樓狄明，溫 雅，譚丕強，紀麗偉

（1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.上海柴油機股份有限公司，上海 200438）

大量研究表明，柴油機排放的顆粒存在著不同粒徑，分布集中在10μm 以下［1－2］.這些顆粒能夠穿透肺泡參與血氣交換，其本身含有有毒重金屬元素、多環(huán)芳烴類化合物，可被血液和人體組織吸收，對人體健康造成危害，同時也對大氣環(huán)境造成危害［3］.因此，如何降低發(fā)動機細顆粒排放對環(huán)境和人體健康都有很重要的意義.但是，無論電控高壓燃油噴射系統(tǒng)還是清潔燃料技術對柴油機顆粒排放的降低能力都是有限的，且在減小顆粒質量排放的同時常伴有粒徑小于100nm顆粒數(shù)量的增加［4－5］.因此除了對顆粒質量排放的限制外，歐Ⅴ及歐Ⅵ型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值還引入了對顆粒數(shù)量排放的限制.因此為了滿足越來越嚴格的排放法規(guī)必須要加裝后處理裝置.

顆粒捕集器（DPF）是公認的能大幅降低柴油機顆粒排放且技術成熟的后處理裝置［4－7］.本文所使用的連續(xù)再生顆粒捕集器（CR-DPF）［8］由氧化催化轉化器（DOC）與催化型顆粒捕集器（CDPF）耦合而成.DOC氧化NO得到的NO2比O2氧化性更強，更易于碳粒的低溫燃燒以實現(xiàn)CDPF的被動再生［9］.CDPF載體入口孔道壁面分布的催化劑進一步降低碳粒燃燒所需的溫度，試驗表明只需在200～300℃的溫度即可實現(xiàn)微粒捕集器的再生［10］，保證了CRDPF工作的可靠性.此外CDPF前的DOC能將HC，CO等有害物質氧化成CO2和H2O，還能同時脫去顆粒中可溶性有機成分（SOF）［11－12］.因此 CRDPF被認為是一種結構簡單且具有良好效果的后處理裝置［9－12］.

研究CR-DPF對顆粒的捕集特性非常重要，特別是對不同粒徑顆粒的捕集效率.本文對某高壓共軌柴油機在不同工況下原機測點及CR-DPF前、后測點的排氣溫度、顆粒數(shù)量濃度分布特征、對不同粒徑顆粒的捕集效率、總顆粒及核態(tài)和聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度以及核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)進行了試驗研究.

1 試驗設計

圖1所示為發(fā)動機臺架試驗裝置、發(fā)動機廢氣排放顆粒粒徑譜儀（engine exhaust particle sizer，EEPS）顆粒物采集系統(tǒng)的布置以及EEPS采樣點位置.臺架系統(tǒng)由李斯特內燃機及測試設備公司（AVL List GmbH）的PUMA全自動試驗控制臺、電力測功機以及臺架輔助設備構成.該系統(tǒng)為電力測功機與發(fā)動機直接耦合，可根據(jù)需要設定發(fā)動機不同的轉速和轉矩，使發(fā)動機在所需要的工況下運轉，并實時記錄相關數(shù)據(jù).

顆粒排放測試儀采用美國TSI公司的3090型EEPS.該儀器檢測粒徑范圍為5.6nm至560nm.瞬態(tài)響應優(yōu)越，在0.1s內即可獲得一個完整的顆粒粒徑分布圖譜，并同步輸出32個粒徑通道的顆粒數(shù)量濃度.

需對進入測試設備前的發(fā)動機排氣顆粒進行稀釋，采用二級稀釋，總稀釋體積比為250∶1，稀釋溫度為80℃.

圖1 發(fā)動機臺架試驗系統(tǒng)Fig.1 Engine test bench system

1.1 后處理裝置

試驗采用后處理裝置是由DOC與CDPF兩部分耦合而成的CR-DPF，主要技術參數(shù)如表1所示.

表1 后處理裝置技術參數(shù)Tab.1 Specifications of the after-treatments

CDPF為壁流式蜂窩陶瓷載體結構，其兩相鄰孔道中，一個孔道入口被堵住，另一個孔道出口被堵住，迫使排氣穿過壁面，顆粒被捕集在孔道的壁面上.在DOC載體孔道及CDPF載體入口孔道壁面均分布有貴金屬催化劑.

1.2 試驗樣機及試驗方案

試驗樣機為某8.8L排量、電控高壓共軌、廢氣渦輪增壓中冷車用柴油機，其主要技術參數(shù)如表2所示.

