连续再生颗粒捕集器对柴油机颗粒排放的影响

楼狄明，温 雅，谭丕强，纪丽伟

（1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.上海柴油机股份有限公司，上海 200438）

大量研究表明，柴油机排放的颗粒存在着不同粒径，分布集中在10μm 以下［1－2］.这些颗粒能够穿透肺泡参与血气交换，其本身含有有毒重金属元素、多环芳烃类化合物，可被血液和人体组织吸收，对人体健康造成危害，同时也对大气环境造成危害［3］.因此，如何降低发动机细颗粒排放对环境和人体健康都有很重要的意义.但是，无论电控高压燃油喷射系统还是清洁燃料技术对柴油机颗粒排放的降低能力都是有限的，且在减小颗粒质量排放的同时常伴有粒径小于100nm颗粒数量的增加［4－5］.因此除了对颗粒质量排放的限制外，欧Ⅴ及欧Ⅵ型式认证和生产一致性排放限值还引入了对颗粒数量排放的限制.因此为了满足越来越严格的排放法规必须要加装后处理装置.

颗粒捕集器（DPF）是公认的能大幅降低柴油机颗粒排放且技术成熟的后处理装置［4－7］.本文所使用的连续再生颗粒捕集器（CR-DPF）［8］由氧化催化转化器（DOC）与催化型颗粒捕集器（CDPF）耦合而成.DOC氧化NO得到的NO2比O2氧化性更强，更易于碳粒的低温燃烧以实现CDPF的被动再生［9］.CDPF载体入口孔道壁面分布的催化剂进一步降低碳粒燃烧所需的温度，试验表明只需在200～300℃的温度即可实现微粒捕集器的再生［10］，保证了CRDPF工作的可靠性.此外CDPF前的DOC能将HC，CO等有害物质氧化成CO2和H2O，还能同时脱去颗粒中可溶性有机成分（SOF）［11－12］.因此 CRDPF被认为是一种结构简单且具有良好效果的后处理装置［9－12］.

研究CR-DPF对颗粒的捕集特性非常重要，特别是对不同粒径颗粒的捕集效率.本文对某高压共轨柴油机在不同工况下原机测点及CR-DPF前、后测点的排气温度、颗粒数量浓度分布特征、对不同粒径颗粒的捕集效率、总颗粒及核态和聚集态颗粒数量浓度以及核态颗粒数量浓度分数进行了试验研究.

1 试验设计

图1所示为发动机台架试验装置、发动机废气排放颗粒粒径谱仪（engine exhaust particle sizer，EEPS）颗粒物采集系统的布置以及EEPS采样点位置.台架系统由李斯特内燃机及测试设备公司（AVL List GmbH）的PUMA全自动试验控制台、电力测功机以及台架辅助设备构成.该系统为电力测功机与发动机直接耦合，可根据需要设定发动机不同的转速和转矩，使发动机在所需要的工况下运转，并实时记录相关数据.

颗粒排放测试仪采用美国TSI公司的3090型EEPS.该仪器检测粒径范围为5.6nm至560nm.瞬态响应优越，在0.1s内即可获得一个完整的颗粒粒径分布图谱，并同步输出32个粒径通道的颗粒数量浓度.

需对进入测试设备前的发动机排气颗粒进行稀释，采用二级稀释，总稀释体积比为250∶1，稀释温度为80℃.

图1 发动机台架试验系统Fig.1 Engine test bench system

1.1 后处理装置

试验采用后处理装置是由DOC与CDPF两部分耦合而成的CR-DPF，主要技术参数如表1所示.

表1 后处理装置技术参数Tab.1 Specifications of the after-treatments

CDPF为壁流式蜂窝陶瓷载体结构，其两相邻孔道中，一个孔道入口被堵住，另一个孔道出口被堵住，迫使排气穿过壁面，颗粒被捕集在孔道的壁面上.在DOC载体孔道及CDPF载体入口孔道壁面均分布有贵金属催化剂.

1.2 试验样机及试验方案

试验样机为某8.8L排量、电控高压共轨、废气涡轮增压中冷车用柴油机，其主要技术参数如表2所示.

