柴油机排放颗粒数控制方法研究.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.018.036 10.16638/ki.1671-7988.2023.018.036 柴油机排放颗粒数控制方法研究 封 慧1,2，陆 健1,2，王建航1,2，赵 娜1,2，马燕燕1,2，房瑞雪1,2（1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261001；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）摘要：随着全球空气污染加剧，控制柴油机排放污染物是解决污染的主要措施之一。柴油机排放污染物中的颗粒数（PN）不仅污染空气，还严重危害人们的身体健康。为了满足法规中PN 的要求，分别从优化燃烧、优化活塞环组、优化油气分离器的分离方式、优化颗粒捕集器（DPF）四方面入手，提出了优化措施，并通过试验，验证了优化措施的可行性。关键词：PN；活塞环组；油气分离器；DPF 中图分类号：TK421.5 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2023)18-183-05 Research on Particle Number Control Method of Diesel Engine FENG Hui1,2,LU Jian1,2,WANG Jianhang1,2,ZHAO Na1,2,MA Yanyan1,2,FANG Ruixue1,2(1.State Key Laboratory of Engine Reliability,Weifang 261001,China;2.Weichai Power Company Limited,Weifang 261061,China)Abstract:With the intensification of global air pollution,the control of diesel emission pollutants is one of the most important measures to solve the pollution.Particle number(PN)in diesel emissions not only pollutes the air,but also seriously endangers peoples health.In order to meet the requirements of PN in the regulations,optimization measures are put forward from four aspects,namely,optimization of combustion,piston ring group,separation mode of oil/gas separator,and diesel particulate filter(DPF),and the feasibility of the optimization measures is verified through tests.Keywords:PN;Piston ring group;Oil/gas separator;DPF 柴油机因其热效率高、功率覆盖广、燃油经济性和动力性好等优点被广泛应用于各个行业。然而，柴油机在给人们生活提供便利的同时，也带来了严重的空气污染问题。柴油机产生的颗粒物不仅污染空气，其携带的多环芳烃等化学物质还危害人们的身体健康。粒径较小的颗粒物可以吸附很多有毒成分，并且可以被人体吸入，影响人体健康1-7。为了满足法规对颗粒数（Particle Number,PN）限值的要求，本文从优化燃烧、优化活塞环组、优化油气分离器的分离方式、优化颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter,DPF）四方面入手，提出了优化措施，并进行了试验验证，为柴油机颗粒物控制方法提供参考和建议。