基于国六标准工况的重型柴油机PN排放特性研究

2020-04-25康见见

客车技术与研究 2020年2期

刘冰，康见见，刘波，张超，吴滴

(重庆车辆检测研究院有限公司，重庆 401122)

重型柴油机因其功率覆盖范围广、油耗低、耐久性好等优点广泛应用于各类重型货车、客车及特种车辆，但因其氮氧化物和颗粒物排放远高于汽油机而饱受诟病[1-3]。有研究表明，柴油车的NOx和颗粒物排放分别占到了机动车尾气排放的57.3%和77.8%[4]。2018年正式发布的GB 17691—2018 《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[5]，首次提出了对颗粒数目(PN，Particle Number)的要求。

目前，柴油机颗粒捕集器(DPF)被认为是最有效的降低颗粒物排放的后处理装置[6-7]，也成为国六阶段柴油机必备装置。为了探究重型柴油机在国六标准工况下的PN排放特性，本文以一台重型柴油机为研究对象，搭建排放测试平台，进行DPF碳载量试验研究及国六阶段瞬态WHTC和稳态WHSC试验研究，并通过试验数据分析标准瞬态和稳态循环中PN的排放特性，为重型柴油机的台架排放标定及整车实际道路排放测试系统(PEMS)标定提供参考。

1 测试平台搭建及测试方法

本文采用一台排量为2.977 L、额定功率为125 kW的四缸增压中冷柴油机为研究对象，其后处理技术路线为DOC+SCR+ASC+DPF。其中DPF的再生方式为连续再生，即排气温度达到设定值即自动开启再生模式。测试系统采用HORIBA公司的HD460电力测功机、全流稀释采样系统、MEXA-7200D排放分析系统、MEXA-2000SPCS颗粒计数器、AVL7351油耗仪、南京久鼎进气空调系统、ABB 50MC2-6F型进气流量计及重客电子中冷器等试验设备，所构建的柴油机排放测试平台如图1所示。

为了探究重型柴油机在国六法规工况下的PN排放特性，分别采用GB 17691—2018中规定的压燃式发动机瞬态循环WHTC(图2)和稳态循环WHSC(图3)进行排放测试。进行WHSC试验时，需要对发动机运行边界条件进行控制，设定发动机进气压力为101 kPa、进气温度为25 ℃、进气湿度为45%，设定发动机冷却水温度为82 ℃、中冷后温度为50 ℃。让发动机在额定点维持运转10 min左右，观察各边界进气温度湿度、水循环温度、排气温度是否稳定。水循环温度为82 ℃±2 ℃，排气温度为±2 ℃时，即可开始对应的排放测试循环试验。

图1 柴油机排放测试台架示意图

图2 WHTC循环工况

图3 WHSC循环工况

在进行冷热态WHTC循环试验时，需对发动机进行不少于6 h的冷机处理，使其循环水温、机油温度和后处理温度都在20～30 ℃之间，然后设定进气空调进气压力为101 kPa、进气温度为25 ℃、进气湿度为45%，设定冷却水循环温度为82 ℃，中冷后温度50 ℃。设备就绪后从停机状态直接进入冷热态WHTC测试。冷热态循环结束后按照冷态14%、热态86%加权计算最终的排放结果。

2 试验结果及分析

2.1 DPF碳载量分析研究

DPF通过载体内部细小的孔隙吸附流经的颗粒物，从而达到降低颗粒物排放的目的，因此捕集效率与载体孔径密切相关。新的DPF孔隙较大，捕集效率较低。随着发动机持续运转，DPF载体捕集的颗粒越来越多，孔径就会越来越小，捕集效率逐步提高。由于连续再生作用，孔径不会一直减小。本文采用一个新的DPF，连续进行6个标准的热态WHTC循环试验，每个循环之间热浸10 min。图4显示了每个循环结束时ECU监测到的DPF碳载量和每个循环PN比排放结果。

图4 6个热态WHTC循环碳载量和PN比排放结果

从图4可看出，前4个WHTC循环DPF的碳载量增长非常快，但是第4个循环之后碳载量增长速率逐渐下降，碳载荷总量也逐渐趋于稳定。这是因为该DPF的再生方式是连续再生，当排气温度达到设定的再生条件就会开启连续再生模式，烧掉部分积累的碳。当载体中碳的捕集速率与再生消耗速率接近时，DPF的碳载量就会逐渐趋于一个稳定值。由图4可知,每个循环的PN比排放值变化趋势与碳载量变化趋势是一致的,前4个循环碳载量较小，DPF捕集效率低，因而PN比排放值很高，甚至超过排放限值数倍。随着碳载量迅速增长，PN比排放值也迅速下降。当5个循环碳载量趋于稳定后PN比排放值下降速率也逐渐减小。

