柴油機排放顆粒數控制方法研究

封 慧，陸 健，王建航，趙 娜，馬燕燕，房瑞雪

柴油機排放顆粒數控制方法研究

封 慧1,2，陸 健1,2，王建航1,2，趙 娜1,2，馬燕燕1,2，房瑞雪1,2

（1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261001；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著全球空氣污染加劇，控制柴油機排放污染物是解決污染的主要措施之一。柴油機排放污染物中的顆粒數（PN）不僅污染空氣，還嚴重危害人們的身體健康。為了滿足法規中PN的要求，分別從優化燃燒、優化活塞環組、優化油氣分離器的分離方式、優化顆粒捕集器（DPF）四方面入手，提出了優化措施，并通過試驗，驗證了優化措施的可行性。

PN；活塞環組；油氣分離器；DPF

柴油機因其熱效率高、功率覆蓋廣、燃油經濟性和動力性好等優點被廣泛應用于各個行業。然而，柴油機在給人們生活提供便利的同時，也帶來了嚴重的空氣污染問題。柴油機產生的顆粒物不僅污染空氣，其攜帶的多環芳烴等化學物質還危害人們的身體健康。粒徑較小的顆粒物可以吸附很多有毒成分，并且可以被人體吸入，影響人體健康[1-7]。

為了滿足法規對顆粒數（Particle Number, PN）限值的要求，本文從優化燃燒、優化活塞環組、優化油氣分離器的分離方式、優化顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）四方面入手，提出了優化措施，并進行了試驗驗證，為柴油機顆粒物控制方法提供參考和建議。

1 顆粒物的分類及形成原因

柴油機顆粒物的主要成分為碳煙顆粒、灰分、可溶性的液態顆粒和硫化物顆粒，其中碳煙顆粒所占比例最多[3]。柴油機排放尾氣中碳煙顆粒的質量和數量分布如圖1所示。

圖1 柴油機排氣微粒的典型質量和數量粒徑分布[17]

碳煙顆粒可以根據粒徑的大小分為核態、積聚態和粗糙態。核態的碳煙顆粒主要是由以下幾部分組成：在缸內燃燒過程中，沒有完全燃燒的碳核、揮發性的碳氫化合物還有燃油中的含硫化合物和部分的金屬化合物，其顆粒數量占碳煙顆粒的90%[8-16]。

排放法規中柴油機PN是指所有粒徑超過23 nm的顆粒物的總數量，為了滿足法規要求，需要減小柴油機燃燒過程中核態、積聚態顆粒物的生成、控制并優化核態、積聚態顆粒物的排放。

2 PN的控制方法

柴油機PN的控制方法主要分為兩個方面：一方面降低原排PN：通過優化燃燒，保證過量空氣系數、改善油氣混合均勻性，來降低柴油機原始排放的PN；另一方面優化尾氣排放的PN值，主要是通過采用DPF等后處理裝置，控制尾氣排放PN。對于采用開式循環的柴油機，油氣分離器出氣管排出的氣體直接排放到大氣，會直接影響柴油機的顆粒物總數量。因此，一方面要控制曲軸箱的竄氣量，可以通過優化活塞環組來實現；另一方面優化油氣分離器的分離方式，提高分離效率，降低因曲軸箱竄氣引起的顆粒物數量增多的現象，具體方法如圖2所示。

圖2 顆粒物數量控制方法

2.1 優化燃燒，降低原排PN

發動機在運行過程中，燃燒后的氣體大部分通過排氣管之后處理，還有一小部分經過活塞、活塞環組和缸孔之間的間隙進入曲軸箱。因此通過優化燃燒，可以從根本上降低排放，從而降低燃燒后氣體的PN。優化燃燒主要從優化配置和優化標定入手，達到降低PN的目的。

1）優化關鍵配置，降低PN原排

某排量為2.3 L的國六機型的試驗數據如圖3所示，從圖3可知，PN與顆粒物（Particulate Matter, PM）之間存在一定的相關性，PM出現峰值的區域，PN同樣出現峰值。因此降低PN原排可采取降低PM原排的措施，即保證過量空氣系數；通過增加噴油器孔數、減小孔徑、提高噴油壓力、改善燃油霧化等措施改善油氣混合均勻性，使燃油充分燃燒。

