柴油机颗粒捕集器对国六重型柴油机固态颗粒物排放的影响

2022-12-26苏盛

柴油机设计与制造 2022年4期

苏盛

(厦门环境保护机动车污染控制技术中心，福建厦门 361023)

0 前言

汽车工业是我国国民经济的支柱产业，随着经济建设和城市化进程的快速发展，我国汽车的产销量持续大幅增长。2020年最新数据显示，我国汽车保有量已达到2.81亿辆[1]。汽车在为人们生产生活带来便利的同时，也带来了严重的大气污染问题。其中，颗粒物对于环境和人体的危害尤为突出[2]。近年来，大量研究表明，粒径越小的颗粒物在人体内的沉积率越高[3-5]。

早年间，受阻于分析探测技术的瓶颈，颗粒物分析仪无法对挥发态颗粒物(VPN)及粒径为23 nm以下的固态颗粒物(SPN)进行准确测量，现行排放法规仅针对粒径为23 nm以上的SPN(以下简称“SPN 23”)进行了限制。

随着探测技术的迭代升级，最先进的颗粒物分析技术已经能够对粒径为10 nm以上的SPN(以下简称“SPN 10”)实现准确测量。联合国欧洲经济委员会(UNECE)下设的颗粒测量项目(PMP)工作组早在2011年已经开始SPN 10的研究[6]。

近年来，国内对于机动车颗粒物的研究主要集中在SPN 23，对于SPN 10排放的研究较少[7-8]。选取1台具有代表性的满足国六排放法规的柴油机作为试验样机，使用发动机排气颗粒物粒径谱仪(EEPS)分析柴油机颗粒捕集器(DPF)对包括挥发态、半挥发态、固态颗粒物在内的总颗粒物排放的影响，探究现行DPF技术对未来SPN 10法规的有效性。

此外，搭建了现行国六排放法规允许的SPN稀释采样分析系统(以下简称“稀采系统”)和PMP工作组推荐的SPN直接采样分析系统(以下简称“直采系统”)，研究DPF再生对SPN 10排放水平的影响。

1 试验部分

1.1 试验样车

该试验样机排量为1.9 L，功率为75 kW，型式为直列4缸，采用机内废气再循环(EGR)系统，后处理装置配置有柴油机氧化催化器(DOC)、催化型柴油机颗粒过滤器(cDPF)、选择性催化还原(SCR)装置、氨逃逸催化器(ASC)。该试验样机市场保有量大，具有典型代表性。

1.2 颗粒物采样分析系统

将发动机置于底盘测功机运行，使用颗粒物采样分析系统进行颗粒物的采样及分析。颗粒物采样分析系统有稀采系统和直采系统两类。系统主要设备参数见表1。

表1 主要设备参数

(1)稀采系统是目前中国和欧洲排放法规推荐的SPN 23采样分析系统，在全流定容稀释系统(CVS)的稀释通道中进行混合排气采集，分析设备包括：23 nm颗粒物分析仪APC PLUS(以下简称“SPN 23CVS”)、10 nm颗粒物分析仪TSI 3792(以下简称“SPN 10CVS”)。2套分析仪共用1套挥发性颗粒去除器(VPR)，该VPR内置于SPN 23CVS中，试验采用蒸发管(ET)法。

(2)直采系统是UNECE下设的PMP工作组推荐的SPN 10采样分析系统，在发动机后处理尾端直接进行排气采集，分析设备包括：10 nm颗粒物分析仪APC xApp 10(以下简称“SPN 10TP”)、23 nm颗粒物分析仪TSI 3790(以下简称“SPN 23TP”)。2套分析仪共用1套VPR，该VPR内置于SPN 10TP中，试验采用催化去除(CS)法。

此外，在CVS通道中增加了EEPS，用来分析DPF对与包含挥发态、半挥发态、固态颗粒物在内的总颗粒物的排放影响。

SPN 23设备截止粒径的计数率在50%以上，满足重型柴油机国六排放法规要求，SPN 10设备截止粒径的计数率在65%以上，满足PMP工作组技术要求。系统布置如图1所示。

图1 颗粒物采样分析系统布置图

1.3 试验方案

试验样机运行国六排放法规规定的世界统一瞬态循环(WHTC)热启动工况，使用EEPS研究DPF对于总颗粒物排放的影响。此外，控制试验样机维持稳态工况(转速1 800 r/min、扭矩208 N·m)运行以触发DPF再生，通过稀采系统和直采系统研究DPF再生对SPN 10排放水平的影响。

