部分流颗粒捕集器效率及对发动机性能的影响

部分流颗粒捕集器效率及对发动机性能的影响

孙俊，马志豪，李智博，朱宇东

(河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003)

摘要：颗粒捕集技术是降低柴油机颗粒物排放的最有效的手段之一，但是加装部分流颗粒捕集器后会对柴油机的性能产生一定影响。本试验在发动机台架上进行了柴油机的欧洲稳态循环(ESC)测试，随着捕集器内沉积颗粒物的增多，分析了捕集效率对柴油机排气背压、燃油经济性以及排放特性的影响。试验结果表明：加装部分流颗粒捕集器后柴油机NOX 排放变化不明显，但是随着沉积颗粒物的增多，最终燃油消耗率增加4%左右，排气背压上升约9 kPa。

关键词：柴油机；部分流颗粒捕集器；欧洲稳态循环测试；捕集效率

基金项目：河南省自然科学基金项目(092300410125);汽车安全与节能国家重点实验室项目(KF11161)

作者简介：孙俊(1988-),男,河南洛阳人,硕士生;马志豪(1965-),男,通信作者,回族,河南洛阳人,教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为内燃机燃烧与污染物排放控制.

收稿日期：2014-09-01

文章编号：1672-6871(2015)01-0034-05

中图分类号：TK421.5

文献标志码：A

0引言

近年来，柴油机凭借其良好的动力性能而被广泛应用。但是柴油机排放的气体中CO是有毒气体，HC和NOX可导致光化学烟雾以及酸雨的形成[1]，柴油车排放的颗粒物(PM)如被人体吸入将会对健康造成极大的危害[2]。随着排放法规的日益严格，采用高压电控喷射、进气增压技术、废气再循环、进气中冷等机内净化技术[3-4]的同时，还必须增加后处理技术才能使其排放达到国家标准，这充分说明了柴油机后处理技术的重要性。柴油机微粒捕集技术是目前国际上公认的最为有效和最简单的柴油机排气微粒后处理技术，也是目前国际上商用前景最好的排气微粒后处理技术[5-6]。

微粒捕集器(DPF)捕捉一定量碳烟颗粒后，在捕捉器微孔表面将形成PM层或可称为“Soot Cake”[7]，这将会大大地加强微粒捕集器的净化效率。当PM层过厚时会使排气背压升高，影响到发动机经济性，此时需更换微粒捕集器或再生处理[8]。国内外研究机构对DPF性能评价测试方法做了许多研究[9-11]，但是针对随DPF沉积颗粒物质量的增加，发动机性能及排放特性变化的研究还有所不足。本试验主要通过在柴油机上加装一款部分流颗粒捕集器后，研究随着DPF上沉积颗粒物质量的增加，发动机油耗、排气背压、烟度、PM以及DPF过滤效率的变化规律。

部分流颗粒捕集器工作原理是：当工作时，发动机尾气从入口进入颗粒捕集器，大部分气流流过过滤介质，颗粒物被捕集在平板毡和波形毡的表面；部分气流直接通过平板毡的小孔排出，从而形成部分流过滤器。加装DPF后，由于过滤介质的阻力将导致柴油机的排气背压增大，这也将直接影响到柴油机的性能。

1试验装置和研究方法

本试验使用的发动机为长城绿静GW4D20直列四缸、增压中冷柴油机。试验使用的部分流颗粒捕集器结构示意图，如图1所示。主要试验设备仪器如表1所示，试验台架如图2所示。

图1　部分流颗粒捕集器结构示意图

表1　试验用设备仪器

图2　试验台架示意图

欧洲稳态循环(ESC)试验是在规定试验循环的每个工况下，从经过预热的发动机排气中直接取样，并连续测量。在每个工况运行中，测量每种气态污染物的浓度、发动机的排气流量和输出功率，将测量值进行加权，计算每种污染物的克每千瓦时的比排放量。按照GB17691—2005中ESC循环试验的规定[12]，经计算得出ESC循环13工况点，如表2所示。表2中，idle表示怠速状态；A、B、C分别代表ESC循环低、中、高3种转速；25、50、75、100指发动机某一转速下可得到最大扭矩的百分比。

