柴油機顆粒數量排放特性研究

谷雨，宮寶利，徐輝，張謙益

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

柴油機具有熱效率高、經濟性好、動力性強等優點，被全世界機動車廣泛應用。隨著我國機動車保有量的逐年增加，移動源尾氣污染已成為不可忽視的環節。近年來，霧霾現象在全國各地日益嚴重，作為單機顆粒物排放量更大的柴油機需要更加嚴格的控制監管。2018年6月22日國家發布了《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，并于2021年7月1日正式實施重型柴油車國六排放標準。在以往的研究中，諸多學者對內燃機顆粒物排放進行了不同領域的研究。李新令等對柴油機排氣顆粒粒徑分布進行詳細的研究，發現排氣顆粒中核模態粒子占有較大的數量百分比,積聚模態粒子占有較大的體積百分比。孟忠偉等對柴油機DPF主動再生中的顆粒排放特性進行了研究，發現高碳載量時顆粒物排放總量受再生溫度影響較大，再生過程中的碳載量對顆粒物總數量濃度有一定影響。侯獻軍等對汽油、CNG兩用燃料發動機的顆粒物排放特性進行了研究，重點分析了進氣壓力對兩種燃料的顆粒物排放影響。王小臣等則重點研究了DOC對柴油機顆粒物排放粒徑分布的影響。

重型柴油車國六排放標準不僅對顆粒質量進行限制，同時也將顆粒數量PN(Particle Number)納入了監管范圍。本研究通過設計一系列發動機臺架試驗，分析柴油機轉速、負荷、EGR率、負荷加載、DOC、CDPF碳載量、環境溫度等條件對柴油機PN排放的影響，對國六柴油機PN 原機排放開發標定、后處理選型及開發標定有重要指導作用，為控制PN排放的發動機臺架開發研究工作提供一定的理論參考。

1 試驗裝置和方案

1.1 試驗裝置

試驗選用1臺滿足GB 17691—2018標準國六b階段的柴油機作為試驗對象，發動機和后處理裝置的主要技術參數如表1所示。試驗使用HORIBA LI250測功系統進行發動機臺架試驗，配備全流稀釋排放分析系統，對發動機排氣進行二級稀釋后，通過采樣濾紙稱重計算顆粒物質量，采用MEXA-2000SPCS顆粒計數器對PN進行測量，同時通過標定工具INCA系統與發動機ECU進行數據監控和管理。試驗采用國六標準要求的基準燃油和低溫用基準燃油。試驗裝置見圖1。

表1 發動機和后處理裝置主要技術參數

圖1 試驗裝置

1.2 試驗方案

根據發動機開發流程，應該先進行柴油機原機排放標定開發，然后再做后處理選型配合標定，因此本次試驗按照柴油機在原始排放以及攜帶后處理裝置的兩種情況下，對PN排放的特性規律進行研究，試驗方案如下：

1) 在相同負荷下研究轉速對發動機本體PN排放的影響；在相同轉速下研究負荷對發動機本體PN排放的影響；

2) 在固定轉速和負荷下，研究EGR率對發動機本體PN排放的影響；

3) 在固定轉速下，研究瞬態負荷加載對發動機本體PN排放的影響；

4) 在攜帶DOC后處理裝置和不攜帶任何后處理裝置兩種情況下，研究DOC對PN排放的影響；

5) 在CDPF攜帶不同碳載量的狀態下，研究CDPF碳載量對PN排放的影響；

6) 在攜帶DOC和CDPF的情況下，研究環境溫度對PN排放的影響。

2 試驗結果和分析

2.1 發動機轉速和負荷對PN的影響

為獲得單一變量結果，消除后處理催化器對PN排放結果的影響，試驗時拆除所有后處理催化器，僅測試發動機本體排放。選取發動機較為典型的3個轉速進行測試，其中1 200 r/min為發動機低速暖機轉速，1 800 r/min為發動機最大扭矩轉速，2 800 r/min為發動機最大功率轉速。

圖2示出在不同發動機轉速、負荷下測試的結果。可以看出，在40%以下的低負荷區域，隨著柴油機負荷增加，更多燃油參與燃燒，但空燃比仍然處于較大的狀態，缸內溫度升高使得燃燒更加充分，顆粒物數量濃度持續下降。但隨著負荷繼續增加，噴油量也持續增加，柴油機缸內混合氣均勻性變差，導致局部燃燒惡化，顆粒物數量濃度迅速上升。在發動機外特性下，1 200 r/min時的顆粒物數量濃度為475.2 個/cm，扭矩點顆粒物數量濃度為769.6個/cm，而標定點的顆粒物數量濃度達到了1 107.2個/cm，相較于20%負荷顆粒濃度的增幅分別達到了261.6%，335.6%，356.6%。