表2 试验样机主要技术参数Tab.2 Specifications of the test engine

试验采用满足中华人民共和国国家环境保护标准GWKB1.2—2011车用柴油有害物质控制标准（第5阶段）要求的纯柴油.试验工况为该发动机外特性工况，如表3所示，其最大转矩下转速为1 400 r·min－1的4个不同负荷点如表4所示.

2 试验结果与分析

2.1 排气温度和排气背压

由表3可知，原机测点及CR-DPF前测点的排气温度在800～1 200r·min－1转速范围内均随转速升高而上升；当转速大于1 200r·min－1时，它随转速升高而下降.安装CR-DPF后缸内废气增加，使CR-DPF前测点的排气温度略高于原机测点的排气温度.800r·min－1时温升相对较低，约为5℃；1 000～2 200r·min－1时温升为15～28℃.最大转矩下转速为1 400r·min－1时原机测点及CR-DPF前测点排气温度随负荷升高而上升.1 400r·min－1下负荷特性时CR-DPF前测点相对于原机测点的温升小于外特性，约为2～12℃.排气温度的升高会影响排气中氧化成分对颗粒的氧化作用、催化剂的活性以及生成核态颗粒的均质形核作用等，从而影响颗粒数量浓度粒径分布.由表4可见，原机测点及CR-DPF前测点的排气背压随转速和负荷的升高而均上升.CR-DPF产生的流动阻力使发动机的排气背压高于原机，其升幅在0～6kPa范围内，且升幅随转速及负荷的升高而上升.排气背压升高会影响发动机正常的换气过程，部分废气在排气背压的作用下回流到气缸内，链式反应速率下降，燃烧恶化.

表3 外特性时排气温度及排气背压Tab.3 Exhaust temperature and pressure with external characteristic

表4 最大转矩下转速1 400r·min－1时排气温度及排气背压Tab.4 Exhaust temperature and pressure at the maximum torque speed 1 400r·min－1

2.2 CR-DPF对颗粒粒径数量浓度的影响

2.2.1 外特性下颗粒数量浓度粒径分布

图2中U0为原机测点颗粒数量浓度，Us，Ds分别为CR-DPF前、后测点颗粒数量浓度，R为捕集效率.

由图2可见，外特性时U0呈核态和聚集态双峰对数正态分布，峰值对应的粒径分别为20nm和60 nm左右，数量级为107～108.Us呈三峰对数正态分布，峰值粒径分别为10nm，17nm和60nm左右，数量级与原机测点相同.核态颗粒数量浓度在10nm左右出现一个新峰值是由于排气温度高于原机测点，不利于气态碳氢在微粒表面的凝结，导致此粒径附近的核态颗粒数量浓度增加.外特性时各转速下Us粒径小于191nm的颗粒数量浓度均高于U0.这是由于安装CR-DPF后发动机排气背压增大，废气不能顺利排出，缸内空燃比下降，燃烧恶化导致颗粒增多.但是粒径在191nm以上的聚集态颗粒数量浓度略低于U0.这是由于前测点排气温度高于原机测点，有利于排气中氧化成分对大粒径颗粒的氧化作用，使颗粒向小粒径方向移动.

Ds呈多峰对数正态分布，在粒径10，20和60 nm附近出现颗粒数量浓度峰值，数量级为105～106.与Us相比，Ds显著下降.各转速下CR-DPF对粒径大于15nm颗粒的R始终保持在较高水平，在98.2%～99.9%范围内波动.但是对于7～15nm颗粒R相对较低，原因在于DOC及CDPF涂层表面的催化剂将SO2氧化，促进硫酸盐的生成，而导致小粒径的颗粒增多.从图3还可以发现，在不同转速下，粒径小于7nm颗粒的R均高于96.1%，这是由于颗粒粒径很小，CDPF对颗粒捕集的扩散机理以及催化剂对SOF的氧化作用占主导作用.

