柴油车道路行驶及颗粒捕集器再生期间颗粒物排放*

彭美春 邹康聪 陈 越 黄文伟

(1.广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006；2.深圳职业技术学院汽车与交通学院，广东 深圳 518055)

据统计，全国汽车颗粒物排放总量的84.6%以上来源于仅占汽车保有量7.9%的柴油货车[1]，可见降低柴油货车颗粒物排放意义重大。《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)新增了车辆实际道路行驶排放(RDE)测试要求，规定了粒子数量(PN)排放限值。实际道路运行工况的多变性与驾驶习惯的差异等带来排放的不确定性。HUANG等[2]、SAARI等[3]研究认为，驾驶激烈程度、负荷、道路坡度等均对柴油车辆颗粒物排放产生影响。RDE测试要求对颗粒物排放控制技术提出了更高要求。柴油机颗粒捕集器(DPF)可有效捕集排气颗粒物[4]，但随DPF中沉积的颗粒物量增加会堵塞DPF导致发动机排气背压增大，排放性能等恶化[5]，因此沉积的颗粒物需不断被氧化燃烧，呈气态或细小的颗粒物状排出，谓之DPF再生。再生期间，细小的颗粒物排出怎样影响PN的RDE测试，引起了关注。张俊等[6]研究了柴油机DPF喷油主动再生技术对PN排放的影响，发现再生期间PN排放增大。R’MILI等[7]也得出类似结论。孟忠伟等[8]研究了外加热源主动再生技术对DPF再生时PN排放的影响，发现再生初期PN排放增加。YOON等[9]发现，令DPF再生过程PN排放增大的原因主要是一些成核模式的粒子物排放量大增。YAMADA等[10]研究发现，DPF主动再生过程中挥发性有机物大量增加。当前对PN排放特性的研究大多基于室内台架、稳态工况，对柴油车实际道路行驶瞬态工况下PN排放特性，尤其对实际道路行驶中DPF再生期间PN排放规律了解甚少，其原因有实际道路运行工况不确定性与颗粒物车载排放测试系统(PEMS)的复杂性等。本研究以匹配DPF的重型柴油货车为对象，依照国Ⅵ排放标准的RDE测试规范，采用先进的PEMS开展整车实际道路运行颗粒物排放测试，研究车辆实际道路运行工况等与PN排放关系，测试DPF对颗粒物的净化率，探究DPF再生对PN排放的影响。研究成果可为开发精细的颗粒物排放控制技术提供参考。

1 试验方案

1.1 试验样车

试验样车为具有高压共轨、增压中冷技术的重型柴油货车，匹配有柴油机氧化催化(DOC)、DPF后处理器，DPF再生形式为喷油主动再生。试验所用的DOC与DPF后处理器为整体封装，故本研究的DPF包括了DPF与DOC。车辆主要技术信息见表1。

表1 整车与发动机技术参数

1.2 试验设备

采用美国Sensors公司的SEMTECH-CPN颗粒物数量测量装置进行车辆实际运行排放车载测试，该设备满足实验室级别的精度标准要求，具有排气流量和排气温度测量模块，能读取发动机的转速、扭矩，具有燃油消耗率等参数的车载诊断系统模块、记录时间与车速等信息的全球定位系统模块及采用凝结核粒子计数原理测量PN的测量模块等。

1.3 试验方法

参考重型柴油车国Ⅵ标准的RDE测试规范，依据车辆行驶平均速度选择了市区路(15～30 km/h)、市郊路(45～70 km/h)和高速路(>70 km/h)等道路类型，选择位于深圳西—东莞—广州东路段适合的试验路线(见图1)。先从位于深圳南山区的市区路出发，最后经广深沿江高速S3到广州黄埔区黄埔收费站终止，往返连续行驶进行测试。市郊路试验部分时段选择在高速路上进行，通过控制车速模拟市郊路工况。

