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摘要：重型柴油国六排放法规新增颗粒物数目PN限值要求，DPF的使用成为必然。DPF的选型尤为重要，其一，是排气背压的重要来源，可能影响到柴油机动力性能;其二，过滤能力直接关系PM和PN排放性能，本文以某柴油机国六开发展开选型工作，以找出最优DPF方案。
关键词：柴油机;堇青石;颗粒物;排气背压;过滤能力
0 引言
柴油发动机尾气主要的排放污染物是氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM），其中颗粒物排放占我国汽车排放总量的99%以上，是机动车颗粒物排放最为主要的来源，也是大气灰霾的重要成因。
为改善大气环境，近些年我国政府陆续出台了越来越严格的法规，其中对于尾气排放的限值有大幅度加严。重型柴油车国Ⅴ标准相对国Ⅳ阶段颗粒物质量（PM）排放进一步下降80%;2018年6月22日生态环境部发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，在国Ⅴ标准基础上进一步下降50%的颗粒物质量（PM）排放，同时新增了颗粒物数量（PN）限值规定，将于2021年7月1日全面执行。
颗粒物捕集器DPF是目前公认的降低柴油机颗粒物排放的最有效手段，壁流式DPF对于颗粒物的过滤效率能够达到95%左右，因此广泛应用于道路车用、非道路机械的柴油机排放标准升级需求。
1 DPF过滤机理
DPF是由材料制成的特定结构过滤体，发动机排气流过过滤体，颗粒物PM被截留在过滤体内而气体排出，从而实现颗粒物PM的净化效果。其工作原理如图1所示，排气从一个过滤孔道流入后再穿过多孔性壁面从相邻孔道排出，颗粒物PM无法穿越孔道而沉积在孔道壁面上。其对颗粒物的捕集机理主要有惯性碰撞、拦截和扩散几种。
DPF载体主要有3种材质，分别为堇青石、碳化硅和钛酸铝，不同的材质有不同的特性，影响到最大累碳量、再生温度控制等方面。如表1所示，不同载体的相关特性。
2 試验情况
在某四缸柴油发动机上对不同方案DPF背压特性和颗粒物数目PN过滤能力做试验选型，择最优方案满足国六开发要求。发动机主要技术参数如表2所示。
发动机台架布置如图2，采用的是DOC+DPF+SCR+ASC配置，尾排能够满足重型柴油国六b排放限值。
选择了不同技术参数的堇青石载体DPF，验证其压降特性和颗粒物数目PN的过滤能力。主要信息如表3所示。
针对DPF选型，项目开发有两个主要指标，第一，后处理系统总成背压应不超过25kPa;第二，加装DPF后尾排颗粒物数目PN排放应满足法规限值要求，并留有20%以上裕度。根据这两个指标，我们进行了以下两组选型试验。
2.1 排气背压
在DPF进气和出气端分别布置压力测点，以发动机额定工况作为评价试验点，记录额定工况下排气背压值。如图3给出了各个方案DPF在额定工况下的排气背压情况。
该项目预期开发目标总体排气背压不超过25kPa，case1、case2、case4均满足目标要求。从数据看，额定工况下case3背压最高，经分析与其较小的中值孔径、以及小中值孔径的催化剂涂覆工艺控制有关，否则可能更加造成背压超高。
2.2 PN过滤能力
重型柴油机国六标准对颗粒物质量（PM）与数目PN限值要求如表4所示。
为满足标准PN限值要求，需要对柴油机排放颗粒物粒径做分析，然后再匹配合适的DPF。如图4为典型柴油机的颗粒物粒径分布特性，由图4可知核模态颗粒对其数量排放贡献较大，但柴油机质量排放主要由积聚模态颗粒所决定。数量加权下的粒度特性呈单峰对数正态分布，峰值落在核模态颗粒范围之内，而质量加权下的粒度特性同样呈对数正态分布模式，除积聚模态中出现的较大峰值外，在核模态与粗粒子模态还各有一个较小的峰值。
新鲜涂覆后的DPF一般需要一个预处理过程，可以让部分排放颗粒填充到DPF内部壁面上，PM过滤效率能够从初始85%左右提高到95%左右，典型的PN过滤效果如图5所示尾排PN数量趋势。
如图5显示，初始状态DPF的尾排PN结果很高，随着WHTC循环的预处理后，前3个WHTC循环的PN呈指数下降，到10个WHTC循环后PN基本呈现小幅下降稳定趋势。
经过相同预处理后，我们对不同方案的DPF进行标准循环WHTC试验，结果如表5。
结果显示，4个DPF方案经过预处理后，case1方案的尾排PN仍然超出法规6.0×1011 #/kWh限值要求，其他3个方案均满足限值要求，其中case3方案能够达到10次方水平。
综合评估各方案排气背压和尾排PN水平，如表6所示。
case4的排气背压满足设计目标，尾排PN排放有足够裕度，是最优方案。
3 总结
根据柴油国六新增的PN排放限值要求，需要对堇青石DPF技术参数做选型匹配，根据DPF的参数做催化剂涂覆工艺也是非常重要的一环，排气背压和PN排放有一个跷跷板效应，需要综合考虑，从而选出最优方案。
参考文献：
[1]李新令，黄震，王嘉松，等.柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究[J].内燃机学报，2007（2）.
[2]邹建国，钟秦.柴油机排放颗粒物组成分析[J].中国环境监测，2006（3）.
