潘晓璇 李新令，2 罗悦齐 曾子慧 周校平

（1-上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室 上海 200240 2-崇明生态研究院）

引言

柴油颗粒物排放是造成大气污染的主要因素之一，可吸入颗粒物进入人体后沉积于肺部甚至进入血液，同时由于其可能携带的毒性成分，对人体危害严重。因而为柴油机安装后处理装置是必要的措施。常用的后处理装置DPF（Diesel Particulate Filter，柴油颗粒过滤器）虽然对颗粒排放的控制有极高的效率，但其需要周期性的再生和定期清理积累的灰分以避免排气堵塞，这些要求提高了其使用的复杂性和成本[1]。较高的排气背压也降低了燃油经济性。

POC（Particle Oxidation Catalyst，颗粒氧化转化器）被认为是一种可能的替代方案，与传统DOC（Diesel Oxidation Catalyst，柴油氧化转化器）结合使用。POC 避免了堵塞的风险，且不需要再生等复杂操作。POC 的这些优势使其作为柴油机颗粒物后处理装置具有巨大潜力，然而其在目前技术水平下处理效率相对较低，因此提高其处理效率的手段值得进一步研究。另一方面，喷油策略的优化对于柴油机颗粒物排放控制也有着重要意义，近后喷射策略被发现是一种有效手段，它一方面可以加强缸内气流运动，促进油束雾化和混合，另一方面减少燃烧前期喷油量[2]，提高燃烧后期温度，促进已形成颗粒的氧化过程[3-4]。以上因素都使得近后喷射的加入倾向于降低颗粒物排放。然而，现有的关于近后喷射对颗粒物排放影响的研究主要基于无后处理装置的发动机，只有少量研究关注了后喷对柴油机后处理装置使用效果的影响[5]。DOC+POC 后处理装置减少颗粒物排放的原理结合了颗粒捕获和氧化两个方面，对于小颗粒，其运动规律主要由布朗运动控制，易于被POC捕获，对于更大粒径的颗粒，则有可能被POC 中的金属网状结构截获[1]。POC 在捕获颗粒物的同时利用排气中的NO2对其进行氧化，进一步提高了处理效率，POC 对颗粒中的挥发性有机成分氧化转化效率较高，而对非挥发性碳烟的氧化则需要足够高的排气温度[6]。因此，在装备了DOC+POC 的发动机中结合近后喷射策略，提高排气温度，有可能促进DOC+POC 的氧化性能，进一步提高其对颗粒物的转化效率，因此DOC+POC 装置结合近后喷射的策略对颗粒物排放特性的影响值得研究。

本文的试验研究首先结合缸内燃烧状况，分析了近后喷射参数对颗粒物粒径分布的影响，然后通过对比不同策略下的DOC+POC 装置处理后的排气颗粒物数量浓度，评估了近后喷射的引入对后处理效率的影响，这部分关于粒径分布和数量浓度的讨论基于非挥发性颗粒（热熔蚀器TD 脱附后），主要依据欧洲排放法规对颗粒物排放限定的定义[7]。最后，考虑到颗粒中的挥发性有机物可能包含有毒甚至致癌成分[8]，减少有机物排放至关重要，我们通过对比热熔蚀器前后的粒径分布，进一步研究了后喷策略及负荷对颗粒物挥发性的影响。

1 试验装置及方法

1.1 试验系统

本研究的试验系统示意图如图1 所示。试验采用了一台配备了电控高压共轨直喷系统的直列四缸柴油机，安装了以Kistler 缸压传感器为主体的缸内燃烧分析系统。发动机的具体参数如表1 所示。发动机配备DOC+POC 组合后处理装置，其具体参数在表2 中给出。试验中对颗粒物粒径分布及数量浓度的测试使用了一台扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪（SMPS，TSI 3034），排气稀释采用了Dekati 引射式两级稀释通道，稀释比通过稀释空气压力控制，通过一套热熔蚀器（Thermodenuder，TD）将颗粒物中的挥发性有机物除去，留下非挥发性颗粒进行测量。TD温度设定为275°C，该温度下TD 足以除去几乎全部有机成分[9]。排气采样管路温度被控制在190°C，以减少颗粒热沉积的发生。一台气体分析仪（CAI 300）实时排放气体浓度并监控稀释比。