表2　ESC循环13工况点

首先对原机进行1组ESC循环测试；然后，在发动机排气管上加装一款部分流颗粒捕集器；再进行8组ESC循环测试。记录各个工况下发动机排气背压、燃油消耗、排气温度、气体排放，颗粒按照国家排放标准(GB17691—2005)进行收集。根据对比原机及加上DPF情况下收集颗粒物质量，计算可得出每循环的DPF效率以及沉积在DPF上的颗粒质量。

2试验结果与分析

2.1　颗粒沉积质量

表3为柴油机上加装DPF后进行8组ESC循环，每组循环后测量累积沉积在DPF上的颗粒物质量。8组循环依次按照DPF-1、DPF-2、…、DPF-8表示。由表3可以看出：随着循环次数的增加，沉积在DPF上的颗粒质量几乎呈线性增加。这必将导致排气背压的升高，从而影响发动机缸内的燃烧过程。

表3　DPF累积颗粒质量

2.2　DPF对柴油机排气背压及经济性的影响

DPF的压力损失主要包括摩擦阻力损失、透过压力损失和出口压力损失。其中，摩擦损失和透过压力损失是DPF压力损失的主要因素，DPF压力损失将直接导致柴油机排气背压升高，因此，柴油机的经济性将会有所下降。各组ESC循环排气背压变化情况如图3所示。由图3可以看出：随DPF沉积颗粒量的增加，发动机排气背压整体上升，且逐步稳定在比原机大9 kPa左右状态。这主要是由于附着在DPF上的颗粒物不断增多，气体流过DPF时摩擦阻力、透过压力损失也将增大，这就导致了发动机排气压力不断升高。通过图3还能发现：同一转速下，随负荷的增大排气压力也增大(即C100>C75>C50>C25),这是由于转速不变，随负荷的提高排温也将升高，排气压力也随之上升；相同负荷下，随转速的增加排气压力也不断增加(即C100>B100>A100)，这主要是由于随着转速增大，排气流速增大，DPF摩擦阻力损失增大。

图3　排气背压的对比

为方便对比研究，本文取原机、DPF-3以及DPF-8这3组循环的油耗进行对比，如图4所示。从图4可以看出：相同转速下，随负荷的增加，燃油消耗率逐步下降(即C25>C50>C75>C100)，这说明高负荷下，燃油燃烧热效率高；随着DPF上沉积颗粒质量的增多，DPF-8比原机燃油消耗率增大约4%，这主要是由于随排气背压增加，燃烧室内残余的废气量增多，燃料燃烧热效率下降，故油耗量增大。

图4　燃油消耗率对比

2.3　DPF对NO x、烟度及PM排放的影响

由于柴油机的CO和HC排放量极低，所以这里仅对柴油机的两项主要污染物NOX和PM加以讨论。

2.3.1NOX排放

为方便对比，本文取原机、DPF-2、DPF-5、DPF-8这4组ESC循环，对比各工况下尾气中NOX的浓度，如图5所示。从图5中可以看出：同一转速下，随负荷的增加，NOX的排放升高(即C100>C75>C50>C25)。这主要是由于随负荷的增大，可燃混合气的平均空燃比减小，缸内温度和燃烧压力升高，有利于NOX的形成。在相同负荷下，随转速的升高，NOX排放也升高，这是因为转速升高，燃烧室中过量空气系数减小而导致燃烧恶化，使得缸内温度升高，NOX排放也升高。随着DPF上沉积的颗粒质量增加，尾气管道排气背压增大，这相当于废气再循环的作用，降低了缸内混合气含氧量而且增大了缸内混合气比热容，这在一定程度上抑制了NOX的形成。所以加装DPF后NOX的生成受到以上各因素的相互制约。表4为各循环NOX的排放情况。从表4中可以看出DPF总体上对发动机NOX的排放影响不大。

图5　NO X排放

表4　NO X的循环排放量　g/(kW·h)

2.3.2排气烟度

进气温度、负荷、过量空气系数、燃料供给系统参数等都是影响排气烟度的主要因素。柴油机碳烟颗粒物对人体健康有严重的危害，特别是碳烟中间产物多环芳香烃(PAHs)中含有致癌物质，因此，各发达国家高度重视对发动机尾气排放中烟度的要求[13]。柴油机排气中的碳烟是在高温缺氧条件下由燃料中的碳产生[14]，燃料中烃分子热裂解氧化生成分子量较小的碳氢，这些碳氢与较小的烷基组分以及其他芳香族组分进一步的脱氢和环化，形成单环和多环芳烃；多个粒子会积聚成直径1～2 nm的碳核，其他气相烃在碳核表面凝聚成直径为10～30 nm的碳烟基元，最终聚集成0.1～10.0 μm的球状或链状碳烟颗粒。各工况烟度对比如图6所示。

