PN的影響

2.4 DOC對PN的影響

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

圖5 DOC對PN的影響

2.5 CDPF碳載量對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)腔載體同時涂覆貴金屬層增加附著顆粒的被動再生能力，在運行一定周期后，還將通過缸內(nèi)后噴進行主動再生。試驗采用INCA標定電腦對以壓差、時間、溫度等參數(shù)建立的碳載量模型進行實時監(jiān)控。

在通過發(fā)動機大負荷工況運行后，CDPF碳載量模型值基本歸0。然后以1 200 r/min，該轉(zhuǎn)速下40%負荷的工況開始運行，從圖6可以看出，此時顆粒數(shù)量濃度為99.3 個/cm。隨著碳載量的逐漸增加，顆粒物數(shù)量濃度持續(xù)下降，當碳載量小于9 g時，碳載量對顆粒物數(shù)量濃度的影響較大，當碳載量超過9 g以后，顆粒物數(shù)量濃度的減小趨勢趨于平緩。CDPF的顆粒處理方式為物理捕集，每個獨立內(nèi)腔壁面的孔隙會持續(xù)不斷地過濾掉尾氣中的碳顆粒，而被“捕集”的碳顆粒會逐漸將每個內(nèi)腔壁面的孔隙堵塞，從而使得碳顆粒愈發(fā)難以通過CDPF，這也是日常運行過程中CDPF主動再生后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的時候呈現(xiàn)反向升高現(xiàn)象，這是因為CDPF載體上的碳顆粒附著狀態(tài)一直處于動態(tài)的氣流變化下，隨著附著的碳顆粒累積量變大，一些大粒徑顆粒會隨著發(fā)動機運行偶發(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，但實際顆粒數(shù)量卻沒有增加的情況。

圖6 CDPF碳載量對PN的影響

2.6 環(huán)境溫度對PN的影響

在3種環(huán)境溫度下，以碳載量3 g為起點，持續(xù)以發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 200 r/min，該轉(zhuǎn)速下40%負荷的工況運行2 h，在不進行排氣管和后處理催化器保溫包裹的情況下進行測試：

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

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

3) 低溫環(huán)境 將發(fā)動機更換至低溫試驗倉，試驗室環(huán)境溫度控制在-7 ℃。

從圖7可以看出，在3種環(huán)境溫度下，隨著低速中負荷的累碳工況持續(xù)運行，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)境溫度對碳載量的累積速率影響較大，在2 h的累碳工況運行下，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PN的影響

同樣以碳載量模型3 g為起點，按照GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，分別在3種環(huán)境溫度下進行WHTC(世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán))測試。由表2的試驗結(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測試結(jié)果

這是因為當CDPF載體處于250 ℃以上時，被動再生激活，隨著CDPF載體溫度升高，被動再生作用會持續(xù)增強。在沒有進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外殼進行著更加激烈的熱交換反應，從而導致CDPF內(nèi)部載體熱量損失，減弱了被動再生作用，同時也影響了顆粒數(shù)量濃度的趨勢。

3 結(jié)論

a) 在不攜帶后處理催化器的情況下，柴油機本體PN排放量隨著柴油機轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨著柴油機負荷的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；高速高負荷仍然是PN高排放區(qū)域，柴油機原機排放標定開發(fā)時應當重點應對；

b) EGR率的增加會導致缸內(nèi)燃燒惡化，油耗和PN排放量也會隨之增大，在開發(fā)過程中應當控制合適的EGR率以平衡發(fā)動機原機排放中的PN和NO；

c) 瞬態(tài)負荷加載會因空燃比驟然減小導致PN短時間出現(xiàn)峰值，為應對國六瞬態(tài)排放測試循環(huán)，在開發(fā)過程中應提高工況突變情況下的標定精度；

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

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

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