从以上分析可知，在进行柴油机排放认证试验之前DPF必须要经过预处理，提高DPF载体的碳载量，否则会因为DPF捕集效率没有达到而导致排放认证PN超限值。通过在台架上对DPF累碳的试验研究可以给整车PEMS标定和认证试验提供一定的指导。

2.2 WHTC试验PN排放特性

一个完整的WHTC排放试验包含一个冷态和一个热态的WHTC循环。发动机运行几个热态的WHTC循环，DPF碳载量比较稳定之后冷机。等待发动机及后处理系统所有温度在20～30 ℃之间后开始冷态和热态WHTC试验，并设定进气空调进气压力为101 kPa、进气温度为25 ℃、进气湿度为45%。

图5中(a)和(b)分别显示了冷态和热态WHTC循环PN的瞬时排放值。表1是冷态和热态WHTC循环PN比排放结果和最终加权结果。从图5可以看出，在冷态循环中的前200 s PN瞬时排放很高，而且出现了一个接近60 #/cm3的大峰值，而在200 s以后直至循环结束，PN瞬时排放都比较小，最大峰值也未超过5 #/cm3；热态循环中PN瞬时排放与冷态表现出完全不同的特性。热态循环中PN瞬时排放在整个循环期间相对均匀，没有出现像冷态初始阶段一样的大峰值，但排放较高的区域出现在循环后期的1 200～1 800 s之间。最大峰值出现在1 500 s左右，且最大值仅为3.5 #/cm3左右。

(a)冷态PN瞬时排放值

(b)热态PN瞬时排放值

图5 WHTC循环PN瞬时排放结果

从表1 PN比排放结果可以看出冷态的比排放结果高于热态接近三倍，其原因就是冷态前期出现了较大峰值，这个峰值对PN比排放结果影响非常大。冷态循环前期PN瞬时排放很高的原因是柴油机冷启动时缸内温度较低导致喷射油束雾化不良，造成局部过浓的液滴燃烧和碰壁燃烧。有研究表明缸内混合气局部过浓造成的不完全燃烧是颗粒排放高的主要原因[8]。因此提高冷启动缸内温度是减小PN比排放的关键。在柴油机进气中冷后端和燃油系统添加电辅热装置以提高冷启动时缸内平均温度是降低PN比排放的有效措施。

表1 WHTC循环PN比排放结果 #/kWh

2.3 WHSC试验PN排放特性

与WHTC循环1 800个瞬时工况不同，WHSC是由13个稳态工况点组成的循环，而且20 s过渡工况的排放也要计入最终比排放。标准GB 17691—2018要求WHSC循环开始前必须在第9工况热机10 min。第9工况为转速规范值55%、扭矩规范值50%。发动机在该工况运行时的排温较高，DPF会触发连续再生，因此在第9工况热机时DPF碳载量会发生较大变化。

图6显示了在第9热机工况下DPF碳载量随发动机运行时间的曲线。从图中可以看出，前7 min碳载量下降很快，基本随时间呈线性下降，后3 min下降趋势逐渐减缓。10 min的热机工况内DPF碳载量就从3.499 g减少到2.807 g，下降幅度达19.8%。从2.1的结论可知载体的碳载量大小会直接影响PN比排放结果，因此发动机在进行台架排放标定时应特别关注发动机在第9工况的再生速率。

图6 WHSC第9工况碳载量

为探究WHSC试验PN排放特性，本文按照试验标准进行了3次WHSC排放试验，且为了保证每次试验的一致性，每次试验完成后均进行3个热态WHTC预处理。表2为3次试验PN比排放结果，图7中(a)、(b)和(c)分别显示了3次WHSC试验PN瞬时排放值。从图7可以看出，3次稳态试验PN瞬时排放随时间的变化曲线非常一致：在250 s、650 s和800 s左右时出现较小峰值，在1 250 s突然出现一个非常大的峰值，1 300 s出现次峰值之后PN瞬时排放逐渐减小。3次试验中除了第1 250 s的最大峰值差别较大以外，其他区域的PN瞬时排放值比较接近。从表2中3次PN比排放结果可看出，第1 250 s的峰值对PN比排放结果影响极大。对比WHSC工况图发现，PN瞬时排放峰值都是出现在工况点切换的时间段内，最大峰值出现在第9工况至第10工况过渡时期，次峰值出现在第10工况向第11工况切换过程中。