1.4 数据处理方法

直采系统、稀采系统的SPN计算方法参照《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB 17691—2018)。

2 结果与分析

2.1 DPF对颗粒物粒径分布的影响

使用EEPS测量分析试验样机在WHTC热启动工况下的瞬时排放，研究经过DPF前后的总颗粒物粒径分布，结果如图2所示。

图2 WHTC热启动工况下总颗粒物粒径分布

由图2可以看出：DPF前，排气颗粒物的粒径分布范围较广(10～200 nm)；经过DPF后，排气颗粒物的粒径主要集中在40～60 nm。这表明DPF对小于40 nm的超细颗粒物和大于60 nm的大颗粒物均有很高的过滤效果。未来在污染物限值法规要求不变的情况下，DPF技术可以较好地应对SPN 23切换至SPN 10带来的影响。

DPF的过滤体通过扩散沉淀、线性拦截、惯性沉淀、重力沉降和静电吸附等方式对颗粒物进行捕集[9-10]。DPF过滤机理如图3所示。对于粒径小于50 nm的颗粒物，颗粒物在不规则布朗运动时易沉淀在DPF滤芯材料上，因此扩散沉淀是DPF的主要过滤机制；对粒径大于100 nm的颗粒物，在气流方向上的线性拦截是DPF的主要过滤机制；对粒径更大的颗粒物，由于惯性较大，DPF的过滤效率相对较低。图4展示了DPF对不同粒径颗粒物的过滤效率。由图3、图4可以看出：基于扩散沉淀和线性拦截为主的过滤机理与试验结果相吻合，DPF对10～23 nm的SPN的过滤效率不低于对SPN 23的过滤效率。

图3 DPF过滤机理

图4 DPF对不同粒径颗粒物的过滤效率

2.2 DPF再生对颗粒物排放的影响

对试验样机控制进行稳态工况(转速1 800 r/min、扭矩208 N·m)再生；同时，使用稀采系统、直采系统进行采样分析，研究主动再生阶段的SPN排放特性。再生过程中直采系统和稀采系统测量得到的SPN瞬态过程如图5所示。

图5 再生过程SPN的变化情况

试验样机运行230 s左右，触发缸内后喷，为DPF再生工况做升温准备。稀采系统的SPN 10采样结果和直采系统的SPN 23采样结果基本一致且接近于零，这表明DPF能够高效地过滤DPF再生前缸内后喷所产生的SPN 10。

试验样机运行480 s左右，DPF进入再生工况，后处理出口温度高于入口温度，DPF内部温度约为600 ℃，DPF中累积的炭烟与O2发生氧化反应。随后，稀采系统的SPN 10采样结果和直采系统的SPN 23采样结果均显著升高且较为接近，这表明DPF再生过程中会产生大量SPN 23。

需要注意的是，试验样机运行700 s后，SPN 23CVS与SPN 10TP、SPN 23TP采样结果保持相同的下降趋势，而SPN 10CVS采样结果则呈现出明显上升的趋势。推测主要原因为600 ℃以下时，排气中存在大量碳氢化合物(HC)，虽然部分HC与O2发生反应，但是仍有大量HC在CVS稀释后快速冷凝，形成挥发态和半挥发态颗粒物，高浓度的挥发态和半挥发态颗粒物在稀采系统中不能被完全去除，导致在ET末端形成10 nm以下二次成形颗粒物，导致SPN 10CVS探测到大量SPN 10。GIECHASKIEL等[11]研究发现，针对粒径为30 nm的可挥发态颗粒物，在其每立方厘米数量大于107的情况下，挥发态化合物在ET末端可再成核，形成核态颗粒物，从而影响23 nm以下超细SPN的测量结果。这也表明未来随着SPN 10法规的推出，对于VPR装置的挥发态颗粒物去除能力要求进一步提升，现行法规允许的ET技术已经无法满足需求，而CS技术即使在高挥发态颗粒物排放的情况下仍然能保证较高的去除效率。

试验样机运行820 s后，喷油停止，后处理入口温度快速下降，稀采系统的SPN 10采样结果和直采系统的SPN 23采样结果快速下降，900 s后趋于平稳，SPN 10和SPN 23排放结果趋于一致，但整体高于再生前的排放水平。这是由于DPF完成再生后，先后还要经历深层过滤和滤饼过滤阶段，深层过滤的效率随炭载量的增加而提升，在滤饼过滤阶段达到稳定最大值[12-13]。DPF再生后，在滤饼还没有大量形成之前，其对于SPN 10的拦截效率较低。