图1 试验系统示意图

表1 发动机参数

表2 DOC，POC 参数

1.2 实验方法

试验中采用了沪V 柴油，其硫含量低于10×10-6以避免后处理装置中的催化剂中毒。试验过程中一级稀释比控制在15±1，二级稀释比为8，通过实时测定稀释前后CO2浓度确定稀释比。实验工况选取了代表性的低负荷（0.12 MPa BMEP）和中等负荷（0.6 MPa BMEP），近后喷油量选取了两个值，分别为总喷油量的15%和35%。主后喷间隔选取了10°CA，20°CA，30°CA 和40°CA4 个不同工况进行测试。在随后的讨论中，关于近后喷射策略的讨论主要集中于对比分析高低后喷油量（15%和35%），以及代表性的两个后喷间隔（20°CA，40°CA）。在所有工况下同时测量TD 前后粒径分布，以减小工况波动的影响。

2 结果与讨论

2.1 燃烧及油耗分析

图2 给出了低负荷和中等负荷工况下（0.12 MPa，0.6 MPa BMEP），近后喷射策略对缸内燃烧放热率（HRR）和缸内平均温度（GMT）的影响。由图2 可见，主喷阶段的放热率因后喷的引入而略有降低，这主要是由于后喷的引入减少了主喷油量，从而降低了主喷阶段放热率，相应地也降低了气体平均温度的峰值。放热率曲线的第二个峰出现在滞后于后喷时刻约10°CA 的位置。由图2c）和图2d）可见，随着发动机负荷的升高，放热率和缸内平均温度显著升高，同时由于后喷油量的增加，后喷对放热率和平均温度的影响也更加显著。如图2d）所示，当后喷油量达到总喷油量的35%，平均温度的峰值下降了约180 K，而后喷阶段的平均温度出现显著的阶跃，在后期超过了单次喷射的平均温度。燃烧前后期平均温度的变化可能对燃烧阶段的颗粒物生成及氧化特性有影响。

图2 不同负荷及后喷策略条件下的缸内燃烧放热率和平均温度

图3 为不同负荷和控制策略条件下的油耗率。可以看到，低负荷和中等负荷的规律一致，引入近后喷射，导致油耗率上升，并且一个显著的趋势是随着后喷间隔的增大，油耗率增大，这主要是由于较大的后喷间隔使得主喷燃烧放热减少，燃烧重心倾向于向做功冲程移动，因而降低了热效率[10]。图3b）和图3d）是安装了DOC+POC 后处理装置的试验结果，可以看到，在相同负荷下，安装了后处理装置会导致油耗略有增加，这主要是由于后处理装置导致的排气阻力增大，需要额外做功弥补功率损失。由于DOC，POC 的通孔式设计，其排气阻力相对较小，对于低负荷和中等负荷两个工况，增加DOC+POC 使得油耗率分别只升高了1.4%和0.5%，这通常低于DPF 所导致的油耗率增长[11]。

图3 燃油消耗率随近后喷射策略的变化

2.2 非挥发性颗粒粒径分布

图4 是低负荷工况下，近后喷及DOC+POC 时颗粒粒径分布的影响。可以看到，未经DOC+POC处理的排气呈现显著的双峰特性，并且核膜态峰值远高于积聚态峰值。核膜态峰值位于14 nm 左右，积聚态峰值位于60 nm 左右。随着近后喷射的加入，两个峰值及峰位置都发生了明显的变化。总体上说，近后喷射使得核膜态颗粒减少而积聚态颗粒增加，这一效应在较小的主后喷间隔下尤为显著，从图4a）可以发现，当主后喷间隔角度为20°CA 时，核膜态颗粒的峰值降到极低位置，而积聚态峰值升高了近一倍，如果采用了更大的后喷油量（如图4b）），这一现象进一步加剧，20°CA 时粒径分布几乎完全呈现单峰特性。而对于主后喷间隔较大时（40°CA），核膜态颗粒的减少量相对不明显。