由图3a可见，总颗粒数量浓度是核态和聚集态颗粒综合作用的结果.对于总颗粒，Us，Ds均随转速升高而上升，Ds与Us相比显著下降.R随转速升高而上升，在各转速下R分别为97.7%，98.1%，98.8%，99.2%，99.2%，99.3%，99.2%，99.3%.这是CDPF对颗粒捕集的拦截机理、惯性碰撞机理、扩散机理等以及DOC和CDPF孔道壁面的催化剂综合作用的结果.

通常认为核态颗粒是由燃烧室内形成的一次碳粒以及硫酸盐或HC等均质成核形成的二次颗粒.由图3b可见，对于核态颗粒Us，Ds均随转速升高呈波动上升的趋势，Ds与Us相比显著下降.R随转速变化不大，在800～2 200r·min－1各转速下捕集效率分别为97.9%，98.1%，98.6%，98.8%，98.7%，98.7%，98.7%，98.7%.这是 CDPF对颗粒捕集的扩散机理以及催化剂对于SOF的氧化作用的结果.

聚集态颗粒数主要是由柴油或润滑油经不完全燃烧而产生的一次碳粒聚积成团并凝结部分HC和硫酸盐等半挥发组分形成的.由图3c可见，对于聚集态颗粒Us随转速升高而上升.这是因为转速增加会使每循环空燃比下降，每循环时间缩短生成的一次碳粒来不及氧化就被排出发动机.而Ds随转速没有明显的变化趋势，与Us相比显著下降.R随转速升高而上升，在各转速下R分别为97.1%，98.1%，99.0%，99.5%，99.6%，99.7%，99.6%，99.8%.

图2 外特性时颗粒数量浓度及捕集效率与粒径分布的关系Fig.2 Particle number and reduction ratio weighted size distribution with external characteristic

由以上数据可见，外特性各转速下CR-DPF对聚集态颗粒的捕集效率均高于核态颗粒.一方面是由于催化剂的作用：DOC及CDPF孔道表面的催化剂将聚集态颗粒表面的SOF氧化，使颗粒向小粒径方向移动，促进SO2氧化，增加了硫酸盐的生成量，同时促进排气中氧化成分对碳颗粒的氧化作用，不仅使长碳链断开成短碳链，还使排气中碳核心数量浓度下降，其吸附挥发性组分的吸附能力下降，导致颗粒均质形核作用增强.另一方面，虽然聚集态颗粒粒径大于核态颗粒，导致CDPF对其捕集的扩散机理作用下降，但是同时惯性碰撞和拦截机理作用增强.

由表5可见，原机测点和前测点核态颗粒数量浓度分数均随转速升高而下降.原因在于高转速下碳颗粒的浓度较高，碳烟比表面积增加，对硫酸和HC等挥发及半挥发物质的吸附能力上升，因此排气中核态颗粒数量逐渐下降.前测点核态颗粒数量浓度分数高于原机，这是因为安装CR-DPF后排气温度高于原机，有利于排气中的氧化成分对颗粒的氧化作用，使颗粒向小粒径方向移动.后测点核态颗粒数量浓度分数随转速的变化不大.CR-DPF后测点与前测点相比核态颗粒数量浓度分数有所增加，这与CR-DPF对聚集态的捕集效率高于核态颗粒有关.

2.2.2 负荷特性下颗粒数量浓度粒径分布

图4中pme为平均有效压力.由图4可见，在负荷特性下，U0呈核态和聚集态的双峰对数正态分布，峰值数量级为106～107.Us呈三峰对数正态分布，峰值粒径分别为10，20和45nm左右，数量级也与U0相同.和外特性一样，各负荷工况下除大粒径颗粒，Us均高于U0.

