張 琳 翟學(xué)超 李騰騰 康 輝 景曉軍 付鐵強

（1-中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300 2-中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司）

引言

面對日益嚴峻的環(huán)境污染危機，更加嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)和政策法規(guī)對車用柴油機的污染物排放水平提出了更高的要求。對于重型車用柴油機而言，盡管采用高壓共軌燃油噴射和燃燒優(yōu)化技術(shù)并加裝選擇性催化還原后處理系統(tǒng)（SCR）能夠滿足目前正在實施的國五排放標(biāo)準(zhǔn)要求，但是一些城市對于在用車和新增車輛采取了更加嚴格的排放限制措施，要求加裝壁流式顆粒捕集器（DPF）以進一步確保柴油車輛的顆粒物排放能夠維持在很低的限值[1-3]。

DPF再生期間會引起污染物排放水平的惡化，因此對于安裝周期性再生DPF的發(fā)動機，需要綜合考量非再生狀態(tài)和再生狀態(tài)下發(fā)動機的加權(quán)周期排放。DPF再生方法和策略是影響DPF性能、可靠性和經(jīng)濟性的重要因素[4-7]。目前主動再生方法主要包括利用外部熱源加熱再生的方法和利用發(fā)動機熱能進行再生的方法。

現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了對發(fā)動機或車輛運行時能夠進行再生的DPF的排放測試方法，可參考標(biāo)準(zhǔn)GB 17691-2005中相關(guān)要求[8]。但是一些采用外部能源加熱進行再生的DPF需要在駐車狀態(tài)下接入外部能源來進行周期性再生。由于再生期間無法進行瞬態(tài)循環(huán)（ETC）排放測試，因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法對此類DPF并不適用。采用何種方法來評價安裝此類DPF的車用發(fā)動機污染物周期排放水平，對于考量DPF性能和有效進行形式核準(zhǔn)試驗具有顯著的應(yīng)用價值。

基于一款通過駐車電加熱進行再生的DPF，模擬全流稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）采樣原理，搭建了駐車再生期間排氣污染物采樣系統(tǒng)，建立了發(fā)動機再生周期排放測試及評價方法，并基于發(fā)動機臺架試驗驗證了該系統(tǒng)和方法，分析了再生期間的排放特性。

1 試驗設(shè)備和測試方法

1.1 試驗設(shè)備

對于安裝周期再生DPF的發(fā)動機，將再生結(jié)束的時刻到下一次再生結(jié)束前的時間段定義為一個再生周期，發(fā)動機和后處理系統(tǒng)的周期排放評價，基于一個再生周期期間產(chǎn)生的總污染物排放量和總有效功。每個再生周期包含非再生過程和再生過程2個階段。非再生過程中的排放評價基于GB 17691-2005中規(guī)定的發(fā)動機ETC循環(huán)測試，此測試需要使用如圖1所示的發(fā)動機排氣污染物測試系統(tǒng)[9]。

圖1 發(fā)動機排氣污染物測試系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括交流電力測功機、CVS全流稀釋系統(tǒng)、顆粒物取樣系統(tǒng)、氣態(tài)污染物分析儀和信息采集系統(tǒng)。利用本系統(tǒng)可以精確測定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量以及排氣中的CO2、CO、HC、NOx等組分，也可以評價發(fā)動機排氣中的顆粒物質(zhì)量排放水平。

DPF再生過程中的排氣污染物采樣及測量基于圖2所示的再生期間排氣污染物采樣系統(tǒng)。對于駐車再生DPF的再生污染物測量，需要將DPF拆下并安裝到本系統(tǒng)進行。

圖2 DPF再生期間排氣污染物采樣測量系統(tǒng)

