本研究选用一台具有高压共轨、增压中冷技术的四缸柴油机, 主要技术参数指标如下:压缩比为17; 缩口ω 型燃烧室; 缸径/冲程为98 mm/105 mm; 额定功率/转速为76 kW/3200 (r· min^-1)。

试验选用标准国IV柴油, BTL是菜籽油甲酯为主的调和产品, 表1为两种燃料的理化特性参数。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 燃料的理化特性 Table 1 Main properties of fuel 燃 料 密度 /(kg· L-1) 含氧量 /% 十六烷值 低热值 /(MJ· kg-1) 国IV柴油 0.8319 0.74 52 42.85 BTL 0.8800 10.43 56 37.2

表1 燃料的理化特性 Table 1 Main properties of fuel

发动机测控系统由高压共轨柴油机、洛阳南峰CW160型测功机、进气中冷控制系统、日本小野燃烧分析仪、HORIBA MEXA 7100 DEGR排气分析仪、AVL439消光烟度计、TSI EEPS 3090粒度分析仪等组成。该测控系统具有较高的响应速度及测量精度, 其良好的重复性及可靠性能满足微粒排放粒度分布的测量要求。

由于单级稀释比较低, 不利于排气的快速稀释与冷却, 为了使排气中的微粒浓度不超过粒径谱仪的测量上限, 本研究利用二级排气稀释取样系统进行试验研究, 能够满足粒度分布测量的要求^[13]。试验中, 控制第一级稀释比为20, 第二级稀释比为10, 能够保证较好的测量精度。

试验需测量安装DPF前后的微粒粒度分布, 采用图1所示的三通转阀能够实现DPF前后的微粒采样。

图1

Fig.1

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	图1 DPF安装前后微粒采集方案Fig.1 Particles acquisition solution before and after DPF installation

本试验采用在滤芯材料表面涂覆高催化活性催化剂的DPF。试验中使用HORIBA排气分析仪采集不同工况排气组分数据, 每次采集时间为60 s, 取其平均值作为排气测量最终数据; TSI EEPS 3090粒度分析仪采集DPF前后微粒粒度分布, 采样时间同样为60 s。试验首先选取国IV柴油作为燃料, 在发动机典型的最大转矩转速1600 r/min和2200 r/min时不同负荷工况下, 研究安装DPF前后微粒排放粒度分布特征及DPF对不同粒径段微粒的捕集效率; 其次选取国IV柴油和BTL作为燃料进行对比试验, 研究发动机转速为1600 r/min、燃用不同燃料时DPF对不同模态和不同粒径微粒的捕集效率, 本文中捕集效率的定义为DPF对微粒数量的捕集率。

图2、图3为发动机燃用石化柴油、两种转速及不同负荷工况下安装DPF前后微粒排放粒度分布, 其中#代表微粒数量。从图中可以看出, 安装DPF前后微粒数量浓度曲线呈双峰分布, 核态微粒数量浓度峰值在10 nm附近, 积聚态微粒数量浓度峰值为60~100 nm, 微粒经DPF后积聚态微粒数量所占比例较大, 随负荷增加, 峰值位置均向大粒径方向偏移, 这是因为随负荷增加, 空燃比减小, 燃烧不完全会产生大量碳质颗粒, 由于碳粒表面疏松多孔, 易于吸附缸内未燃挥发性有机物HC, 相互碰撞积聚形成大粒径微粒, 使积聚态微粒数量增多, 因此DPF后积聚态微粒数量亦增多。

图2

Fig.2

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	图2 DPF安装前微粒数量浓度分布Fig.2 Particle concentration distribution before DPF installation

图3

Fig.3

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	图3 DPF安装后微粒数量浓度分布Fig.3 Particle concentration distribution after DPF installation

图4、图5为DPF前后不同模态微粒数量浓度及捕集效率对比, 可以看出, 两种转速中、小负荷工况下DPF对不同模态微粒数量的捕集效率较高, 大负荷工况捕集效率降低, 1600 r/min小于50%负荷时DPF对不同模态微粒的捕集效率均达到90%以上。对比不同转速下的捕集特性可以看出, 随转速增加, DPF对不同模态微粒的捕集效率有所下降, 下降幅度均在20%以内。

图4

Fig.4

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	图4 安装DPF前后超细微粒、总微粒数量浓度及捕集效率Fig.4 Ultrafine particle, total particle number concentration and filtration efficiency before and after DPF installation

图5

Fig.5

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	图5 安装DPF前后核态、积聚态微粒浓度及捕集效率Fig.5 Nucleation mode particle, accumulation mode particle concentration and filtration efficiency before and after DPF installation

在相同工况下DPF对核态微粒的捕集效率高于积聚态微粒, 高速工况时差异更明显, 主要原因是核态微粒中的主要成分是有机溶剂的凝聚物(SOF), 它能够被DPF中的催化剂涂层氧化, 且在相同排气温度下, 粒径较小的核态微粒容易发生热布朗运动而被DPF捕集。从试验结果还可以发现, 与转速相比, 负荷对DPF的捕集效率影响更大。