图4c）和图4d）是经过DOC+POC 后处理的颗粒粒径分布，可以看到核膜态颗粒物几乎全部被去除，所有工况的分布呈现单峰特性。由于POC 的半通式过滤特性，由于较小粒径的颗粒具有较小的惯性力，其运动规律主要由布朗运动控制，因而与壁面碰撞接触的倾向更大，从而更容易被POC 捕集。积聚态颗粒浓度相对于后处理前也有所下降，且峰位置向小颗粒方向移动。积聚态颗粒的处理效果不如核膜态颗粒显著的原因除了较大颗粒更难以被捕捉之外，也与不同组分导致的氧化活性差异有关，DOC+POC 的主要工作机理可由以下4 个反应式表达：

其中挥发性有机成分（VOF）的氧化反应需要的温度较低，在普通工况的排温下即可满足较高的转化效率[12]，而反应式（4）中碳烟的氧化反应需要相对更高的温度，因此，由于核膜态颗粒中主要由VOF组成，而积聚态则是碳烟占主要部分，因此DOC+POC 对积聚态颗粒的转化效率较低。

另外值得注意的是，加入近后喷射后，DOC+POC 处理后的颗粒物浓度相对于单次喷射有所上升，尤其是在后喷油量较大，后喷间隔较小时这一现象尤为明显。这主要是由于近后喷射的引入使得油束雾化混合效果恶化，积聚态颗粒增加，抵消了POC转化效率提高所获得的益处，最终使得颗粒物排放浓度增大。近后喷射策略及DOC+POC 后处理装置对核膜态颗粒的显著抑制作用具有一定意义，因为小颗粒虽然占总质量比例不大，但数量相对较大，并且更易于沉积于人体肺部甚至透入血管，对人体危害远大于大颗粒[13]。

图5 为中等负荷工况（0.6 MPa BMEP）下近后喷及DOC+POC 对颗粒粒径分布的影响，可以看到和低负荷工况的显著差异在于所有控制策略下粒径分布均显示出单峰特性。这是由于高负荷下较高的燃烧温度和较低的空燃比促进了强烈的碳烟生成反应，使得形成的小颗粒核心倾向于长大，形成积聚态颗粒，因而在整个燃烧过程结束后保留下来并随尾气排出的非挥发性核心极少。

由图5a）和图5b）可见，后喷的引入使得颗粒物排放浓度降低，并且平均粒径随着后喷间隔的增大而减小，这主要是由于后喷的加入使得燃烧后期温度较高，促进了已生成颗粒的氧化作用，从而一方面减少了颗粒物数量浓度，另一方面也使得粒径减小。由图5c）和图5d）可见，经过DOC+POC 处理后的颗粒物浓度显著下降，单次喷射策略下转化效率为52.6%，随着近后喷的加入，转化效率有所提高，达到70.5%和74.2%（后喷油量15%，后喷间隔分别为20 °CA 和40 °CA）。这主要是由于后喷的引入使得排气温度由单次喷射工况的342°C 升高到366°C（20°CA）和373°C（40°CA），排温的升高使得POC的氧化效率提高。

