基于國六標準工況的重型柴油機PN排放特性研究

劉 冰，康見見， 劉 波， 張 超， 吳 滴

(重慶車輛檢測研究院有限公司， 重慶 401122)

重型柴油機因其功率覆蓋范圍廣、油耗低、耐久性好等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于各類重型貨車、客車及特種車輛，但因其氮氧化物和顆粒物排放遠高于汽油機而飽受詬病[1-3]。有研究表明，柴油車的NOx和顆粒物排放分別占到了機動車尾氣排放的57.3%和77.8%[4]。2018年正式發(fā)布的GB 17691—2018 《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[5]，首次提出了對顆粒數(shù)目(PN，Particle Number)的要求。

目前，柴油機顆粒捕集器(DPF)被認為是最有效的降低顆粒物排放的后處理裝置[6-7]，也成為國六階段柴油機必備裝置。為了探究重型柴油機在國六標準工況下的PN排放特性，本文以一臺重型柴油機為研究對象，搭建排放測試平臺，進行DPF碳載量試驗研究及國六階段瞬態(tài)WHTC和穩(wěn)態(tài)WHSC試驗研究，并通過試驗數(shù)據(jù)分析標準瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)循環(huán)中PN的排放特性，為重型柴油機的臺架排放標定及整車實際道路排放測試系統(tǒng)(PEMS)標定提供參考。

1 測試平臺搭建及測試方法

本文采用一臺排量為2.977 L、額定功率為125 kW的四缸增壓中冷柴油機為研究對象，其后處理技術(shù)路線為DOC+SCR+ASC+DPF。其中DPF的再生方式為連續(xù)再生，即排氣溫度達到設(shè)定值即自動開啟再生模式。測試系統(tǒng)采用HORIBA公司的HD460電力測功機、全流稀釋采樣系統(tǒng)、MEXA-7200D排放分析系統(tǒng)、MEXA-2000SPCS顆粒計數(shù)器、AVL7351油耗儀、南京久鼎進氣空調(diào)系統(tǒng)、ABB 50MC2-6F型進氣流量計及重客電子中冷器等試驗設(shè)備，所構(gòu)建的柴油機排放測試平臺如圖1所示。

為了探究重型柴油機在國六法規(guī)工況下的PN排放特性，分別采用GB 17691—2018中規(guī)定的壓燃式發(fā)動機瞬態(tài)循環(huán)WHTC(圖2)和穩(wěn)態(tài)循環(huán)WHSC(圖3)進行排放測試。進行WHSC試驗時，需要對發(fā)動機運行邊界條件進行控制，設(shè)定發(fā)動機進氣壓力為101 kPa、進氣溫度為25 ℃、進氣濕度為45%，設(shè)定發(fā)動機冷卻水溫度為82 ℃、中冷后溫度為50 ℃。讓發(fā)動機在額定點維持運轉(zhuǎn)10 min左右，觀察各邊界進氣溫度濕度、水循環(huán)溫度、排氣溫度是否穩(wěn)定。水循環(huán)溫度為82 ℃±2 ℃，排氣溫度為±2 ℃時，即可開始對應(yīng)的排放測試循環(huán)試驗。

圖1 柴油機排放測試臺架示意圖

圖2 WHTC循環(huán)工況

圖3 WHSC循環(huán)工況

在進行冷熱態(tài)WHTC循環(huán)試驗時，需對發(fā)動機進行不少于6 h的冷機處理，使其循環(huán)水溫、機油溫度和后處理溫度都在20～30 ℃之間，然后設(shè)定進氣空調(diào)進氣壓力為101 kPa、進氣溫度為25 ℃、進氣濕度為45%，設(shè)定冷卻水循環(huán)溫度為82 ℃，中冷后溫度50 ℃。設(shè)備就緒后從停機狀態(tài)直接進入冷熱態(tài)WHTC測試。冷熱態(tài)循環(huán)結(jié)束后按照冷態(tài)14%、熱態(tài)86%加權(quán)計算最終的排放結(jié)果。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 DPF碳載量分析研究