图6为DPF对不同粒径微粒的捕集效率, 可以看出, 相同转速下随负荷增加, DPF对不同粒径微粒的捕集效率均降低, 转速为1600 r/min时小负荷工况下DPF对不同粒径微粒捕集效率较高, 均达到90%以上, 全负荷工况下对大粒径微粒的捕集效率迅速降低。从图6可以看出, 大负荷工况下DPF捕集效率曲线呈反双峰结构, 其对核态微粒和积聚态微粒的捕集效率存在“ 穿透窗口” , 核态微粒的穿透窗口为15~30 nm, 积聚态微粒的穿透窗口为60~100 nm, 位于此粒径范围内的微粒的捕集效率较低。DPF穿透窗口与发动机的运转条件具有相关性, 负荷越大, 穿透窗口越明显。穿透窗口是DPF不同捕集机理共同作用的结果, 位于该粒径区间内的微粒受到不同捕集机理的相互影响, 使得捕集效果减弱, 因此总的捕集效率曲线出现波谷。从图6还可以看出, DPF对于相同粒径微粒的捕集效率与发动机的运转条件密切相关, 1600 r/min除全负荷工况外, DPF对不同粒径微粒的捕集效率均在50%以上, 2200 r/min中、小负荷工况下, DPF对粒径小于80 nm的微粒捕集效率均大于50%, 而大负荷工况下, DPF对粒径大于15 nm的微粒捕集效率已降低到50%以下。

图6

Fig.6

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	图6 DPF对不同粒径微粒的捕集效率Fig.6 DPF filtration efficiency for particles with different size

为研究不同燃料对DPF捕集特性的影响, 选择发动机转速为1600 r/min下燃用石化柴油和BTL燃料进行对比试验。图7为燃用BTL时安装DPF前后微粒数量粒度分布图, 可以看出, 燃用BTL时安装DPF前后的微粒数量浓度分布曲线呈双峰结构, 核态微粒数量浓度峰值位于10 nm附近, 积聚态微粒数量浓度峰值在60~100 nm区间, 安装DPF前微粒以核态为主, 安装DPF后核态和积聚态微粒数量浓度均降低, 积聚态微粒数量所占比例增加, 同时随负荷增加, 各模态峰值位置均向大粒径方向偏移。

图7

Fig.7

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	图7 燃用BTL发动机在安装DPF前后微粒数量浓度分布Fig.7 Particle number concentration distribution before and after DPF installation when burning BTL

图8为燃用石化柴油和BTL时不同负荷工况下安装DPF前后不同模态微粒数量浓度及捕集效率。由图8可见, 中、小负荷工况下燃用BTL后产生的核态微粒及超细微粒数量较多, 积聚态微粒较少, 主要原因是BTL为含氧燃料, 燃料中的氧能改善局部燃烧, 急燃期内生成更多的核态微粒,

图8

Fig.8

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	图8 DPF安装前后不同模态微粒数量浓度及捕集效率Fig.8 Different mode particle number concentration and filtration efficiency before and after DPF installation

燃料中的氧还能抑制核态微粒向积聚态微粒转化, 因此微粒排放以核态为主。超过50%负荷工况后, 随负荷的增加, DPF对燃用BTL后微粒的捕集效率总体高于石化柴油, 尤其在大负荷工况下DPF对核态微粒仍具有较高的捕集效率。这是由于高压共轨柴油机燃用BTL后微粒排放大都是超细微粒, 而带催化剂涂层的DPF对核态及超细微粒的捕集效果明显, 使得DPF对燃用BTL燃料发动机具有较高的微粒捕集效率。

图9为燃用BTL时DPF对不同粒径微粒的捕集效率。由图9可见, 燃用BTL时在100%负荷工况下DPF存在核态微粒穿透窗口, 其范围是15~30 nm。随着负荷的降低, 捕集效率有所增加, 对于大于80 nm的微粒, 所有负荷工况下捕集效率均迅速下降, 分析其原因是:燃用BTL时产生较多的核态微粒, 微粒经DPF内部时会发生成核、凝结和积聚等一系列复杂的微粒成长过程, 形成大粒径微粒, 积聚态微粒数量增多, DPF内捕集或附着的大粒径微粒在排气流速的冲击下易发生脱附而随气流排出, 因此导致DPF对大粒径微粒的捕集效率迅速降低。

图9

Fig.9

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	图9 燃用BTL时DPF对不同粒径微粒捕集效率Fig.9 DPF filtration efficiency for different size particles burning BTL

对比图6(a)和图9可以看出, 发动机燃用BTL时DPF对不同粒径微粒的捕集效率整体上得到提高, 在中、大负荷工况下捕集效率明显高于柴油, 因此燃用BTL时DPF对微粒的捕集效果更好。