當(dāng)DPF開始再生后，再生供氣泵將一定流量的新鮮空氣送入DPF。電加熱裝置加熱后的新鮮空氣流經(jīng)DPF載體將載體表面附著的顆粒物氧化為氣態(tài)組分，進而將再生產(chǎn)生的污染物帶入稀釋通道，利用流量泵1和流量泵2控制總稀釋流量。其中流量泵2采集的樣氣經(jīng)過減壓后進入AMA i60氣態(tài)污染物分析儀，得到 CO2、CO、HC、NOx的濃度；流量泵 1 采集的樣氣進入顆粒物采樣通道，SPC472顆粒物采樣系統(tǒng)由此通道定量采集一部分樣氣并通過濾紙采集DPF再生過程中產(chǎn)生的顆粒物，剩余的氣體經(jīng)由通道末端的排氣孔進入大氣中。為了模擬CVS系統(tǒng)，采樣過程中需保證稀釋通道中的總流量保持一定，因此需控制流量泵1的流量Q1和流量泵2的流量Q2。

1.2 發(fā)動機和DPF參數(shù)

測試選取了一臺安裝了SCR系統(tǒng)且滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)的共軌直噴柴油機；測試用DPF為一款基于駐車電加熱進行再生的壁流式顆粒補集器。發(fā)動機和DPF主要參數(shù)如表1所示。發(fā)動機排放測試過程中，將DPF安裝在SCR系統(tǒng)下游0.5 m處。

1.3 周期排放測試和評價方法

周期排放測試流程框圖如圖3所示，主要分為2部分，首先是非再生期間的排放測試。根據(jù)DPF特性參數(shù)，2次再生期間，發(fā)動機可進行的ETC循環(huán)為120次。首先主動觸發(fā)DPF進行再生，再生完成后，測試發(fā)動機運行ETC循環(huán)的排氣污染物比排放e1。將發(fā)動機連續(xù)運行120個ETC循環(huán)，使得DPF到達再生臨界點，此時再次測試發(fā)動機運行ETC循環(huán)的排氣污染物比排放e120。將這2次排放測試結(jié)果的算數(shù)平均值作為非再生期間的發(fā)動機污染物平均比排放eˉ?；趀ˉ和非再生過程中運行ETC的總循環(huán)功得到非再生過程的污染物排放總量。

表1 發(fā)動機和DPF主要參數(shù)

圖3 周期排放測試流程框圖

其次是再生期間的排放測試。由于再生過程中，發(fā)動機不運行，沒有產(chǎn)生有效功。利用再生期間排氣污染物采樣系統(tǒng)獲得再生期間的排氣污染物總排放量Er。基于再生周期期間的排氣污染物總排放量和非再生期間的發(fā)動機總有效功Wp，得到再生周期污染物比排放ew。再生周期污染物加權(quán)比排放ew的計算如公式（1）。

式中：e1為再生后的首次ETC排放結(jié)果；en為再生前的最后一次ETC排放結(jié)果，對于本次使用的DPF，n值為120；Wp為n次ETC的循環(huán)功總和。

為了評價DPF再生對發(fā)動機排放的影響程度，定義再生因子fr，其計算方法如公式（2）。fr越大，表明DPF再生對發(fā)動機排放惡化的作用越大。

DPF再生污染物測量過程中，設(shè)定流量泵1的流量Q1為120 g/min，流量泵2的流量Q2為36g/min。SPC 472系統(tǒng)的采樣流量Q3為30 g/min，采樣時間t為300 min。采樣和分析結(jié)束后，按照公式（3）計算再生過程中產(chǎn)生的氣態(tài)污染物總量。

式中：GASmass代表 NOx、CO、THC 的總質(zhì)量，α 為轉(zhuǎn)換系數(shù)（對 NOx、CO、THC 分別為 0.001 587、0.000 966、0.000 479），GASconc代表因再生生成 NOx、CO、THC 的平均濃度，MTOTW為流經(jīng)稀釋通道的總氣體質(zhì)量。依據(jù)公式（4）和公式（5）分別得到GASconc和 MTOTW。