DPF通過載體內(nèi)部細小的孔隙吸附流經(jīng)的顆粒物，從而達到降低顆粒物排放的目的，因此捕集效率與載體孔徑密切相關(guān)。新的DPF孔隙較大，捕集效率較低。隨著發(fā)動機持續(xù)運轉(zhuǎn)，DPF載體捕集的顆粒越來越多，孔徑就會越來越小，捕集效率逐步提高。由于連續(xù)再生作用，孔徑不會一直減小。本文采用一個新的DPF，連續(xù)進行6個標準的熱態(tài)WHTC循環(huán)試驗，每個循環(huán)之間熱浸10 min。圖4顯示了每個循環(huán)結(jié)束時ECU監(jiān)測到的DPF碳載量和每個循環(huán)PN比排放結(jié)果。

圖4 6個熱態(tài)WHTC循環(huán)碳載量和PN比排放結(jié)果

從圖4可看出，前4個WHTC循環(huán)DPF的碳載量增長非?？欤堑?個循環(huán)之后碳載量增長速率逐漸下降，碳載荷總量也逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為該DPF的再生方式是連續(xù)再生，當排氣溫度達到設(shè)定的再生條件就會開啟連續(xù)再生模式，燒掉部分積累的碳。當載體中碳的捕集速率與再生消耗速率接近時，DPF的碳載量就會逐漸趨于一個穩(wěn)定值。由圖4可知,每個循環(huán)的PN比排放值變化趨勢與碳載量變化趨勢是一致的,前4個循環(huán)碳載量較小，DPF捕集效率低，因而PN比排放值很高，甚至超過排放限值數(shù)倍。隨著碳載量迅速增長，PN比排放值也迅速下降。當5個循環(huán)碳載量趨于穩(wěn)定后PN比排放值下降速率也逐漸減小。

從以上分析可知，在進行柴油機排放認證試驗之前DPF必須要經(jīng)過預(yù)處理，提高DPF載體的碳載量，否則會因為DPF捕集效率沒有達到而導(dǎo)致排放認證PN超限值。通過在臺架上對DPF累碳的試驗研究可以給整車PEMS標定和認證試驗提供一定的指導(dǎo)。

2.2 WHTC試驗PN排放特性

一個完整的WHTC排放試驗包含一個冷態(tài)和一個熱態(tài)的WHTC循環(huán)。發(fā)動機運行幾個熱態(tài)的WHTC循環(huán)，DPF碳載量比較穩(wěn)定之后冷機。等待發(fā)動機及后處理系統(tǒng)所有溫度在20～30 ℃之間后開始冷態(tài)和熱態(tài)WHTC試驗，并設(shè)定進氣空調(diào)進氣壓力為101 kPa、進氣溫度為25 ℃、進氣濕度為45%。

圖5中(a)和(b)分別顯示了冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)PN的瞬時排放值。表1是冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)PN比排放結(jié)果和最終加權(quán)結(jié)果。從圖5可以看出，在冷態(tài)循環(huán)中的前200 s PN瞬時排放很高，而且出現(xiàn)了一個接近60 #/cm3的大峰值，而在200 s以后直至循環(huán)結(jié)束，PN瞬時排放都比較小，最大峰值也未超過5 #/cm3；熱態(tài)循環(huán)中PN瞬時排放與冷態(tài)表現(xiàn)出完全不同的特性。熱態(tài)循環(huán)中PN瞬時排放在整個循環(huán)期間相對均勻，沒有出現(xiàn)像冷態(tài)初始階段一樣的大峰值，但排放較高的區(qū)域出現(xiàn)在循環(huán)后期的1 200～1 800 s之間。最大峰值出現(xiàn)在1 500 s左右，且最大值僅為3.5 #/cm3左右。

(a)冷態(tài)PN瞬時排放值

(b)熱態(tài)PN瞬時排放值

圖5 WHTC循環(huán)PN瞬時排放結(jié)果

從表1 PN比排放結(jié)果可以看出冷態(tài)的比排放結(jié)果高于熱態(tài)接近三倍，其原因就是冷態(tài)前期出現(xiàn)了較大峰值，這個峰值對PN比排放結(jié)果影響非常大。冷態(tài)循環(huán)前期PN瞬時排放很高的原因是柴油機冷啟動時缸內(nèi)溫度較低導(dǎo)致噴射油束霧化不良，造成局部過濃的液滴燃燒和碰壁燃燒。有研究表明缸內(nèi)混合氣局部過濃造成的不完全燃燒是顆粒排放高的主要原因[8]。因此提高冷啟動缸內(nèi)溫度是減小PN比排放的關(guān)鍵。在柴油機進氣中冷后端和燃油系統(tǒng)添加電輔熱裝置以提高冷啟動時缸內(nèi)平均溫度是降低PN比排放的有效措施。