[3]刘丽萍，田茂诚，肖福明，等.柴油机排气微粒燃烧特性的试验研究[J].内燃机工程，2010（2）.
关键词：柴油机;堇青石;颗粒物;排气背压;过滤能力
0 引言
柴油发动机尾气主要的排放污染物是氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM），其中颗粒物排放占我国汽车排放总量的99%以上，是机动车颗粒物排放最为主要的来源，也是大气灰霾的重要成因。
为改善大气环境，近些年我国政府陆续出台了越来越严格的法规，其中对于尾气排放的限值有大幅度加严。重型柴油车国Ⅴ标准相对国Ⅳ阶段颗粒物质量（PM）排放进一步下降80%;2018年6月22日生态环境部发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，在国Ⅴ标准基础上进一步下降50%的颗粒物质量（PM）排放，同时新增了颗粒物数量（PN）限值规定，将于2021年7月1日全面执行。
颗粒物捕集器DPF是目前公认的降低柴油机颗粒物排放的最有效手段，壁流式DPF对于颗粒物的过滤效率能够达到95%左右，因此广泛应用于道路车用、非道路机械的柴油机排放标准升级需求。
1 DPF过滤机理
DPF是由材料制成的特定结构过滤体，发动机排气流过过滤体，颗粒物PM被截留在过滤体内而气体排出，从而实现颗粒物PM的净化效果。其工作原理如图1所示，排气从一个过滤孔道流入后再穿过多孔性壁面从相邻孔道排出，颗粒物PM无法穿越孔道而沉积在孔道壁面上。其对颗粒物的捕集机理主要有惯性碰撞、拦截和扩散几种。
DPF载体主要有3种材质，分别为堇青石、碳化硅和钛酸铝，不同的材质有不同的特性，影响到最大累碳量、再生温度控制等方面。如表1所示，不同载体的相关特性。
2 試验情况
在某四缸柴油发动机上对不同方案DPF背压特性和颗粒物数目PN过滤能力做试验选型，择最优方案满足国六开发要求。发动机主要技术参数如表2所示。
发动机台架布置如图2，采用的是DOC+DPF+SCR+ASC配置，尾排能够满足重型柴油国六b排放限值。
选择了不同技术参数的堇青石载体DPF，验证其压降特性和颗粒物数目PN的过滤能力。主要信息如表3所示。
针对DPF选型，项目开发有两个主要指标，第一，后处理系统总成背压应不超过25kPa;第二，加装DPF后尾排颗粒物数目PN排放应满足法规限值要求，并留有20%以上裕度。根据这两个指标，我们进行了以下两组选型试验。
2.1 排气背压
在DPF进气和出气端分别布置压力测点，以发动机额定工况作为评价试验点，记录额定工况下排气背压值。如图3给出了各个方案DPF在额定工况下的排气背压情况。
该项目预期开发目标总体排气背压不超过25kPa，case1、case2、case4均满足目标要求。从数据看，额定工况下case3背压最高，经分析与其较小的中值孔径、以及小中值孔径的催化剂涂覆工艺控制有关，否则可能更加造成背压超高。
2.2 PN过滤能力
重型柴油机国六标准对颗粒物质量（PM）与数目PN限值要求如表4所示。
为满足标准PN限值要求，需要对柴油机排放颗粒物粒径做分析，然后再匹配合适的DPF。如图4为典型柴油机的颗粒物粒径分布特性，由图4可知核模态颗粒对其数量排放贡献较大，但柴油机质量排放主要由积聚模态颗粒所决定。数量加权下的粒度特性呈单峰对数正态分布，峰值落在核模态颗粒范围之内，而质量加权下的粒度特性同样呈对数正态分布模式，除积聚模态中出现的较大峰值外，在核模态与粗粒子模态还各有一个较小的峰值。
新鲜涂覆后的DPF一般需要一个预处理过程，可以让部分排放颗粒填充到DPF内部壁面上，PM过滤效率能够从初始85%左右提高到95%左右，典型的PN过滤效果如图5所示尾排PN数量趋势。
如图5显示，初始状态DPF的尾排PN结果很高，随着WHTC循环的预处理后，前3个WHTC循环的PN呈指数下降，到10个WHTC循环后PN基本呈现小幅下降稳定趋势。
经过相同预处理后，我们对不同方案的DPF进行标准循环WHTC试验，结果如表5。
结果显示，4个DPF方案经过预处理后，case1方案的尾排PN仍然超出法规6.0×1011 #/kWh限值要求，其他3个方案均满足限值要求，其中case3方案能够达到10次方水平。
综合评估各方案排气背压和尾排PN水平，如表6所示。
case4的排气背压满足设计目标，尾排PN排放有足够裕度，是最优方案。
3 总结
根据柴油国六新增的PN排放限值要求，需要对堇青石DPF技术参数做选型匹配，根据DPF的参数做催化剂涂覆工艺也是非常重要的一环，排气背压和PN排放有一个跷跷板效应，需要综合考虑，从而选出最优方案。
参考文献：
[1]李新令，黄震，王嘉松，等.柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究[J].内燃机学报，2007（2）.
[2]邹建国，钟秦.柴油机排放颗粒物组成分析[J].中国环境监测，2006（3）.
[3]刘丽萍，田茂诚，肖福明，等.柴油机排气微粒燃烧特性的试验研究[J].内燃机工程，2010（2）.