式中：GASreg表示再生過程中分析儀測得的樣氣中NOx、CO、THC 濃度的算數(shù)平均值，GASair為稀釋空氣中NOx、CO、THC的濃度。按照公式（6）計算再生過程中生成的顆粒物質(zhì)量PM。

式中：PMfilter為濾紙上采集顆粒物的質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果和分析

根據(jù)測試結(jié)果，首先分析了再生過程中氣態(tài)污染物的變化規(guī)律，如圖4所示。

DPF加熱系統(tǒng)通電后，氣流溫度逐漸上升，在2 800 s左右，DPF載體表面附著的顆粒開始與空氣反應(yīng)，氣態(tài)污染物濃度開始上升。主體再生過程持續(xù)約6 000 s左右，此后不再顯著生成氣態(tài)污染物。再生過程中NOx、THC的變化均不劇烈，峰值分別可達25×10-6和70×10-6，但是大量生成CO，峰值可達10 000×10-6以上?？紤]到當(dāng)DPF裝車再生時，并無二級稀釋設(shè)備，再生過程中流出排氣管的氣流CO含量峰值濃度可以達到30 000×10-6以上。因此，裝車后的DPF在進行駐車再生時，一定要注意車輛周圍的通風(fēng)，且不宜有人員出現(xiàn)在附近，避免出現(xiàn)中毒風(fēng)險。

按照公式（1）～（6）計算了再生過程中的污染物生成量和各排氣污染物組分的再生因子，如表2所示。

圖4 再生過程中NO x、CO、THC的濃度

表2 排氣污染物組分的再生因子

DPF未發(fā)生再生的狀態(tài)下，在一個再生周期中，試驗用發(fā)動機ETC瞬態(tài)循環(huán)排放能夠很好地滿足國五標(biāo)準(zhǔn)限值。由于再生過程中產(chǎn)生的污染物總質(zhì)量微乎其微，考慮再生后的發(fā)動機周期加權(quán)比排放仍能夠滿足國五排放限值，且其顆粒物比排放僅為限值的6%左右。再生過程中產(chǎn)生的污染物中，只有CO的再生因子為1.02左右，其它污染物組分的再生因子均接近于1，對于發(fā)動機的周期排放影響很小。

通過試驗可以發(fā)現(xiàn)駐車電加熱再生DPF具有一定的優(yōu)勢：不需要發(fā)動機增加燃油后噴或碳氫噴射以提高DPF溫度進而引發(fā)再生，降低了油耗且未引入額外的污染源，對發(fā)動機周期排放影響很?。徊恍枰槍PF再生對發(fā)動機熱管理策略和再生控制進行標(biāo)定，節(jié)省了大量研發(fā)成本；再生方式簡單，降低了對客戶的技術(shù)要求。同時也存在一定的劣勢：只能駐車狀態(tài)下再生，會產(chǎn)生一定的電能消耗；額外增加了再生供氣泵和加熱裝置，成本有所提升；由于其構(gòu)造特殊，難以與其它后處理裝置（如DOC、SCR等）封裝在一起，增加了整車布置的難度。

3 結(jié)論

基于一款通過駐車電加熱進行再生的DPF，模擬全流稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）采樣原理，搭建了駐車再生期間排氣污染物采樣系統(tǒng)，建立了發(fā)動機再生周期排放測試及評價方法，并基于發(fā)動機臺架試驗驗證了該系統(tǒng)和方法，結(jié)論如下：

1）基于建立的系統(tǒng)和方法能夠客觀評價安裝駐車再生DPF的發(fā)動機的周期排放水平。

2）駐車電加熱再生DPF在再生期間能夠產(chǎn)生大量的CO，CO再生因子可達1.02左右，其余污染物對發(fā)動機周期排放的影響很小。

3）滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)并加裝電加熱再生DPF的車用柴油機，考慮再生期間排放后的加權(quán)排放仍能滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)要求。