姚廣濤，伍 恒，劉宏威，張衛(wèi)鋒

(軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161)

柴油機顆粒物(particulate matter，PM)排放直接威脅人們健康。歐美國家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，吸附在碳粒表面的多種排放物具有誘變作用，在這些誘變物中有大于90%的部分可能導(dǎo)致癌變，還可能產(chǎn)生心血管疾病［1－2］。

減少柴油機顆粒物排放最有效的措施是在柴油機排氣系統(tǒng)上加裝顆粒物過濾器(diesel particulate filter，DPF)。但隨柴油機運行，過濾器內(nèi)捕集的顆粒物不斷增加，如果不及時進行DPF的再生，勢必會增加柴油機的排氣阻力，從而影響柴油機的性能［3］。胡俊等［4］在發(fā)動機臺架開展了不同轉(zhuǎn)速與負荷下柴油機加裝DPF后排氣阻力變化規(guī)律以及對排氣性能影響試驗研究，結(jié)果表明:柴油機加裝DPF造成排氣阻力的增加，使排氣溫度提高，油耗上升，但未開展不同顆粒物負載量對發(fā)動機性能影響研究。

DPF顆粒物負載量過大不僅影響發(fā)動機性能，還可能引起DPF非可控再生，導(dǎo)致 DPF載體的燒損、裂解和催化劑的失效［5］。此外，在使用過程中的震動、沖擊也會造成DPF破損、斷裂，嚴重時造成DPF過濾效率下降，PM排放超標［6］?？祵幑荆?］、密西根理工大學(xué)［8］、都靈理工大學(xué)［9］、吉林大學(xué)［10］等研究機構(gòu)都進行過相關(guān)試驗研究，但未開展不同破損程度對PM過濾效率影響研究。

隨排放法規(guī)的日益嚴格，發(fā)動機排氣后處理系統(tǒng)在線故障診斷(on－board diagnostics，OBD)要求越來越高，在發(fā)動機運行過程中，有效確定后處理DPF裝置的失效狀態(tài)與程度，對DPF－OBD致關(guān)重要［11］，有必要針對DPF不同失效狀態(tài)與程度對發(fā)動機性能的影響開展研究。

1 DPF堵塞對發(fā)動機性能的影響

為了分析DPF顆粒物不同負載量對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性評價指標——發(fā)動機轉(zhuǎn)矩與燃油消耗率的影響，在北汽福田BJ493ZLQ4增壓發(fā)動機(參數(shù)見表1)排氣系統(tǒng)上加裝DPF(SiC材料)，分別研究 1 800、2 200、2 600、3 200 r/min 等 4 種轉(zhuǎn)速條件下，負荷率分別是32%、70%和100%時，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩變化率和油耗變化率隨PM負載量的變化關(guān)系，測試臺架采用奧地利AVL測試系統(tǒng)，具體組成與型號見表2。不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機轉(zhuǎn)矩變化率和油耗變化率隨PM負載量的變化關(guān)系如圖1—2所示。

由圖1可見，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的總體變化趨勢是隨著PM負載量的增加而不斷減小，而且由于PM負載量的增加引起動力性能的下降，在發(fā)動機中高速全負荷工況下下降幅度較小，2 200、2 600 r/min全負荷工況下甚至還會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的增加。與此同時，在各個負荷率下，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩下降的幅度在中高轉(zhuǎn)速下隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而逐漸減小。在1 800r/min不同負荷工況下，當PM負載量達到8 g/L時，轉(zhuǎn)矩減少量就已經(jīng)達到5%左右，相比之下，在2 600 r/min不同負荷工況下，當PM負載量為12 g/L時，轉(zhuǎn)矩減少量才能達到5%左右;但發(fā)動機處于額定轉(zhuǎn)速3 200 r/min工況時，由于發(fā)動機排氣阻力與轉(zhuǎn)速平方成正比，隨顆粒物負載量的增加，負荷越高轉(zhuǎn)矩下降越快，當DPF顆粒物負載量超過8 g/L時，發(fā)動機動力性會迅速惡化。

表1 發(fā)動機參數(shù)

表2 臺架測試系統(tǒng)

PM負載量的增加將導(dǎo)致排氣阻力的增大，這不僅使發(fā)動機的泵氣損失增加，還增大了殘余廢氣系數(shù)，以上這些因素都會使發(fā)動機動力性能下降。與此同時，PM負載量的增加還會降低發(fā)動機進氣量，尤其是在大負荷工況下。但在發(fā)動機中高轉(zhuǎn)速下，混合氣適當變濃會在一定程度上增加發(fā)動機功率的輸出，但是在低速大負荷和高速工況下則會引起燃燒的惡化，因此，在低轉(zhuǎn)速大負荷和高轉(zhuǎn)速條件下，發(fā)動機動力性能的變化對PM負載量的增加更為敏感。