图5 中等负荷工况（0.6 MPa BMEP）下近后喷及DOC+POC对颗粒粒径分布的影响

2.3 不同控制策略下的颗粒物挥发性

图6 不同条件下的颗粒物在TD 前后的粒径分布

颗粒物的挥发性主要取决于其中的挥发性有机物含量（VOF），而颗粒物中的有机物含有复杂的成分，其中含有一些有毒甚至是致癌的成分[8]，因此降低跟随颗粒的有机成分排放量也具有重要意义。分析颗粒物挥发性通常有两种方法，一种是基于质量的方法，即采集颗粒物进行热重分析，确定其中的有机成分比例；另一种是基于颗粒物数量的方法，通过对比热熔蚀器（TD）前后的颗粒物数量浓度及粒径分布来评估挥发性。本文采用基于数量的方法。图6 为不同控制策略条件下的TD 前和TD 后颗粒物粒径分布。图6a）为无后处理装置时，两个不同工况的测试结果，可以发现，低负荷下（0.12 MPa），TD 后颗粒物数量显著下降，而中等负荷（0.6 MPa）工况下颗粒物数量减少量相对不明显，这表明低负荷下颗粒物中含有更高比例的挥发性有机成分，这是由于低负荷下燃烧温度较低，形成颗粒物的反应更易于中断，从而留下中间产物，形成附着在颗粒物上的有机成分[14]。另外值得注意的是，在低负荷下，经过TD 处理后的核膜态颗粒虽然有所减少，但是仍然保持了较高的浓度，并且峰位置显著向小粒径方向移动，这表明核膜态颗粒并非完全由挥发性有机成分组成，而是包含了非挥发性的核心。图7 为颗粒挥发性有机物脱附过程示意图。排气管中颗粒物主要包括3 类，一是由非挥发性碳质核心加挥发性有机物包裹的独立颗粒，另一些是积聚在一起形成的大颗粒，另外还有部分完全由挥发性成分组成的小颗粒。由于团聚过程易于发生，排气中的颗粒倾向于保持较大的粒径，此时单独存在10 nm 左右的小颗粒较少。而经过TD 后，一方面去掉有机成分，另一方面部分颗粒物团被分散，产生了更多单独存在的小颗粒，因此，TD去除挥发分后并不是单纯地降低了核膜态颗粒的数量浓度，而是使得峰位置向小颗粒方向移动。图6b）是DOC+POC 处理后的粒径分布在TD 前后的情况。在前面2.2 节已经讨论过，DOC+POC 可以有效去除核膜态小颗粒，所以粒径分布中仅有积聚态峰，此外，由图6b）还可以发现TD 前后的颗粒物浓度变化较小，峰位置移动也并不明显，这表明经过DOC+POC 处理，颗粒中大部分有机成分已经被去除。图6c）展示了低负荷下（0.12 MPa）近后喷射对颗粒物挥发性的影响，可以看到，较小的后喷间隔有利于降低生成颗粒物的挥发性，这主要是由于紧随主喷阶段的后喷油束可能与主喷油束在燃烧过程中相互作用，促进已经生成颗粒的氧化[3]，从而减少有机成分的含量。较大后喷间隔的条件下，颗粒物挥发性较高，比较接近于单次喷射的工况，这可能是由于低负荷下燃烧温度较低，过于延后的后喷会留下较多的未燃成分随颗粒排出。以上分析表明，在生成较多小颗粒核心的工况下，颗粒物中携带的有机成分更多，潜在的危害更大，而通过DOC+POC 后处理装置结合较小间隔的近后喷射对小颗粒及有机物有抑制作用。

图7 颗粒挥发性有机物脱附过程示意图

3 结论

1）近后喷射的引入降低了主喷阶段的燃烧放热率和缸内温度峰值，提高了燃烧后期的温度，提高了DOC+POC 后处理装置的转化效率。

2）低负荷条件下，近后喷的引入使得核膜态颗粒减少而积聚态颗粒数量浓度升高，并且这一效果随着主后喷间隔的减小而愈发明显。

3）中等负荷条件下，粒径分布呈现单峰特性，后喷的引入可以减少积聚态颗粒数量浓度。

4）低负荷条件下生成的大量核膜态颗粒主要由10 nm 左右的固态核心及附着的挥发性有机成分组成。

5）DOC+POC 后处理装置对小颗粒的去除效果尤为明显，同时也能够显著减少颗粒物中的有机成分。

6）较小的后喷间隔有利于除去颗粒物中的挥发性有机成分。