表2 試驗樣機主要技術參數(shù)Tab.2 Specifications of the test engine

試驗采用滿足中華人民共和國國家環(huán)境保護標準GWKB1.2—2011車用柴油有害物質控制標準（第5階段）要求的純柴油.試驗工況為該發(fā)動機外特性工況，如表3所示，其最大轉矩下轉速為1 400 r·min－1的4個不同負荷點如表4所示.

2 試驗結果與分析

2.1 排氣溫度和排氣背壓

由表3可知，原機測點及CR-DPF前測點的排氣溫度在800～1 200r·min－1轉速范圍內均隨轉速升高而上升；當轉速大于1 200r·min－1時，它隨轉速升高而下降.安裝CR-DPF后缸內廢氣增加，使CR-DPF前測點的排氣溫度略高于原機測點的排氣溫度.800r·min－1時溫升相對較低，約為5℃；1 000～2 200r·min－1時溫升為15～28℃.最大轉矩下轉速為1 400r·min－1時原機測點及CR-DPF前測點排氣溫度隨負荷升高而上升.1 400r·min－1下負荷特性時CR-DPF前測點相對于原機測點的溫升小于外特性，約為2～12℃.排氣溫度的升高會影響排氣中氧化成分對顆粒的氧化作用、催化劑的活性以及生成核態(tài)顆粒的均質形核作用等，從而影響顆粒數(shù)量濃度粒徑分布.由表4可見，原機測點及CR-DPF前測點的排氣背壓隨轉速和負荷的升高而均上升.CR-DPF產(chǎn)生的流動阻力使發(fā)動機的排氣背壓高于原機，其升幅在0～6kPa范圍內，且升幅隨轉速及負荷的升高而上升.排氣背壓升高會影響發(fā)動機正常的換氣過程，部分廢氣在排氣背壓的作用下回流到氣缸內，鏈式反應速率下降，燃燒惡化.

表3 外特性時排氣溫度及排氣背壓Tab.3 Exhaust temperature and pressure with external characteristic

表4 最大轉矩下轉速1 400r·min－1時排氣溫度及排氣背壓Tab.4 Exhaust temperature and pressure at the maximum torque speed 1 400r·min－1

2.2 CR-DPF對顆粒粒徑數(shù)量濃度的影響

2.2.1 外特性下顆粒數(shù)量濃度粒徑分布

圖2中U0為原機測點顆粒數(shù)量濃度，Us，Ds分別為CR-DPF前、后測點顆粒數(shù)量濃度，R為捕集效率.

由圖2可見，外特性時U0呈核態(tài)和聚集態(tài)雙峰對數(shù)正態(tài)分布，峰值對應的粒徑分別為20nm和60 nm左右，數(shù)量級為107～108.Us呈三峰對數(shù)正態(tài)分布，峰值粒徑分別為10nm，17nm和60nm左右，數(shù)量級與原機測點相同.核態(tài)顆粒數(shù)量濃度在10nm左右出現(xiàn)一個新峰值是由于排氣溫度高于原機測點，不利于氣態(tài)碳氫在微粒表面的凝結，導致此粒徑附近的核態(tài)顆粒數(shù)量濃度增加.外特性時各轉速下Us粒徑小于191nm的顆粒數(shù)量濃度均高于U0.這是由于安裝CR-DPF后發(fā)動機排氣背壓增大，廢氣不能順利排出，缸內空燃比下降，燃燒惡化導致顆粒增多.但是粒徑在191nm以上的聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度略低于U0.這是由于前測點排氣溫度高于原機測點，有利于排氣中氧化成分對大粒徑顆粒的氧化作用，使顆粒向小粒徑方向移動.

Ds呈多峰對數(shù)正態(tài)分布，在粒徑10，20和60 nm附近出現(xiàn)顆粒數(shù)量濃度峰值，數(shù)量級為105～106.與Us相比，Ds顯著下降.各轉速下CR-DPF對粒徑大于15nm顆粒的R始終保持在較高水平，在98.2%～99.9%范圍內波動.但是對于7～15nm顆粒R相對較低，原因在于DOC及CDPF涂層表面的催化劑將SO2氧化，促進硫酸鹽的生成，而導致小粒徑的顆粒增多.從圖3還可以發(fā)現(xiàn)，在不同轉速下，粒徑小于7nm顆粒的R均高于96.1%，這是由于顆粒粒徑很小，CDPF對顆粒捕集的擴散機理以及催化劑對SOF的氧化作用占主導作用.