圖1 顆粒物負載量對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的影響

圖2 顆粒物負載量對發(fā)動機燃油消耗率的影響

由圖2可見，發(fā)動機的燃油消耗率的總體變化趨勢是隨著DPF顆粒物負載量的增加而不斷增加的，其中，發(fā)動機中高轉(zhuǎn)速下中等負荷增加較大，高速工況隨負荷增加油耗增加較大。在發(fā)動機中高速、中等負荷時，原機的廢氣再循環(huán)量較大，顆粒物負載量的增加導(dǎo)致排氣阻力的增大，進一步增加了發(fā)動機的廢氣再循環(huán)量，使燃燒惡化，燃油消耗率增加，動力性下降，從而導(dǎo)致中等負荷油耗增加較快。高速工況下排氣阻力大幅增加，使發(fā)動機進氣量明顯減少，造成混合氣過濃，性能下降，油耗增加。

綜合以上分析，針對柴油機后處理DPF從PM負載量對發(fā)動機性能影響考慮，再結(jié)合PM負載量對再生過程、再生效率和再生能耗等方面影響［12］，對于選用的SiC過濾體，采用熱再生合適的PM負載量為8 g/L。

2 DPF破損對PM過濾效率的影響

DPF在使用過程中由于熱沖擊、機械沖擊等原因容易造成DPF出現(xiàn)泄漏故障，導(dǎo)致捕集功能下降或失效，從而使排放惡化。針對發(fā)動機原機，完好過濾體、破損率分別為 4.5%、9.1%、13.4%的過濾體，在不同工況下，通過不透光煙度計采集不同破損程度過濾體在不同工況下的PM排放值，計算出相應(yīng)的過濾體對PM過濾效率。

圖3—5分別為過濾體完好、破損9.1%和破損13.4%時，不同工況下DPF對PM的過濾效率曲線。

圖3 完好DPF不同工況下的過濾效率

圖4 破損9.1%DPF不同工況下的過濾效率

可以看出，發(fā)動機不同的運行工況對DPF的過濾效率會產(chǎn)生一定的影響。同一種破損形式的過濾體，在同一轉(zhuǎn)速下，DPF的過濾效率會隨著發(fā)動機的負荷增大而有所下降。這是由于發(fā)動機負荷的增大使得排氣中PM的含量增加，同時排氣溫度有顯著提升，這就使得排氣通過DPF多孔介質(zhì)時受熱不一樣，載體熱膨脹的微孔增大致使顆粒物通過速率有所增大，過濾體過濾效率有所降低。此外，同一種破損形式的過濾體，在相同負荷下，DPF的過濾效率會隨著轉(zhuǎn)速的增加明顯下降。這是由于轉(zhuǎn)速的增加使得排氣的流動速率加快，也就使得單位時間內(nèi)流過DPF的PM量增加，從而使DPF的過濾效率有所下降。

圖5 破損13.4%DPF不同工況下的過濾效率

圖6為相同工況下，DPF的過濾效率隨DPF不同破損程度的變化關(guān)系。

圖6 相同工況下不同故障形式DPF的過濾效率

可以看出，DPF對PM的過濾效率與DPF的不同破損程度密切相關(guān)，DPF的破損程度越大，過濾效率越低。

通過DPF不同破損程度對柴油機PM排放過濾效率影響的研究，可以根據(jù)原機排放以及加裝DPF后目標排放，確定滿足排放法規(guī)要求的DPF破損率邊界，為柴油車后處理OBD－DPF故障診斷提供技術(shù)支持。

3 結(jié)論

(1)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩隨著過濾體PM負載量的增加而不斷減小，在中高轉(zhuǎn)速全負荷工況下，下降幅度較小，甚至還會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的增加;但在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時，PM負載量的增加更容易加劇動力性能的下降。

(2)發(fā)動機的燃油消耗率隨DPF顆粒物負載量的增加而不斷增加，中高轉(zhuǎn)速下中等負荷增加較大，高轉(zhuǎn)速下隨負荷增加油耗增加較快。

(3)柴油機后處理DPF從PM負載量對發(fā)動機性能影響考慮，再結(jié)合PM負載量對再生過程、再生效率和再生能耗等方面影響，對于選用的SiC過濾體，采用熱再生合適的PM負載量為8 g/L。

(4)同一種破損形式的過濾體，在同一轉(zhuǎn)速下，DPF的過濾效率會隨著發(fā)動機的負荷增大而有所下降;在相同負荷下，DPF的過濾效率會隨著轉(zhuǎn)速的增加明顯下降;DPF的破損程度越大，過濾效率越低。

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