图6　烟度对比

从图6可以看出：加装DPF后发动机各工况尾气烟度均有明显下降，随着DPF上沉积颗粒的增多，尾气烟度整体并未出现明显变化。这主要是由于烟度的大小跟尾气中颗粒物粒径大小有关，加装DPF后大粒径的颗粒物被沉积在DPF上，尾气中仅残留部分小粒径颗粒，所以测得的烟度明显比原机的低。加装DPF后随DPF上沉积颗粒物的增加，DPF的孔径会出现微小的变化，这将导致各工况所测得的烟度有所差异，但此差异不是特别明显。

2.3.3PM排放

按照排放法规对各ESC循环颗粒物进行采集并计算质量，可以得出各循环的PM排放情况，其结果如表5所示。从表5可以看出：DPF对PM的减排效果显著，且随DPF上沉积颗粒质量的增多，过滤后的尾气PM也趋于稳定。

表5　PM的循环排放量　g/(kW·h)

2.4　DPF过滤效率

为了得出DPF的过滤效率，本试验采用颗粒采集系统对颗粒物进行采集。试验前至少1 h，将每张滤纸置于培养皿中，放入温度和相对湿度分别为22 ℃和45%的称量室中进行稳定。稳定后，称量每张滤纸的净质量并记录。试验时将滤纸放入颗粒物取样系统。试验结束后，待滤纸在环境仓稳定到规定温湿度后再对其进行称量，试验前后滤纸质量差值就是整个ESC循环颗粒采集系统收集的发动机排放的颗粒量。记录各组ESC循环收集的颗粒质量，根据式(1)计算出DPF的过滤效率：

η=(C0-C1)/C0，

(1)

式中：C0为原机按ESC循环在滤纸上收集的颗粒质量；C1为加装DPF后ESC循环收集的颗粒质量。

表6为各循环DPF的过滤效率。由表6可以看出：前3个循环DPF的效率几乎呈线性上升，到第4个循环后开始缓慢波动，可以认为基本稳定在45%。随DPF上颗粒物沉积质量的增加，DPF的效率也在不断增加，并且随着沉积质量的继续增加，DPF的效率趋于稳定。这主要是由于随着DPF沉积颗粒的增加，发动机排气管道背压有所上升，将导致排气阻力增加，排气速率降低，从而使得排温增加，微粒布朗运动加剧，扩散加强，因此DPF过滤效率变大。随着排气背压的稳定，DPF的过滤效率也维持在一定水平。

表6　DPF过滤效率　%

3结论

(1)部分流颗粒捕集器能够降低柴油机微粒物排放，且随着DPF上颗粒物的沉积，过滤效率维持在45%左右。

(2)柴油机加装DPF后排气阻力和排气温度有所升高，这将导致缸内燃烧恶化，使油耗升高，柴油机经济性有所下降。

(3)柴油机加装DPF后总体上对NOX的排放影响不大。

参考文献：

[1]杨正军,王建海,钟祥麟.国Ⅳ柴油车NO2排放特性研究[J].汽车技术,2011(6):27-30.

[2]资新运.柴油机微粒捕捉器的研究现状及发展趋势[J].车用发动机,2000(2):1-4.

[3]GB20891—2007 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第Ⅰ、Ⅱ阶段)[S].北京:中国环境科学出版社,2007.

[4]孙志强,段俊法,杨振中.二甲醚均质充量与柴油喷射复合燃烧方式的发动机性能[J].河南科技大学学报:自然科学版,2013,34(1):25-29.

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

[6]赖天贵.柴油机微粒捕集器流场研究及其优化设计[D].长沙:湖南大学,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,郭秀荣,马岩,等.柴油车尾气微粒捕集器技术研究现状及发展趋势[J].小型内燃机与摩托车,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 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)[S].北京：中国环境科学出版社，2005.

[13]鞠洪玲,成晓北,陈亮,等.柴油机燃烧中多环芳香烃及碳烟的形成与演化的研究[J].内燃机工程,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.