圖3 PN和PM排放的相關性

2）標定優化，降低PN原排

在進行標定優化的過程中，其主要的影響參數為提前角、軌壓、廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation, EGR）率、節流閥開度。在某排量為2.3 L的國六發動機上進行標定優化試驗，結果如圖4所示。由圖4可知，增大提前角，能明顯降低PN，但NOX增長趨勢較快，降低30%PN，NOX升高3.5 g/(kWh)左右；增大軌壓能明顯降低PN，降低30%PN，NOX升高0.5 g/kWh左右，但是油耗也會有一定的惡化；減小EGR率，能有效降低PN，EGR率超過約20%后，PN呈指數型增長；關小節流閥，PN減小。當節流閥開度小于35%后，隨著節流閥開度減小，PN增長明顯。

2.2 優化活塞環組，降低漏氣量

活塞環主要分為氣環和油環，氣環的作用是密封、傳熱、控制機油消耗量，密封缸內氣體，控制竄氣量，傳遞熱量實現活塞的冷卻；油環的作用是刮油和布油。

柴油機的活塞環組通常由兩個氣環和一個油環組成。頂環的功能主要是密封缸內氣體，油環的功能是控制機油消耗。第二道氣環的作用既有密封氣體，也有控制油耗的作用，但更多的是為了后者。頂環靠近燃燒室，在熱負荷特別高的發動機中，頂環易卡在環槽中，導致拉缸或竄氣竄油的故障，為了避免出現以上問題，第一道活塞環的斷面形狀通常設計為梯形。扭曲環在發動機中應用廣泛，第二道氣環通常使用扭曲環，其特點是與缸壁呈線接觸，磨合性好，與環槽上下也是線接觸，密封性能得到改善，并且減輕了對環槽的沖擊，防止竄油、竄氣效果都比較好[18]。

圖5 開口間隙對竄氣量的影響

對于采用開式曲軸箱通風系統的柴油機而言，活塞環漏氣量將增加整機的PN排放。影響漏氣量的主要因素有活塞與缸套的配合間隙、活塞環的開口間隙、活塞環的斷面形狀等。本文通過減小公差，控制一環的閉口間隙，同時將二環由反扭更改為正扭，測量優化前后的漏氣量，如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著開口間隙的減小，竄氣量呈現降低的趨勢，通過優化開口間隙及活塞環斷面形狀，竄氣量由70 L/min降低到50～ 55 L/min。

2.3 優化油氣分離器的分離方式，降低開式循環PN

曲軸箱內的氣體主要由以下兩部分組成：一部分為發動機在運行過程中，燃燒后通過活塞進入曲軸箱的氣體；另一部分為機油因曲軸箱內高溫而蒸發的機油蒸汽。這些混合性氣體含有大量的沒有充分燃燒的燃油、水蒸氣以及大部分的顆粒物質，它們凝結后會對機油造成稀釋和氧化，進而影響發動機的可靠耐久性。有研究表明，曲軸箱竄氣中顆粒物質能夠占到發動機排放的總顆粒物質的20%[19-20]。

曲軸箱內的氣體通過油氣分離器分離后，分離出的機油重新流回到油底殼，氣體排入大氣的為開式油氣分離器系統；氣體排入進氣管路的為閉式油氣分離器系統。與開式系統不同，閉式系統的氣體進入進氣管，再次參與燃燒過程。因氣體中含有大量燃油、機油，其對發動機的增壓系統及后處理系統都會產生不良影響，甚至會引起重大泄露事故，因此本文采用開式油氣分離器系統，通過優化分離方式，降低PN。

油氣分離器根據分離方式的不同可分為主動式、纖維濾芯式、高效撞擊毛氈式、撞擊毛氈式、普通撞擊式5種類型。在某發動機上分別使用上述方式，測量出氣含油量及開式PN的數值，結果如表1和表2所示。由表1和表2可知，從降低PN效果來看，主動式、纖維濾芯式比較好，其次為高效撞擊毛氈式、撞擊毛氈式，最差的為普通撞擊式。根據試驗結果，綜合考慮布置空間及成本問題，選擇合適的油氣分離方式，達到降低PN的效果。

