沉積不同碳載量DPF對柴油機顆粒物數量排放特征影響

王浩浩，肖有強，薛振濤，王建東，張瑜，譚建偉

(1.濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261061;2.北京理工大學 機械與車輛學院， 北京 100081)

0 引言

柴油機因其動力性強、可靠性好、熱效率高等特點，已被廣泛應用于各類車輛、工程機械[1-2]領域。然而，柴油機顆粒物排放約占機動車顆粒物排放總量的90%以上[3]，對人類健康和生活環境造成一系列影響，已引起了廣泛關注。為有效控制柴油機顆粒物排放污染，機動車排放標準不斷升級，歐盟和我國第六階段排放標準對顆粒物質量(particle mass,PM)和顆粒物數量(particle number,PN)提出限值要求。當前對于PM測量采用濾紙稱重法，但由于PM限值的下降和濾紙自身重量的影響，測量的準確度和重復性下降，難以滿足測量結果一致性要求[4-5]。此外，隨著發動機后處理控制技術的提升，顆粒物質量排放呈現逐年降低趨勢[5-6]，柴油機顆粒物數量排放問題日益凸顯。

迄今為止，國內外研究學者針對顆粒物數量排放問題進行了廣泛且深入的研究。Lv等[7]采用便攜式排放測試系統(portable emissions measurement system,PEMS)針對國Ⅳ、國Ⅴ柴油車研究了PN排放特征，研究結果表明，PN排放因子與車速、油耗不直接相關且數值較大。Stavros等[8]研究了尿素噴射量對柴油機PN排放影響，發現噴入100×10-6尿素導致23 nm以上、23 nm以下顆粒物數量分別增長129%、67%。Barouch等[9]分析了顆粒物數量采集設備不確定度對PN排放結果影響，指出對于23 nm顆粒物全流稀釋采集、直接采集、PEMS采集不確定度分別為32%、34%、39%。樓狄明等[10]研究了船舶主機在不同負荷下顆粒物數量分布情況，結果表明，隨著負荷增加，顆粒物數量濃度呈現先降低后升高趨勢。Wang等[4]采用室內轉轂測量方法研究了2輛汽油車在不同環境溫度對顆粒物數量排放的影響，發現在-10 ℃顆粒物數量排放是23 ℃顆粒物數量排放的6倍，指出低溫下較大的滑行阻力是引起PN排放增長的根本原因。

此外，相關研究表明柴油機顆粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)對柴油機PN捕集效率超過96%以上[7，11-12]。隨著DPF的使用，DPF需要定期再生，其本質是將沉積在DPF孔道內的顆粒物進行燃燒，進一步影響顆粒物數量的排放。合理的再生時機直接影響DPF的使用，而判斷DPF再生時機的實質是對沉積在DPF孔道內碳載量的判斷[13]。目前，關于碳載量對柴油機顆粒物數量排放影響研究鮮有報道。

進一步，研究表明PN在實際道路上排放較高[7]，且PEMS試驗安裝設備繁多，所需成本較高，綜上，本文基于發動機臺架試驗，將車載PEMS路譜在臺架復現，研究了沉積在DPF孔道內不同碳載量對柴油機顆粒物數量排放影響，其結果對改善柴油機性能、降低顆粒物數量排放具有一定參考意義。

1 試驗方法

試驗裝置如圖1，主要設備儀器包括柴油機、交流電力測功機、后處理裝置、顆粒物采集設備AVL489。試驗所用柴油機為滿足國VI標準某型號直列四缸機。所用后處理裝置為氧化型催化器(DOC)、顆粒捕集器(DPF)、選擇性催化還原(SCR)、氨逃逸催化器(ASC)。顆粒采集設備AVL489連接于柴油機后處理裝置之后，對柴油機排氣進行直接采集。所用顆粒物采集設備AVL489采用凝結粒子計數(condensation particle counters,CPC)原理進行顆粒物數量濃度檢測，PN測量50%切割效率直徑(D50)為23 nm，工作液為正丁醇。試驗用柴油為滿足國六標準市售0號柴油，其理化特性分析結果見表1。

圖1 試驗裝置示意圖

表1 試驗用柴油理化特性分析結果

首先對使用新鮮件DPF情況下柴油機尾排顆粒物數量濃度進行測量，之后，拆下DOC、SCR/ASC裝置，對DPF進行積碳試驗。當DPF碳載量達到預期目標時，重新安裝DOC、SCR/ASC裝置，檢測顆粒物數量濃度，如此反復進行試驗。此外，為排除尿素噴射量對PN排放的影響，在試驗過程中未噴尿素。DPF積碳工況為1 600 r/min、40%負荷，當積碳工況運行一段時間，拆解DPF稱重，直至達到目標碳載量為止。在進行積碳前，先稱量新鮮DPF重量作為后續稱重基準。試驗所用DPF積碳量分別為0.5、1.0、1.5 g/L。測量顆粒物數量濃度工況選用該機型在所配套整車的PEMS試驗工況，如表2、圖2所示。試驗過程中所有發動機相關秒采數據由臺架監控設備實時記錄。