图1 试验路线Fig.1 Test route

按照整车最大总质量的50%给车辆加载荷，使用制式砝码作为负载，载荷均匀布置在车厢内。使用国Ⅵ排放标准的柴油，含硫量不大于10 mg/kg。为研究DPF对PN排放影响，本研究进行3种状态下整车PN排放试验研究：(1)未匹配DPF，称为原机状态；(2)匹配DPF且DPF未发生再生，称为捕集状态；(3)匹配DPF且DPF发生再生，称为再生状态。所有试验由同一技术熟练的专业驾驶员驾驶试验车辆，尽量保持每次试验的驾驶操作相近，3种状态下车载试验集中在一周内完成，气候环境条件基本相同。为触发DPF主动再生，完成试验路线之后，沿原路返回行驶进行试验。

2 结果与分析

2.1 原机和捕集状态下PN排放与运行工况关系

2.1.1 PN排放速率与燃油消耗率的关系

将车载测试获得的PN排放浓度，与排气流量相乘，得到PN排放速率。由图2可见，随燃油消耗率增加，原机与捕集状态下PN排放速率均呈线性增加趋势，但捕集状态PN排放速率较原机状态低近2个数量级。PN排放来源于燃料的燃烧，燃料消耗越多，PN生成量自然越大。

图2 PN排放速率与燃油消耗率的关系Fig.2 Relationship between PN emission rate and fuel consumption rate

2.1.2 PN排放速率与发动机工况的关系

由图3可见，发动机的转速分布在600～1 800 r/min，扭矩分布在0～800 N·m，发动机主要工作在中低转速区，扭矩覆盖范围较宽广。

图3 发动机运行工况散点图Fig.3 The scatter diagram of engine operating conditions

将发动机的转速测试数据划分为若干区间，统计各主要工况区间PN平均排放速率，结果见图4。原机状态下，PN排放速率在1011数量级附近，高PN排放区位于发动机中高转速、大扭矩工况区。发动机的扭矩、转速增加，对应的循环供油量增加，颗粒物生成增多，因此PN排放速率随扭矩、转速的增加基本呈增大的趋势。捕集状态下，PN排放速率最高在109数量级，较原机状态低了近2个数量级，说明DPF对PN的净化率非常高，达99%以上。

图4 PN排放速率与转速、扭矩的关系Fig.4 Relationship between PN emission rate and engine speed，torque

捕集状态下，≤1 200 r/min时，PN排放速率随转速增大的梯度不及原机明显，其原因在于有DPF时的PN排放取决于发动机燃烧生成量与DPF净化量。因DPF对PN有99%以上的净化率，转速升高导致的PN生成增加量在低速区基本被DPF净化，故PN排放速率随转速增加不明显。但>1 200 r/min时，转速进一步增大导致DPF空速增大，扩散捕集效率有所降低，PN排放速率随转速增大变得明显。同样，由于DPF高的净化率，导致PN排放速率随扭矩增大的增幅不及原机状态明显。

2.1.3 车辆行驶工况对PN排放的影响

车速和PN排放浓度随时间的变化见图5。原机状态下，PN排放浓度主要在106～107#/cm3。低于50 km/h时，车速波动频繁，PN排放浓度波动也大；高于60 km/h时，车速变平稳，PN排放浓度也相对稳定。低于50 km/h基本属于市区路路况，因交通不够顺畅，频繁加减速，容易出现急加减速工况，喷油量增减频繁，燃烧不稳定，导致PN排放波动较大。60～80 km/h区域为市郊路与高速路路况，车流顺畅，车速较稳定，发动机运行工况较稳定，故PN排放变化较稳定。

图5 车速和PN排放浓度随时间的变化Fig.5 Variation of vehicle speed and PN emission concentration with time

原机与捕集状态下车速曲线基本相同，说明运行工况类似，但PN排放浓度差异较大，捕集状态下的PN排放浓度较原机状态约低2个数量级。捕集状态下，低于70 km/h区域，PN排放浓度低且变化不大；高于70 km/h区域，PN排放浓度出现了3个波峰(见图5(b))，波峰①、②出现在加速阶段，波峰③出现在急减速阶段。波峰①、②产生原因有2个：(1)加速喷油量增大，PN生成量增大；(2)加速瞬时变大的排气流量可能使吸附在DPF上的颗粒物脱附，而被气流吹出。形成波峰③的原因是急减速阶段吸附在DPF壁面的颗粒物由于排气流量突变，形成短暂反向负压从DPF中逸出，导致PN排放浓度增大，这与陈熊等[11]的研究结果相符。