图3 外特性时颗粒数量浓度及捕集效率与转速的关系Fig.3 Influence of engine speed on particle number concentration and reduction ratio with external characteristic

表5 外特性时核态颗粒数量浓度分数Tab.5 Fraction of nuclei mode particles number concentration with external characteristic

图4 最大转矩下转速1 400r·min－1时颗粒数量浓度及捕集效率与粒径的关系Fig.4 Particle number size distribution and reduction ratio weighted at the maximum torque speed 1 400r·min－1

由图4可见，Ds呈多峰对数正态分布.在粒径10，20和60nm附近出现颗粒数量浓度峰值.与Us相比，Ds显著下降，峰值数量级降至105～106.在各负荷工况下，该装置对小于7nm的颗粒R在94.6%以上；对于7nm左右的颗粒，R最低，这是由于催化剂的作用导致该粒径处的颗粒数量相对较多；对粒径为7～15nm的颗粒，R随粒径增大逐渐上升；对大于15nm的颗粒，R均保持较高水平，在95.9%～99.9%的范围内波动，且波动幅度比外特性时大.负荷特性时该装置对14，34和124nm粒径附近的颗粒捕集效率最高.

由图5a可见，对于总颗粒，Us随负荷升高略有上升；Ds随负荷升高没有明显变化规律.在各负荷工况下 CR-DPF对总颗粒R分别为96.5%，96.9%，96.6%，97.7%.外特性时比负荷特性时捕集效率高，是因为排气温度随负荷升高而上升，催化剂活性增强，有利于NO氧化为NO2，促进了碳粒的低温燃烧［9］.

图5 最大转矩下转速1 400r·min－1时颗粒数量浓度及捕集效率与平均有效压力的关系Fig.5 Influence of engine load on particle number concentration and reduction ratio at the maximum torque speed 1 400r·min－1

由图5b可见对于核态颗粒Us与Ds随负荷没有明显规律.在各负荷工况下R分别为96.5%，96.8%，96.5%，97.7%.由图5c可见，对于聚集态颗粒，Us随负荷升高而上升，原因在于随着负荷升高每循环供油量增加，燃空比增加，燃烧向缺氧方向发展，促进了聚集态颗粒的生成.Ds显著低于Us，随负荷升高呈波动增加的趋势.在各负荷工况下对于聚集态颗粒，R分别为96.5%，97.1%，96.7%，97.8%.同外特性时一样，CR-DPF对聚集态颗粒的捕集效率略优于对核态颗粒的.

由表6可见，原机测点和前测点核态颗粒数量浓度分数随负荷的升高而下降.同外特性时一样，前测点核态颗粒数量浓度分数高于原机.后测点核态颗粒数量浓度分数也随负荷升高而下降.CR-DPF后测点与前测点相比核态颗粒数量浓度分数有所增加，这是由于CR-DPF对聚集态的捕集效率高于核态颗粒造成的.

表6 最大转矩下转速1 400r·min－1时核态颗粒数量浓度分数Tab.6 Fraction of nuclei mode particles number concentration at the maximum torque speed 1 400r·min－1

3 结论

（1）CR-DPF的安装改变了发动机的排气状态，使得前测点排气温度高于原机测点的排气温度.负荷特性时前测点相对于原机测点的温升为2～12℃，小于外特性的温升.

（2）燃用满足车用柴油有害物质控制标准（第5阶段）柴油时发动机原机测点颗粒数量浓度呈双峰对数正态分布.安装CR-DPF后，前测点颗粒数量浓度呈三峰对数正态分布，后测点的则呈多峰对数正态分布.

（3）在安装CR-DPF后，由于排气背压升高，其前测点粒径小于191nm颗粒的数量浓度均高于原机测点.但是由于排气温度升高，氧化作用增强，大粒径颗粒的数量浓度略低于原机测点.前测点核态颗粒数量浓度分数高于原机测点，但对最终排入大气中的颗粒分布影响不大.

（4）CR-DPF对柴油机排放颗粒的数量浓度具有显著的降低作用.外特性时其对总颗粒的捕集效率为97.7%～99.3%；转速为1 400r·min－1情况下负荷特性时该值相对较低，为96.5%～97.7%.

（5）CR-DPF对于颗粒的捕集效率受到颗粒粒径的影响.由于催化剂的作用，对于7～15nm粒径颗粒的捕集效率相对较低.而对于其他粒径颗粒，其捕集效率保持在89.5%以上.无论在外特性还是负荷特性下，CR-DPF对聚集态颗粒的捕集效果均优于核态颗粒，使后测点核态颗粒数量浓度分数高于前测点.

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