由圖3a可見，總顆粒數(shù)量濃度是核態(tài)和聚集態(tài)顆粒綜合作用的結果.對于總顆粒，Us，Ds均隨轉速升高而上升，Ds與Us相比顯著下降.R隨轉速升高而上升，在各轉速下R分別為97.7%，98.1%，98.8%，99.2%，99.2%，99.3%，99.2%，99.3%.這是CDPF對顆粒捕集的攔截機理、慣性碰撞機理、擴散機理等以及DOC和CDPF孔道壁面的催化劑綜合作用的結果.

通常認為核態(tài)顆粒是由燃燒室內形成的一次碳粒以及硫酸鹽或HC等均質成核形成的二次顆粒.由圖3b可見，對于核態(tài)顆粒Us，Ds均隨轉速升高呈波動上升的趨勢，Ds與Us相比顯著下降.R隨轉速變化不大，在800～2 200r·min－1各轉速下捕集效率分別為97.9%，98.1%，98.6%，98.8%，98.7%，98.7%，98.7%，98.7%.這是 CDPF對顆粒捕集的擴散機理以及催化劑對于SOF的氧化作用的結果.

聚集態(tài)顆粒數(shù)主要是由柴油或潤滑油經(jīng)不完全燃燒而產(chǎn)生的一次碳粒聚積成團并凝結部分HC和硫酸鹽等半揮發(fā)組分形成的.由圖3c可見，對于聚集態(tài)顆粒Us隨轉速升高而上升.這是因為轉速增加會使每循環(huán)空燃比下降，每循環(huán)時間縮短生成的一次碳粒來不及氧化就被排出發(fā)動機.而Ds隨轉速沒有明顯的變化趨勢，與Us相比顯著下降.R隨轉速升高而上升，在各轉速下R分別為97.1%，98.1%，99.0%，99.5%，99.6%，99.7%，99.6%，99.8%.

圖2 外特性時顆粒數(shù)量濃度及捕集效率與粒徑分布的關系Fig.2 Particle number and reduction ratio weighted size distribution with external characteristic

由以上數(shù)據(jù)可見，外特性各轉速下CR-DPF對聚集態(tài)顆粒的捕集效率均高于核態(tài)顆粒.一方面是由于催化劑的作用：DOC及CDPF孔道表面的催化劑將聚集態(tài)顆粒表面的SOF氧化，使顆粒向小粒徑方向移動，促進SO2氧化，增加了硫酸鹽的生成量，同時促進排氣中氧化成分對碳顆粒的氧化作用，不僅使長碳鏈斷開成短碳鏈，還使排氣中碳核心數(shù)量濃度下降，其吸附揮發(fā)性組分的吸附能力下降，導致顆粒均質形核作用增強.另一方面，雖然聚集態(tài)顆粒粒徑大于核態(tài)顆粒，導致CDPF對其捕集的擴散機理作用下降，但是同時慣性碰撞和攔截機理作用增強.

由表5可見，原機測點和前測點核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)均隨轉速升高而下降.原因在于高轉速下碳顆粒的濃度較高，碳煙比表面積增加，對硫酸和HC等揮發(fā)及半揮發(fā)物質的吸附能力上升，因此排氣中核態(tài)顆粒數(shù)量逐漸下降.前測點核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)高于原機，這是因為安裝CR-DPF后排氣溫度高于原機，有利于排氣中的氧化成分對顆粒的氧化作用，使顆粒向小粒徑方向移動.后測點核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)隨轉速的變化不大.CR-DPF后測點與前測點相比核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)有所增加，這與CR-DPF對聚集態(tài)的捕集效率高于核態(tài)顆粒有關.

2.2.2 負荷特性下顆粒數(shù)量濃度粒徑分布

圖4中pme為平均有效壓力.由圖4可見，在負荷特性下，U0呈核態(tài)和聚集態(tài)的雙峰對數(shù)正態(tài)分布，峰值數(shù)量級為106～107.Us呈三峰對數(shù)正態(tài)分布，峰值粒徑分別為10，20和45nm左右，數(shù)量級也與U0相同.和外特性一樣，各負荷工況下除大粒徑顆粒，Us均高于U0.

