沉积不同碳载量DPF对柴油机颗粒物数量排放特征影响

2022-02-08王浩浩肖有强薛振涛王建东张瑜谭建伟

重庆理工大学学报(自然科学) 2022年12期

王浩浩，肖有强，薛振涛，王建东，张瑜，谭建伟

(1.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061;2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

0 引言

柴油机因其动力性强、可靠性好、热效率高等特点，已被广泛应用于各类车辆、工程机械[1-2]领域。然而，柴油机颗粒物排放约占机动车颗粒物排放总量的90%以上[3]，对人类健康和生活环境造成一系列影响，已引起了广泛关注。为有效控制柴油机颗粒物排放污染，机动车排放标准不断升级，欧盟和我国第六阶段排放标准对颗粒物质量(particle mass,PM)和颗粒物数量(particle number,PN)提出限值要求。当前对于PM测量采用滤纸称重法，但由于PM限值的下降和滤纸自身重量的影响，测量的准确度和重复性下降，难以满足测量结果一致性要求[4-5]。此外，随着发动机后处理控制技术的提升，颗粒物质量排放呈现逐年降低趋势[5-6]，柴油机颗粒物数量排放问题日益凸显。

迄今为止，国内外研究学者针对颗粒物数量排放问题进行了广泛且深入的研究。Lv等[7]采用便携式排放测试系统(portable emissions measurement system,PEMS)针对国Ⅳ、国Ⅴ柴油车研究了PN排放特征，研究结果表明，PN排放因子与车速、油耗不直接相关且数值较大。Stavros等[8]研究了尿素喷射量对柴油机PN排放影响，发现喷入100×10-6尿素导致23 nm以上、23 nm以下颗粒物数量分别增长129%、67%。Barouch等[9]分析了颗粒物数量采集设备不确定度对PN排放结果影响，指出对于23 nm颗粒物全流稀释采集、直接采集、PEMS采集不确定度分别为32%、34%、39%。楼狄明等[10]研究了船舶主机在不同负荷下颗粒物数量分布情况，结果表明，随着负荷增加，颗粒物数量浓度呈现先降低后升高趋势。Wang等[4]采用室内转毂测量方法研究了2辆汽油车在不同环境温度对颗粒物数量排放的影响，发现在-10 ℃颗粒物数量排放是23 ℃颗粒物数量排放的6倍，指出低温下较大的滑行阻力是引起PN排放增长的根本原因。

此外，相关研究表明柴油机颗粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)对柴油机PN捕集效率超过96%以上[7，11-12]。随着DPF的使用，DPF需要定期再生，其本质是将沉积在DPF孔道内的颗粒物进行燃烧，进一步影响颗粒物数量的排放。合理的再生时机直接影响DPF的使用，而判断DPF再生时机的实质是对沉积在DPF孔道内碳载量的判断[13]。目前，关于碳载量对柴油机颗粒物数量排放影响研究鲜有报道。

进一步，研究表明PN在实际道路上排放较高[7]，且PEMS试验安装设备繁多，所需成本较高，综上，本文基于发动机台架试验，将车载PEMS路谱在台架复现，研究了沉积在DPF孔道内不同碳载量对柴油机颗粒物数量排放影响，其结果对改善柴油机性能、降低颗粒物数量排放具有一定参考意义。

1 试验方法

试验装置如图1，主要设备仪器包括柴油机、交流电力测功机、后处理装置、颗粒物采集设备AVL489。试验所用柴油机为满足国VI标准某型号直列四缸机。所用后处理装置为氧化型催化器(DOC)、颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原(SCR)、氨逃逸催化器(ASC)。颗粒采集设备AVL489连接于柴油机后处理装置之后，对柴油机排气进行直接采集。所用颗粒物采集设备AVL489采用凝结粒子计数(condensation particle counters,CPC)原理进行颗粒物数量浓度检测，PN测量50%切割效率直径(D50)为23 nm，工作液为正丁醇。试验用柴油为满足国六标准市售0号柴油，其理化特性分析结果见表1。

图1 试验装置示意图

表1 试验用柴油理化特性分析结果

首先对使用新鲜件DPF情况下柴油机尾排颗粒物数量浓度进行测量，之后，拆下DOC、SCR/ASC装置，对DPF进行积碳试验。当DPF碳载量达到预期目标时，重新安装DOC、SCR/ASC装置，检测颗粒物数量浓度，如此反复进行试验。此外，为排除尿素喷射量对PN排放的影响，在试验过程中未喷尿素。DPF积碳工况为1 600 r/min、40%负荷，当积碳工况运行一段时间，拆解DPF称重，直至达到目标碳载量为止。在进行积碳前，先称量新鲜DPF重量作为后续称重基准。试验所用DPF积碳量分别为0.5、1.0、1.5 g/L。测量颗粒物数量浓度工况选用该机型在所配套整车的PEMS试验工况，如表2、图2所示。试验过程中所有发动机相关秒采数据由台架监控设备实时记录。