1 颗粒物的分类及形成原因 柴油机颗粒物的主要成分为碳烟颗粒、灰分、作者简介：封慧（1988），女，硕士，工程师，研究方向为密封可靠性，E-mail:。基金项目：国家重点研发计划（2021YFB3503205）。184 汽 车 实 用 技 术 2023 年 可溶性的液态颗粒和硫化物颗粒，其中碳烟颗粒所占比例最多3。柴油机排放尾气中碳烟颗粒的质量和数量分布如图 1 所示。图 1 柴油机排气微粒的典型质量和数量粒径分布17 碳烟颗粒可以根据粒径的大小分为核态、积聚态和粗糙态。核态的碳烟颗粒主要是由以下几部分组成：在缸内燃烧过程中，没有完全燃烧的碳核、挥发性的碳氢化合物还有燃油中的含硫化合物和部分的金属化合物，其颗粒数量占碳烟颗粒的 90%8-16。排放法规中柴油机 PN 是指所有粒径超过 23 nm的颗粒物的总数量，为了满足法规要求，需要减小柴油机燃烧过程中核态、积聚态颗粒物的生成、控制并优化核态、积聚态颗粒物的排放。2 PN 的控制方法 柴油机 PN 的控制方法主要分为两个方面：一方面降低原排 PN：通过优化燃烧，保证过量空气系数、改善油气混合均匀性，来降低柴油机原始排放的 PN；另一方面优化尾气排放的 PN 值，主要是通过采用 DPF 等后处理装置，控制尾气排放PN。对于采用开式循环的柴油机，油气分离器出 气管排出的气体直接排放到大气，会直接影响柴油机的颗粒物总数量。因此，一方面要控制曲轴箱的窜气量，可以通过优化活塞环组来实现；另一方面优化油气分离器的分离方式，提高分离效率，降低因曲轴箱窜气引起的颗粒物数量增多的现象，具体方法如图 2 所示。图 2 颗粒物数量控制方法 2.1 优化燃烧，降低原排 PN 发动机在运行过程中，燃烧后的气体大部分通过排气管之后处理，还有一小部分经过活塞、活塞环组和缸孔之间的间隙进入曲轴箱。因此通过优化燃烧，可以从根本上降低排放，从而降低燃烧后气体的 PN。优化燃烧主要从优化配置和优化标定入手，达到降低 PN 的目的。1）优化关键配置，降低 PN 原排 某排量为 2.3 L 的国六机型的试验数据如图 3所示，从图 3 可知，PN 与颗粒物（Particulate Matter,PM）之间存在一定的相关性，PM 出现峰值的区域，PN 同样出现峰值。因此降低 PN 原排可采取降低 PM 原排的措施，即保证过量空气系数；通过增加喷油器孔数、减小孔径、提高喷油压力、改善燃油雾化等措施改善油气混合均匀性，使燃油充分燃烧。图 3 PN 和 PM 排放的相关性 2）标定优化，降低 PN 原排 在进行标定优化的过程中，其主要的影响参数为提前角、轨压、废气再循环（Exhaust Gas Recirculation,EGR）率、节流阀开度。在某排量为第 18 期 封 慧，等：柴油机排放颗粒数控制方法研究 185 2.3 L 的国六发动机上进行标定优化试验，结果如图 4 所示。由图 4 可知，增大提前角，能明显降低 PN，但 NOX增长趋势较快，降低 30%PN，NOX升高 3.5 g/(kWh)左右；增大轨压能明显降低 PN，降低 30%PN，NOX升高 0.5 g/kWh 左右，但是油耗也会有一定的恶化；减小 EGR 率，能有效降低PN，EGR 率超过约 20%后，PN 呈指数型增长；关小节流阀，PN 减小。当节流阀开度小于 35%后，随着节流阀开度减小，PN 增长明显。图 4 PN 和 NOX排放特性的关系 2.2 优化活塞环组，降低漏气量 活塞环主要分为气环和油环，气环的作用是密封、传热、控制机油消耗量，密封缸内气体，控制窜气量，传递热量实现活塞的冷却；油环的作用是刮油和布油。柴油机的活塞环组通常由两个气环和一个油环组成。顶环的功能主要是密封缸内气体，油环的功能是控制机油消耗。第二道气环的作用既有密封气体，也有控制油耗的作用，但更多的是为 了后者。顶环靠近燃烧室，在热负荷特别高的发动机中，顶环易卡在环槽中，导致拉缸或窜气窜油的故障，为了避免出现以上问题，第一道活塞环的断面形状通常设计为梯形。扭曲环在发动机中应用广泛，第二道气环通常使用扭曲环，其特点是与缸壁呈线接触，磨合性好，与环槽上下也是线接触，密封性能得到改善，并且减轻了对环槽的冲击，防止窜油、窜气效果都比较好18。