圖3 外特性時顆粒數(shù)量濃度及捕集效率與轉速的關系Fig.3 Influence of engine speed on particle number concentration and reduction ratio with external characteristic

表5 外特性時核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)Tab.5 Fraction of nuclei mode particles number concentration with external characteristic

圖4 最大轉矩下轉速1 400r·min－1時顆粒數(shù)量濃度及捕集效率與粒徑的關系Fig.4 Particle number size distribution and reduction ratio weighted at the maximum torque speed 1 400r·min－1

由圖4可見，Ds呈多峰對數(shù)正態(tài)分布.在粒徑10，20和60nm附近出現(xiàn)顆粒數(shù)量濃度峰值.與Us相比，Ds顯著下降，峰值數(shù)量級降至105～106.在各負荷工況下，該裝置對小于7nm的顆粒R在94.6%以上；對于7nm左右的顆粒，R最低，這是由于催化劑的作用導致該粒徑處的顆粒數(shù)量相對較多；對粒徑為7～15nm的顆粒，R隨粒徑增大逐漸上升；對大于15nm的顆粒，R均保持較高水平，在95.9%～99.9%的范圍內波動，且波動幅度比外特性時大.負荷特性時該裝置對14，34和124nm粒徑附近的顆粒捕集效率最高.

由圖5a可見，對于總顆粒，Us隨負荷升高略有上升；Ds隨負荷升高沒有明顯變化規(guī)律.在各負荷工況下 CR-DPF對總顆粒R分別為96.5%，96.9%，96.6%，97.7%.外特性時比負荷特性時捕集效率高，是因為排氣溫度隨負荷升高而上升，催化劑活性增強，有利于NO氧化為NO2，促進了碳粒的低溫燃燒［9］.

圖5 最大轉矩下轉速1 400r·min－1時顆粒數(shù)量濃度及捕集效率與平均有效壓力的關系Fig.5 Influence of engine load on particle number concentration and reduction ratio at the maximum torque speed 1 400r·min－1

由圖5b可見對于核態(tài)顆粒Us與Ds隨負荷沒有明顯規(guī)律.在各負荷工況下R分別為96.5%，96.8%，96.5%，97.7%.由圖5c可見，對于聚集態(tài)顆粒，Us隨負荷升高而上升，原因在于隨著負荷升高每循環(huán)供油量增加，燃空比增加，燃燒向缺氧方向發(fā)展，促進了聚集態(tài)顆粒的生成.Ds顯著低于Us，隨負荷升高呈波動增加的趨勢.在各負荷工況下對于聚集態(tài)顆粒，R分別為96.5%，97.1%，96.7%，97.8%.同外特性時一樣，CR-DPF對聚集態(tài)顆粒的捕集效率略優(yōu)于對核態(tài)顆粒的.

由表6可見，原機測點和前測點核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)隨負荷的升高而下降.同外特性時一樣，前測點核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)高于原機.后測點核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)也隨負荷升高而下降.CR-DPF后測點與前測點相比核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)有所增加，這是由于CR-DPF對聚集態(tài)的捕集效率高于核態(tài)顆粒造成的.

表6 最大轉矩下轉速1 400r·min－1時核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)Tab.6 Fraction of nuclei mode particles number concentration at the maximum torque speed 1 400r·min－1

3 結論

（1）CR-DPF的安裝改變了發(fā)動機的排氣狀態(tài)，使得前測點排氣溫度高于原機測點的排氣溫度.負荷特性時前測點相對于原機測點的溫升為2～12℃，小于外特性的溫升.

（2）燃用滿足車用柴油有害物質控制標準（第5階段）柴油時發(fā)動機原機測點顆粒數(shù)量濃度呈雙峰對數(shù)正態(tài)分布.安裝CR-DPF后，前測點顆粒數(shù)量濃度呈三峰對數(shù)正態(tài)分布，后測點的則呈多峰對數(shù)正態(tài)分布.

（3）在安裝CR-DPF后，由于排氣背壓升高，其前測點粒徑小于191nm顆粒的數(shù)量濃度均高于原機測點.但是由于排氣溫度升高，氧化作用增強，大粒徑顆粒的數(shù)量濃度略低于原機測點.前測點核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)高于原機測點，但對最終排入大氣中的顆粒分布影響不大.

（4）CR-DPF對柴油機排放顆粒的數(shù)量濃度具有顯著的降低作用.外特性時其對總顆粒的捕集效率為97.7%～99.3%；轉速為1 400r·min－1情況下負荷特性時該值相對較低，為96.5%～97.7%.

（5）CR-DPF對于顆粒的捕集效率受到顆粒粒徑的影響.由于催化劑的作用，對于7～15nm粒徑顆粒的捕集效率相對較低.而對于其他粒徑顆粒，其捕集效率保持在89.5%以上.無論在外特性還是負荷特性下，CR-DPF對聚集態(tài)顆粒的捕集效果均優(yōu)于核態(tài)顆粒，使后測點核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分數(shù)高于前測點.

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