PN排放速率与车速、加速度的关系见图6。原机和捕集状态下，随车速增大，PN排放速率总体均呈增大趋势。分析认为车速增大，需求功率增加，相应发动机燃油消耗率增大，PN生成量增大。在中高车速、急加减速下出现一些较高PN排放速率点，原因同3个波峰的形成原因。原机状态下，在低车速、较大加减速下存在较大的PN排放速率点，而捕集状态下，高的PN排放速率主要集中在中高车速区，但PN排放速率远低于原机状态。

图6 PN排放速率与车速、加速度的关系Fig.6 Relationship between PN emission rate and vehicle speed，acceleration

2.1.4 PN排放浓度与排气流量的关系

由图7可见，原机状态下，PN排放浓度在0～200 kg/h时稍低，>200 kg/h时变化不明显。捕集状态下，PN排放浓度随排气流量增加而明显变化，分析原因是排气流量增加，DPF空速增大，排气颗粒物流经DPF时因佩克莱特数增大，扩散捕集效率降低，导致PN排放浓度增加。

图7 PN排放浓度随排气流量的变化Fig.7 PN emission concentration changes with exhaust flow

2.2 DPF对PN净化率影响

净化率(η，%)以原机排放为基准，按式(1)计算得出。

(1)

式中：N0和Na分别为原机与捕集状态下的PN排放浓度，#/cm3。

由图8可见，DPF的净化率都在99%以上，净化效果非常显著。净化率随车速增大而降低，认为主要原因为车速增大，DPF空速增大，DPF对颗粒物的扩散捕集效率下降，导致净化率降低。

图8 不同路况下PN排放浓度和净化率Fig.8 PN emission concentration and purification ratio under different road conditions

2.3 再生状态下PN排放特性

测试车辆完成一个从市区经市郊到高速的完整三路况RDE测试后，原路返回，以70～80 km/h高速行驶、连续运行约50 min，DPF可发生喷油主动再生事件。根据瞬时燃油消耗率确定再生期，将同样路段下燃油消耗率急剧增大脱离正常曲线点确定为再生起点，将燃油消耗率降低到正常曲线点作为再生终点，起点与终点之间构成再生期，可见再生期时长约1 300 s。以再生期为界，可将PN排放分为再生前(再生之前200 s)、再生期间和再生后(再生之后200 s)3个阶段。

由图9可见，捕集状态下PN排放浓度最低，原机状态下最高，再生状态居中。再生状态下，再生期间约1 200 s的时间里PN排放浓度稍低于原机状态，明显高于捕集状态；再生前与再生后PN排放浓度与捕集状态下相差不多。

图9 3种状态下PN排放浓度随时间的变化Fig.9 Variation of PN emission concentration with time in three states

两次再生试验分别称为Test1、Test2。由图10可见，再生期间，PN排放浓度与原机状态接近，明显高于再生前，是再生前的40～100倍。分析有3个方面原因：(1)再生使沉积在孔壁面的颗粒物燃烧，让DPF孔道壁面碳饼层变薄，导致DPF对颗粒物的过滤效率降低，同施蕴曦等[12]研究结果；(2)再生时，DPF中沉积的颗粒物因燃烧产生较多的小粒径粒子逸出，导致PN排放显著增多，与文献[13]、[14]的研究结果相同；(3)喷油主动再生，导致燃烧产生的PN排放量增大。再生后，DPF又开始正常的颗粒捕集工作，恢复捕集效率，再生后的PN排放浓度基本接近再生前。

图10 再生对PN排放浓度的影响Fig.10 Influence of regeneration on PN emission concentration

综上，再生期间约20 min接近原机状态下高的PN排放水平，会明显加大颗粒物排放，采取相关技术控制再生期间高的颗粒物排放问题十分必要。

3 结 论

(1) PN排放速率与燃油消耗速率呈线性关系，随发动机的转速、扭矩与车速的升高而增大。

(2) 匹配DPF情形下，PN排放浓度随排气流量的增大而增加。

(3) DPF对PN的净化率大于99%，净化率随车速增大而降低。

(4) DPF喷油主动再生期间，PN排放浓度远高于未再生时段，接近未匹配DPF时的排放浓度。再生后，DPF恢复捕集效能同再生前。再生时长约1 300 s。