表1 不同分離方式下的出氣含油量 單位：g/100 kWh

主動式纖維濾芯式高效撞擊毛氈式撞擊毛氈式普通撞擊式 出氣含油量0.070.240.1610.7450.94

表2 不同分離方式對開式PN的影響 單位：個

主動式纖維濾芯式高效撞擊毛氈式撞擊毛氈式普通撞擊式 開式PNWHTC1.6E+111.4E+112.7E+113.4E+114.4E+11 WHSC1.8E+111.5E+112.3E+112.6E+113.4E+11 降PN效果好好中中差

注：WHTC，全稱為Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle，即瞬態試驗循環； WHSC，全稱為World Harmonized Steady-state Cycle，即穩態測試循環。

2.4 優化DPF，降低尾氣PN

柴油機DPF技術，是目前滿足國六排放法規普遍使用的后處理技術。DPF能夠明顯降低顆粒物的排放重量和數量。目前最常用的是壁流式DPF，其工作原理如圖6所示，通過使用類似蜂窩的結構，通道兩端一端開通，一端堵死，迫使氣流從壁面上的多孔結構通過，顆粒物無法通過，被捕集下來，成為沉積的積碳[20-26]。

圖6 壁流式DPF工作原理示意圖[9]

法規中PN計數粒徑為23 nm以上，DPF的中值孔徑為12～13 nm，柴油發動機排放的顆粒物的粒徑大多數是10～200 nm，因此為了提高DPF的捕集效率，需要經過一定的預處理，如載體表面的碳層/灰層，如圖7所示。從圖7中可以看出DPF的碳層/灰層需要有一定的厚度才能提高捕集效率，從而滿足排放法規的要求。

圖7 DPF增加碳層或灰層后，提高捕集效率的示意圖

同時對DPF的載體結構進行設計，將載體的中值孔徑從13 μm降至9 μm，進一步提高捕集效率，并升級催化劑的涂覆工藝。通過以上措施的實施，可以有效地控制PN排放的超標問題。

3 結論

1）PN與PM之間存在一定的相關性，PM出現峰值的區域，PN同樣出現峰值。PN與NOX也存在一定的相關性，在PN明顯降低時，NOX呈增長趨勢。通過優化配置，降低PM的同時也降低了PN；通過標定優化可以有效降低PN，但NOX升高。

2）活塞環組開口間隙及環組的結構形狀對柴油機曲軸箱竄氣量有顯著影響，通過減小開口間隙，優化環組形狀，曲軸箱竄氣量降幅明顯。

3）油氣分離器不同的分離方式對降低PN 有顯著影響，主動式、纖維濾芯式比較好，其次為高效撞擊毛氈式、撞擊毛氈式，最差的為普通撞擊式。

4）DPF能夠明顯降低尾氣排放的PN，通過優化DPF的孔徑，升級涂覆工藝，可以有效地控制PN排放超標的問題。

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Research on Particle Number Control Method of Diesel Engine

FENG Hui1,2, LU Jian1,2, WANG Jianhang1,2, ZHAO Na1,2, MA Yanyan1,2, FANG Ruixue1,2

( 1.State Key Laboratory of Engine Reliability, Weifang 261001, China;2.Weichai Power Company Limited, Weifang 261061, China )

With the intensification of global air pollution, the control of diesel emission pollutants is one of the most important measures to solve the pollution. Particle number (PN) in diesel emissions not only pollutes the air, but also seriously endangers people's health. In order to meet the requirements of PN in the regulations, optimization measures are put forward from four aspects, namely, optimization of combustion, piston ring group, separation mode of oil/gas separator, and diesel particulate filter (DPF), and the feasibility of the optimization measures is verified through tests.

PN; Piston ring group; Oil/gas separator; DPF

TK421.5

A

1671-7988(2023)18-183-05

封慧（1988－），女，碩士，工程師，研究方向為密封可靠性，E-mail:fengh@weichai.com。

國家重點研發計劃（2021YFB3503205）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.036