表2 PEMS试验工况

图2 台架试验用PEMS工况曲线

颗粒物数量浓度根据国六排放标准使用功基窗口法获得(功基窗口法详细计算过程可参考文献[14])，如图3所示，从第1个有效工况点开始计算直到累计功达到基准试验室循环功为止，作为第1个窗口；然后以第1个工况平移采样周期开始计算直到累计功达到基准试验室循环功为止，作为第2个窗口；其余窗口依次类推。每一个窗口和颗粒物数量比排放ep(个/kW·h)的计算见式(1)。窗口平均功率大于最大功率的20%时，窗口有效，有效窗口比例应大于50%。如有效窗口比例小于50%，使用较低功率阈值判断窗口有效性，直到有效窗口比例大于50%为止，但较低功率阈值不应小于最大功率的10%。如较低功率阈值为最大功率的10%时，有效窗口比例仍小于50%，则试验无效。按照国六法规要求，90%以上有效窗口的排放要小于法规限值。将有效窗口的颗粒物比排放浓度按照从小到大的顺序排列，选择90分位数作为评价标准。

(1)

式中:m为各污染物的排放量，个/窗口；W(t2,i)-W(1,i)为第i个平均窗口的发动机循环功，kW·h。

2 结果与讨论

2.1 PN排放特征

PN排放因子如图4所示，在0、0.5、1.0、1.5 g/L碳载量下，PN排放因子分别为8×1011、3.5×1012、3.8×1012、4.1×1012(个/kW·h)。相较含有碳载量DPF情况下，新鲜DPF情况下(碳载量为0 g/L)PN排放因子低于当前法规限值，这表明DPF可以有效降低PN排放，与以前相关报道类似[13-14]。在DPF含有碳载量情况下，PN排放随着碳载量的升高而升高，这表明：随着DPF的使用，柴油机PN排放存在超标风险。Lv等[7]研究结果表明，半挂车PN实际道路排放量保持在较高水平被低估，因此将来需对在用柴油车PN实际道路排放重点关注。

图4 不同碳载量下PN排放因子

2.2 PN排放瞬态分析

为进一步分析在DPF含有不同碳载量情况下PN排放特征，PN瞬时排放特征及柴油机排温(DPF进口)变化情况如图5、6所示。

图5 不同碳载量下PN瞬时排放特征

图6 温度变化情况

在新鲜DPF、含有碳载量DPF情况下，PN瞬时排放趋势呈现相反趋势，即在新鲜DPF情况下，PN瞬时排放较高集中于市区工况且持续时间较短，而在含有碳载量DPF情况下，PN瞬时排放较高部分集中于高速工况且持续时间较长。在市区工况下，相较于DPF孔道内沉积一定碳载量时PN瞬时排放，DPF碳载量为0 g/L时，PN瞬时排放峰值振幅较大且最高可达7×106个/cm3。在市郊工况下，DPF孔道内有无沉积一定碳载量PN瞬时排放结果相似，排放量均保持在较低水平且峰值较少。在高速工况下，相较于DPF碳载量为0 g/L时，PN瞬时排放峰值，DPF孔道内沉积一定碳载量时，PN瞬时排放峰值较大。主要原因分析如下：① 相较于市区、市郊工况，高速工况下柴油机缸内柴油、空气混合较浓[15]；② 高速工况下排气流速高导致颗粒物在DPF内停留时间短[16]；③ 高速工况下，如图6，排温超过300 ℃且持续时间较长，DPF被动再生加剧。此外，在高速工况下，随着DPF孔道内碳载量的不断积累，PN瞬时排放与碳载量呈现一定的正相关性。

2.3 DPF内部变化分析

如2.2所述，在市区、高速工况下，PN瞬时排放在DPF孔内有无碳载量时呈现出不同的特征。DPF作为柴油机颗粒物最有效的捕集装置，其内部孔道的变化情况直接与颗粒物数量排放特征相关。因此，结合图5、6，推断DPF孔道内颗粒物变化情况如下。新鲜DPF孔道内仅有所涂覆的贵金属未含有柴油机颗粒物，当含有大量颗粒物的排气通过DPF孔道时，DPF不能将其快速有效地捕集，大量的颗粒物穿过孔道进入大气中，因此，在PEMS循环初期会检测到大量颗粒物，如图5所示。之后颗粒物在DPF孔道内不断积累，DPF对颗粒物的捕集主要经过深床过滤、过渡过滤、滤饼过滤3个阶段[3-17]。随着滤饼层在DPF孔道内的建立，DPF的捕集效率也不断提高，研究表明，DPF孔道内碳载量的增加会降低PN的排放量[18]，因此，在图5市郊工况中PN排放量保持在较低水平，瞬时峰值也较低。进入高速工况后，尾排排温升高，超过300 ℃且持续时间较长，使得DPF进行被动再生，大量的颗粒物被燃烧，DPF孔道内的滤饼层破坏，大量的颗粒物从DPF孔道内逃逸，因此，在图5高速工况中PN排放出现大量峰值。碳载量越大，DPF发生被动再生越剧烈，逃逸的颗粒物越多，因此，在高速阶段PN瞬时排放与DPF孔道内碳载量呈现出一定的正相关性。当前，对于DPF的研究主要集中于其再生性能[19-20]、DPF与其他后处理装置匹配使用问题[21]、DPF对柴油机的影响[22]、DPF的数值模拟[23]等方面，对于DPF可视化研究鲜有报道，将DPF捕集颗粒物过程可视化将进一步提高对DPF的认识。