图 5 开口间隙对窜气量的影响 186 汽 车 实 用 技 术 2023 年 对于采用开式曲轴箱通风系统的柴油机而言，活塞环漏气量将增加整机的 PN 排放。影响漏气量的主要因素有活塞与缸套的配合间隙、活塞环的开口间隙、活塞环的断面形状等。本文通过减小公差，控制一环的闭口间隙，同时将二环由反扭更改为正扭，测量优化前后的漏气量，如图 5所示。从图 5 中可以看出，随着开口间隙的减小，窜气量呈现降低的趋势，通过优化开口间隙及活塞环断面形状，窜气量由 70 L/min 降低到 50 55 L/min。2.3 优化油气分离器的分离方式，降低开式循环PN 曲轴箱内的气体主要由以下两部分组成：一部分为发动机在运行过程中，燃烧后通过活塞进入曲轴箱的气体；另一部分为机油因曲轴箱内高温而蒸发的机油蒸汽。这些混合性气体含有大量的没有充分燃烧的燃油、水蒸气以及大部分的颗粒物质，它们凝结后会对机油造成稀释和氧化，进而影响发动机的可靠耐久性。有研究表明，曲轴箱窜气中颗粒物质能够占到发动机排放的总颗粒物质的 20%19-20。曲轴箱内的气体通过油气分离器分离后，分离出的机油重新流回到油底壳，气体排入大气的为开式油气分离器系统；气体排入进气管路的为闭式油气分离器系统。与开式系统不同，闭式系统的气体进入进气管，再次参与燃烧过程。因气体中含有大量燃油、机油，其对发动机的增压系统及后处理系统都会产生不良影响，甚至会引起重大泄露事故，因此本文采用开式油气分离器系统，通过优化分离方式，降低 PN。油气分离器根据分离方式的不同可分为主动式、纤维滤芯式、高效撞击毛毡式、撞击毛毡式、普通撞击式 5 种类型。在某发动机上分别使用上述方式，测量出气含油量及开式 PN 的数值，结果如表 1 和表 2 所示。由表 1 和表 2 可知，从降低PN 效果来看，主动式、纤维滤芯式比较好，其次为高效撞击毛毡式、撞击毛毡式，最差的为普通撞击式。根据试验结果，综合考虑布置空间及成本问题，选择合适的油气分离方式，达到降低 PN的效果。表 1 不同分离方式下的出气含油量 单位：g/100 kWh 主动式 纤维滤芯式 高效撞击毛毡式 撞击毛毡式 普通撞击式 出气含油量 0.07 0.24 0.161 0.745 0.94 表 2 不同分离方式对开式 PN 的影响 单位：个 主动式 纤维滤芯式 高效撞击毛毡式 撞击毛毡式 普通撞击式 开式 PN WHTC 1.6E+11 1.4E+11 2.7E+11 3.4E+11 4.4E+11 WHSC 1.8E+11 1.5E+11 2.3E+11 2.6E+11 3.4E+11 降 PN 效果 好 好 中 中 差 注：WHTC，全称为 Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle，即瞬态试验循环；WHSC，全称为 World Harmonized Steady-state Cycle，即稳态测试循环。2.4 优化 DPF，降低尾气 PN 柴油机 DPF 技术，是目前满足国六排放法规普遍使用的后处理技术。DPF 能够明显降低颗粒物的排放重量和数量。目前最常用的是壁流式DPF，其工作原理如图 6 所示，通过使用类似蜂窝的结构，通道两端一端开通，一端堵死，迫使气流从壁面上的多孔结构通过，颗粒物无法通过，被捕集下来，成为沉积的积碳20-26。图 6 壁流式 DPF 工作原理示意图9 法规中 PN 计数粒径为 23 nm 以上，DPF 的中值孔径为 1213 nm，柴油发动机排放的颗粒物的粒径大多数是 10200 nm，因此为了提高 DPF 的捕集效率，需要经过一定的预处理，如载体表面的碳层/灰层，如图 7 所示。从图 7 中可以看出 DPF的碳层/灰层需要有一定的厚度才能提高捕集效率，从而满足排放法规的要求。图 7 DPF 增加碳层或灰层后，提高捕集效率的示意图 第 18 期 封 慧，等：柴油机排放颗粒数控制方法研究 187 同时对 DPF 的载体结构进行设计，将载体的中值孔径从 13 m 降至 9 m，进一步提高捕集效率，并升级催化剂的涂覆工艺。通过以上措施的实施，可以有效地控制 PN 排放的超标问题。