表1 WHTC循環(huán)PN比排放結(jié)果 #/kWh

2.3 WHSC試驗PN排放特性

與WHTC循環(huán)1 800個瞬時工況不同，WHSC是由13個穩(wěn)態(tài)工況點組成的循環(huán)，而且20 s過渡工況的排放也要計入最終比排放。標準GB 17691—2018要求WHSC循環(huán)開始前必須在第9工況熱機10 min。第9工況為轉(zhuǎn)速規(guī)范值55%、扭矩規(guī)范值50%。發(fā)動機在該工況運行時的排溫較高，DPF會觸發(fā)連續(xù)再生，因此在第9工況熱機時DPF碳載量會發(fā)生較大變化。

圖6顯示了在第9熱機工況下DPF碳載量隨發(fā)動機運行時間的曲線。從圖中可以看出，前7 min碳載量下降很快，基本隨時間呈線性下降，后3 min下降趨勢逐漸減緩。10 min的熱機工況內(nèi)DPF碳載量就從3.499 g減少到2.807 g，下降幅度達19.8%。從2.1的結(jié)論可知載體的碳載量大小會直接影響PN比排放結(jié)果，因此發(fā)動機在進行臺架排放標定時應(yīng)特別關(guān)注發(fā)動機在第9工況的再生速率。

圖6 WHSC第9工況碳載量

為探究WHSC試驗PN排放特性，本文按照試驗標準進行了3次WHSC排放試驗，且為了保證每次試驗的一致性，每次試驗完成后均進行3個熱態(tài)WHTC預(yù)處理。表2為3次試驗PN比排放結(jié)果，圖7中(a)、(b)和(c)分別顯示了3次WHSC試驗PN瞬時排放值。從圖7可以看出，3次穩(wěn)態(tài)試驗PN瞬時排放隨時間的變化曲線非常一致：在250 s、650 s和800 s左右時出現(xiàn)較小峰值，在1 250 s突然出現(xiàn)一個非常大的峰值，1 300 s出現(xiàn)次峰值之后PN瞬時排放逐漸減小。3次試驗中除了第1 250 s的最大峰值差別較大以外，其他區(qū)域的PN瞬時排放值比較接近。從表2中3次PN比排放結(jié)果可看出，第1 250 s的峰值對PN比排放結(jié)果影響極大。對比WHSC工況圖發(fā)現(xiàn)，PN瞬時排放峰值都是出現(xiàn)在工況點切換的時間段內(nèi)，最大峰值出現(xiàn)在第9工況至第10工況過渡時期，次峰值出現(xiàn)在第10工況向第11工況切換過程中。

表2 WHSC試驗PN比排放結(jié)果 #/kWh

(a)第一次WHSC試驗

(b)第二次WHSC試驗

(c)第三次WHSC試驗

圖7 WHSC試驗PN瞬時排放結(jié)果

由此可知，WHSC試驗中穩(wěn)態(tài)工況區(qū)域PN瞬時排放很小，PN主要集中在工況過渡區(qū)域，且PN的大小與過渡工況瞬變劇烈程度有著密切的關(guān)系。從以上分析可知重型柴油機在進行臺架排放標定時，必須重點關(guān)注第9到第10過渡工況的PN瞬時排放情況。

3 結(jié) 論

1) 重型柴油機PN比排放與其DPF碳載量大小密切相關(guān)，碳載量越高則PN比排放越低。載體中碳載量隨著發(fā)動機運行循環(huán)數(shù)增加而先增加，而后由于連續(xù)再生作用逐漸趨于穩(wěn)定。

2) WHTC試驗中，冷啟動時燃油霧化不良造成冷態(tài)PN比排放遠高于熱態(tài)，且冷態(tài)PN瞬時排放集中在循環(huán)前期，而熱態(tài)PN瞬時排放在循環(huán)后期排放較高。冷態(tài)前期的大峰值對PN比排放結(jié)果有很大的影響。

3) WHSC試驗中，試驗前的第9工況熱機會快速消耗DPF碳載量。循環(huán)中PN瞬時排放較高的區(qū)域出現(xiàn)在工況過渡時期，且第9到第10工況出現(xiàn)非常明顯的大峰值，該峰值對PN比排放結(jié)果影響極大。