圖2 發動機轉速和負荷對PN的影響

發動機轉速同樣對顆粒物數量濃度起到了正向影響作用，相同負荷下隨著轉速的增加，噴油脈寬也加大，噴油持續期延長，顆粒物數量濃度同時增加。隨著負荷的增加，轉速對顆粒物數量濃度的影響逐漸變大。可以看到在20%負荷下，2 800 r/min的顆粒數量濃度比1 200 r/min增加84.5%；而在100%負荷下，2 800 r/min的顆粒數量濃度比1 200 r/min增加133.0%。

2.2 EGR率對PN的影響

廢氣再循環(EGR)技術可有效降低柴油機NO排放，是目前國內外柴油機普遍采用的排放控制技術，但是EGR的使用會不同程度地影響缸內燃燒。在1 800 r/min，60%負荷工況下，通過INCA標定電腦控制EGR開度，獲得所需的EGR率。從圖3可以看出，當EGR率為10%的時候，燃油消耗率僅為197.3 g/(kW·h)，顆粒物數量濃度為253.1 個/cm。隨著EGR率的不斷增加，燃油消耗率和顆粒物數量濃度也不斷增大，20%EGR率下，燃油消耗率達到了223.5 g/(kW·h)，相比10%EGR率增幅為13.3%；顆粒物數量濃度增加到547.5 個/cm，增幅為116.3%。

圖3 EGR率對PN的影響

這是因為隨著EGR率增大，泵氣損失持續增加，同時回流廢氣中的惰性氣體降低了缸內氧氣濃度，抑制了燃燒反應，缸內燃燒速率減慢，從而使燃油經濟性不斷惡化，顆粒物數量濃度也會同時增加。可以看到當EGR率控制在16%以下時，燃油消耗率和顆粒數量濃度增加較為緩慢，而當EGR率超過16%以后，缸內混合氣均勻程度下降加速，燃燒惡化程度加劇，燃油消耗率和顆粒數量濃度也急劇增加。

2.3 負荷加載對PN的影響

圖4示出負荷加載的操作過程，發動機分別在1 200 r/min，1 800 r/min，2 800 r/min轉速下，以1 s的過渡時間，從20%負荷加載到100%負荷，隨后穩定在100%負荷運行4 s。由圖可知，雖然測功機設置的過渡工況時間是1 s，但是由于渦輪增壓系統的遲滯效應，3個轉速下的峰值都出現在2 s附近。在100%負荷下顆粒物數量濃度峰值分別為645.4 個/cm，849.9 個/cm，1 346.2 個/cm，這比外特性穩定工況下的顆粒物數量濃度增加了約35.8%，20.8%，12.6%。在峰值過后的3 s，顆粒物數量濃度逐漸回落，并保持在外特性穩態工況下的濃度狀態。這是因為在負荷瞬態加載的過程中，缸內噴油量急劇增加，空燃比減小，局部不均勻混合氣變多，導致了更多的不充分燃燒，從而產生更多的炭煙顆粒并引起顆粒數量濃度激增。在低轉速下，柴油機缸內進氣量更少，瞬態的負荷加載所導致的空燃比下降會更加突出，顆粒數量濃度的增幅也會更大。

圖4 負荷加載對PN的影響

2.4 DOC對PN的影響

DOC屬于柴油機常配后處理催化器，不僅能對HC和CO進行氧化處理，同時還能通過氧化反應“捕集”可揮發性有機顆粒物。圖5示出在發動機1 800 r/min條件下進行的負荷特性測試結果，每個負荷點運行20 min，通過MEXA-2000SPCS測量PN排放值，通過濾紙稱重測量PM的質量。可以看出，在安裝DOC后，顆粒物質量出現了明顯下降，下降幅度隨負荷增加而增大。滿負荷下，發動機原始排氣PM測量值為135.6 μg，在安裝DOC后下降到了84.3 μg，降幅達到37.8%，但DOC的安裝對PN的影響卻十分小。這是因為DOC的強氧化性對可揮發性有機顆粒物進行了氧化轉化，使得發動機排氣顆粒物中的有機物成分得到了極大的削減，進而減小了PM整體質量。而PN的影響則歸結于目前顆粒計數器的測量原理，在經過了旋風式分離器的粒徑篩選后，發動機排氣將經過揮發性顆粒去除器(VPR)，VPR中的蒸發管保持在300～400 ℃，對可揮發性顆粒物進行加熱蒸發。也正是相對于可揮發有機顆粒，VPR與DOC有著相同的作用，因此最終測得已除去可揮發性有機顆粒的剩余顆粒數量大致相當。

圖5 DOC對PN的影響

2.5 CDPF碳載量對PN的影響

CDPF是解決顆粒數量排放的重要零部件，壁流式的內腔使得顆粒的捕集效率在90%以上，內腔載體同時涂覆貴金屬層增加附著顆粒的被動再生能力，在運行一定周期后，還將通過缸內后噴進行主動再生。試驗采用INCA標定電腦對以壓差、時間、溫度等參數建立的碳載量模型進行實時監控。