表2 PEMS試驗工況

圖2 臺架試驗用PEMS工況曲線

顆粒物數量濃度根據國六排放標準使用功基窗口法獲得(功基窗口法詳細計算過程可參考文獻[14])，如圖3所示，從第1個有效工況點開始計算直到累計功達到基準試驗室循環功為止，作為第1個窗口；然后以第1個工況平移采樣周期開始計算直到累計功達到基準試驗室循環功為止，作為第2個窗口；其余窗口依次類推。每一個窗口和顆粒物數量比排放ep(個/kW·h)的計算見式(1)。窗口平均功率大于最大功率的20%時，窗口有效，有效窗口比例應大于50%。如有效窗口比例小于50%，使用較低功率閾值判斷窗口有效性，直到有效窗口比例大于50%為止，但較低功率閾值不應小于最大功率的10%。如較低功率閾值為最大功率的10%時，有效窗口比例仍小于50%，則試驗無效。按照國六法規要求，90%以上有效窗口的排放要小于法規限值。將有效窗口的顆粒物比排放濃度按照從小到大的順序排列，選擇90分位數作為評價標準。

(1)

式中:m為各污染物的排放量，個/窗口；W(t2,i)-W(1,i)為第i個平均窗口的發動機循環功，kW·h。

2 結果與討論

2.1 PN排放特征

PN排放因子如圖4所示，在0、0.5、1.0、1.5 g/L碳載量下，PN排放因子分別為8×1011、3.5×1012、3.8×1012、4.1×1012(個/kW·h)。相較含有碳載量DPF情況下，新鮮DPF情況下(碳載量為0 g/L)PN排放因子低于當前法規限值，這表明DPF可以有效降低PN排放，與以前相關報道類似[13-14]。在DPF含有碳載量情況下，PN排放隨著碳載量的升高而升高，這表明：隨著DPF的使用，柴油機PN排放存在超標風險。Lv等[7]研究結果表明，半掛車PN實際道路排放量保持在較高水平被低估，因此將來需對在用柴油車PN實際道路排放重點關注。

圖4 不同碳載量下PN排放因子

2.2 PN排放瞬態分析

為進一步分析在DPF含有不同碳載量情況下PN排放特征，PN瞬時排放特征及柴油機排溫(DPF進口)變化情況如圖5、6所示。

圖5 不同碳載量下PN瞬時排放特征

圖6 溫度變化情況

在新鮮DPF、含有碳載量DPF情況下，PN瞬時排放趨勢呈現相反趨勢，即在新鮮DPF情況下，PN瞬時排放較高集中于市區工況且持續時間較短，而在含有碳載量DPF情況下，PN瞬時排放較高部分集中于高速工況且持續時間較長。在市區工況下，相較于DPF孔道內沉積一定碳載量時PN瞬時排放，DPF碳載量為0 g/L時，PN瞬時排放峰值振幅較大且最高可達7×106個/cm3。在市郊工況下，DPF孔道內有無沉積一定碳載量PN瞬時排放結果相似，排放量均保持在較低水平且峰值較少。在高速工況下，相較于DPF碳載量為0 g/L時，PN瞬時排放峰值，DPF孔道內沉積一定碳載量時，PN瞬時排放峰值較大。主要原因分析如下：① 相較于市區、市郊工況，高速工況下柴油機缸內柴油、空氣混合較濃[15]；② 高速工況下排氣流速高導致顆粒物在DPF內停留時間短[16]；③ 高速工況下，如圖6，排溫超過300 ℃且持續時間較長，DPF被動再生加劇。此外，在高速工況下，隨著DPF孔道內碳載量的不斷積累，PN瞬時排放與碳載量呈現一定的正相關性。

2.3 DPF內部變化分析

如2.2所述，在市區、高速工況下，PN瞬時排放在DPF孔內有無碳載量時呈現出不同的特征。DPF作為柴油機顆粒物最有效的捕集裝置，其內部孔道的變化情況直接與顆粒物數量排放特征相關。因此，結合圖5、6，推斷DPF孔道內顆粒物變化情況如下。新鮮DPF孔道內僅有所涂覆的貴金屬未含有柴油機顆粒物，當含有大量顆粒物的排氣通過DPF孔道時，DPF不能將其快速有效地捕集，大量的顆粒物穿過孔道進入大氣中，因此，在PEMS循環初期會檢測到大量顆粒物，如圖5所示。之后顆粒物在DPF孔道內不斷積累，DPF對顆粒物的捕集主要經過深床過濾、過渡過濾、濾餅過濾3個階段[3-17]。隨著濾餅層在DPF孔道內的建立，DPF的捕集效率也不斷提高，研究表明，DPF孔道內碳載量的增加會降低PN的排放量[18]，因此，在圖5市郊工況中PN排放量保持在較低水平，瞬時峰值也較低。進入高速工況后，尾排排溫升高，超過300 ℃且持續時間較長，使得DPF進行被動再生，大量的顆粒物被燃燒，DPF孔道內的濾餅層破壞，大量的顆粒物從DPF孔道內逃逸，因此，在圖5高速工況中PN排放出現大量峰值。碳載量越大，DPF發生被動再生越劇烈，逃逸的顆粒物越多，因此，在高速階段PN瞬時排放與DPF孔道內碳載量呈現出一定的正相關性。當前，對于DPF的研究主要集中于其再生性能[19-20]、DPF與其他后處理裝置匹配使用問題[21]、DPF對柴油機的影響[22]、DPF的數值模擬[23]等方面，對于DPF可視化研究鮮有報道，將DPF捕集顆粒物過程可視化將進一步提高對DPF的認識。

3 結論

1) DPF的PN排放隨著碳載量的升高而升高。

2) 在新鮮DPF情況下PN瞬時排放較高集中于市區工況且持續時間較短，而在含有碳載量DPF情況下PN瞬時排放較高部分集中于高速工況且持續時間較長。

3) 在高速工況下，隨著DPF孔道內碳載量的不斷積累，PN瞬時排放與碳載量呈現出一定的正相關性。

4) DPF內部孔道的變化情況直接與顆粒物數量排放特征相關。