3 结论 1）PN 与 PM 之间存在一定的相关性，PM 出现峰值的区域，PN 同样出现峰值。PN 与 NOX也存在一定的相关性，在 PN 明显降低时，NOX呈增长趋势。通过优化配置，降低 PM 的同时也降低了 PN；通过标定优化可以有效降低 PN，但 NOX升高。2）活塞环组开口间隙及环组的结构形状对柴油机曲轴箱窜气量有显著影响，通过减小开口间隙，优化环组形状，曲轴箱窜气量降幅明显。3）油气分离器不同的分离方式对降低 PN 有显著影响，主动式、纤维滤芯式比较好，其次为高效撞击毛毡式、撞击毛毡式，最差的为普通撞击式。4）DPF 能够明显降低尾气排放的 PN，通过优化 DPF 的孔径，升级涂覆工艺，可以有效地控制 PN 排放超标的问题。参考文献 1 周敏.重型柴油机颗粒捕集器再生特性研究D.北京:清华大学,2014.2 张凡,李昂,于津涛.国六柴油机颗粒物数量排放测量结果的不确定度评定J.小型内燃机与车辆技术,2020,49(6):52-57.3 黄飞,肖福明.车用柴油机微粒排放控制综述J.山东交通学院学报,2006(4):1-5.4 肖福明,唐凯宁,王丽,等.全球汽车排放控制的现状与趋势J.山东交通学院学报,2002(4):15-18.5 刘刚,王继磊,李建东,等.重型商用车排放试验对比分析J.山东交通学院学报,2020,28(4):8-14.6 NEEFT J P A,MAKEE M,MOULIJN J A.Diesel Parti-culate Emission ControlJ.Fuel Processing Technol-ogy,1996,47(1):1-69.7 刘朋.现代车用柴油机微粒化学成分的分析及生物毒性的研究D.天津:天津大学,2004.8 易力.后喷模式下柴油机排放颗粒物数量和粒径分布的研究D.武汉:华中科技大学,2018.9 沈颖,赵洋,刘帅,等.柴油机颗粒结构特征与氧化特性分析J.车用发动机,2020(4):70-75.10 彭美春,黎育雷,李继龙,等.驾驶模式对轻型汽油车PN 排放影响试验研究J.车用发动机,2019(4):27-33.11 雷程,郑尊清,查海恩,等.喷油策略对汽油压燃颗粒物排放特性的影响J.内燃机工程,2019,40(1):1-8.12 李瑞娜,王忠,孙波.柴油机排气过程对颗粒粒径及表面官能团的影响J.汽车工程,2019,41(8):880-884.13 潘晓璇,李新令,罗悦齐,等.近后喷射对装载 POC 柴油机排气颗粒粒径分布的影响研究J.小型内燃机与车辆技术,2020,49(4):1-8.14 邹浪,何超,李加强,等.基于机器学习的柴油机颗粒物浓度预测J.车用发动机,2020(2):84-92.15 辛千凡.柴油发动机系统设计M.上海:上海科学技术文献出版社,2015.16 刘圣华,周龙保.内燃机学M.北京:机械工业出版社,2017.17 KITTELSON D B.Engines and Nanoparticles:a Review J.Journal of Aerosol Science,1998,29(5):575-588.18 袁兆成.内燃机设计M.北京:机械工业出版社,2012.19 赵长庚.曲轴箱窜气对发动机微粒排放影响的研究D.长春:吉林大学,2018.20 孙非,杜建秋,朱康,等.车用国六柴油机油气分离器设计研究J.小型内燃机与车辆技术,2019,48(3):34-37.21 黄会波.壁流式柴油机颗粒捕集器技术及研究进展J.柴油机设计与制造,2015,21(2):1-7.22 安相壁,索建军,姚广涛,等.柴油机微粒捕集器燃烧器再生试验研究J.车用发动机,2009(4):45-48.23 王宪成,宁智,高希彦,等.柴油机排气微粒静电金属丝网捕集器的试验研究J.内燃机学报,2000(2):123-126.24 王建海,熊兴旺,于津涛,等.柴油机 DPF 后颗粒物排放研究J.内燃机工程,2018,39(1):81-85.25 雷程,郑尊清,查海恩,等.喷油策略对汽油压燃颗粒物排放特性的影响J.内燃机工程,2019,40(1):1-8.26 孟忠伟,李鉴松,秦源,等.DPF 再生及其颗粒物数量浓度排放性能的试验J.内燃机学报,2019,37(4):329-336.