在通過發動機大負荷工況運行后，CDPF碳載量模型值基本歸0。然后以1 200 r/min，該轉速下40%負荷的工況開始運行，從圖6可以看出，此時顆粒數量濃度為99.3 個/cm。隨著碳載量的逐漸增加，顆粒物數量濃度持續下降，當碳載量小于9 g時，碳載量對顆粒物數量濃度的影響較大，當碳載量超過9 g以后，顆粒物數量濃度的減小趨勢趨于平緩。CDPF的顆粒處理方式為物理捕集，每個獨立內腔壁面的孔隙會持續不斷地過濾掉尾氣中的碳顆粒，而被“捕集”的碳顆粒會逐漸將每個內腔壁面的孔隙堵塞，從而使得碳顆粒愈發難以通過CDPF，這也是日常運行過程中CDPF主動再生后PN排放量驟然增大的原因。顆粒物質量總體變化趨勢與顆粒物數量濃度相同，但是下降過程沒有完全的線性規律。在碳載量為6 g和15 g的時候呈現反向升高現象，這是因為CDPF載體上的碳顆粒附著狀態一直處于動態的氣流變化下，隨著附著的碳顆粒累積量變大，一些大粒徑顆粒會隨著發動機運行偶發性地被排氣流吹出，從而出現濾紙上的顆粒質量增大，但實際顆粒數量卻沒有增加的情況。

圖6 CDPF碳載量對PN的影響

2.6 環境溫度對PN的影響

在3種環境溫度下，以碳載量3 g為起點，持續以發動機轉速1 200 r/min，該轉速下40%負荷的工況運行2 h，在不進行排氣管和后處理催化器保溫包裹的情況下進行測試：

1) 高溫環境 在夏季不開試驗室環境空調的情況下，試驗室環境溫度在33 ℃左右；

2) 常溫環境 開啟房間環境空調，將試驗室環境溫度控制在20 ℃；

3) 低溫環境 將發動機更換至低溫試驗倉，試驗室環境溫度控制在-7 ℃。

從圖7可以看出，在3種環境溫度下，隨著低速中負荷的累碳工況持續運行，碳載量均不斷增加，而排氣中的顆粒數量濃度也持續減小。環境溫度對碳載量的累積速率影響較大，在2 h的累碳工況運行下，高溫環境下的碳載量增幅僅有196.7%，常溫環境的碳載量增幅為213.3%，而低溫環境下的碳載量增幅達到了230.0%。隨著碳載量的增加，3種溫度環境下顆粒物數量濃度均呈現下降，擬合趨勢如下：

1) 高溫33 ℃

=0429 8- 9541 7+ 79914；

2) 常溫20 ℃

=0781- 12533+ 81257；

3) 低溫-7 ℃

= 1241 7- 16715+ 846。

圖7 環境溫度對PN的影響

同樣以碳載量模型3 g為起點，按照GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，分別在3種環境溫度下進行WHTC(世界統一瞬態循環)測試。由表2的試驗結果可以看出，在同一碳載量基礎下，環境溫度越低，WHTC中的PN循環比排放量也越低。

表2 WHTC測試結果

這是因為當CDPF載體處于250 ℃以上時，被動再生激活，隨著CDPF載體溫度升高，被動再生作用會持續增強。在沒有進行排氣管和后處理催化器保溫包裹的情況下，較低的環境溫度與CDPF外殼進行著更加激烈的熱交換反應，從而導致CDPF內部載體熱量損失，減弱了被動再生作用，同時也影響了顆粒數量濃度的趨勢。

3 結論

a) 在不攜帶后處理催化器的情況下，柴油機本體PN排放量隨著柴油機轉速的增加而增大，隨著柴油機負荷的增加，呈現先減小后增大的趨勢；高速高負荷仍然是PN高排放區域，柴油機原機排放標定開發時應當重點應對；

b) EGR率的增加會導致缸內燃燒惡化，油耗和PN排放量也會隨之增大，在開發過程中應當控制合適的EGR率以平衡發動機原機排放中的PN和NO；

c) 瞬態負荷加載會因空燃比驟然減小導致PN短時間出現峰值，為應對國六瞬態排放測試循環，在開發過程中應提高工況突變情況下的標定精度；

d) DOC通過氧化反應“捕集”可揮發性有機顆粒，能夠有效降低PM，但無法減少PN；

e) 在不觸發主動再生的前提下，CDPF碳載量的增加會降低PN的排放量，PM也會持續下降，但無線性規律；

f) 環境溫度的下降會減弱CDPF被動再生速率，相同時間內，CDPF碳載量累積越快，在不觸發主動再生的前提下，PN排放量越低。