DPF對(duì)柴油機(jī)顆粒物的捕集特性的影響研究

張正軍 胡鵬 孫浩銘 邱華榮

摘要：DPF作為柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)的關(guān)鍵部分，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其一直有大量研究。本文研究了在2500r/min、75%負(fù)荷下DPF對(duì)柴油機(jī)不同粒徑的PM捕集效果，研究結(jié)果表明，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，DPF對(duì)柴油機(jī)PM的捕集率有所提高，且DPF對(duì)大粒徑聚集態(tài)顆粒物的捕集率要高于對(duì)核態(tài)顆粒物的捕集率。

Abstract： DPF is a key part of diesel exhaust post-treatment technology， which has been studied extensively by domestic and foreign scholars. In this paper， the capture effect of DPF on PM of diesel engine with different particle sizes was studied under 2500 r/min and 75% load. The results show that， with the extension of test time， the capture rate of DPF on PM of diesel engine is improved， and the capture rate of DPF on large particle size aggregated particles is higher than that on nuclear particles.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)微粒捕集器;顆粒物;捕集特性;柴油機(jī)

Key words： diesel particular filter （DPF）;particulate matter;capture feature;diesel

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.121.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0059-02

0? 引言

柴油機(jī)相對(duì)于汽油機(jī)具有油耗低、耐久性好、輸出扭矩高、CO和HC的排放量較少等優(yōu)點(diǎn)，但柴油機(jī)顆粒物（particulate matter，PM）的排放一直是制約柴油機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1-2]。根據(jù)PM粒徑的大小可將其分為直徑50nm以?xún)?nèi)的核態(tài)微粒和直徑50nm以上的聚集態(tài)微粒，并且將直徑在100nm以下微粒定義為超細(xì)微粒[3]。PM中的微粒大多數(shù)都是納米級(jí)的粒子，能夠長(zhǎng)期在空氣中漂浮并被人體吸入體內(nèi)，其中所含的苯等多環(huán)芳香烴具有強(qiáng)烈的致癌作用，給人的生命健康造成重大危害[4-5]。因此，降低PM的排放量是凈化柴油機(jī)尾氣的首要工作。

國(guó)內(nèi)有眾多學(xué)者對(duì)DPF的捕集特性做了較多研究。陳熊等[6]研究了DPF的捕集效率與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的關(guān)系，研究表明DPF的捕集效率隨工況變化較大，急加減速階段DPF的捕集效果變差。孫萬(wàn)臣等[7]研究了DPF對(duì)柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的捕集特性，研究還指出DPF對(duì)相同粒徑微粒的捕集效率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和工況有關(guān);中等轉(zhuǎn)速、中小負(fù)荷下DPF對(duì)顆粒物的捕集效率較高，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，DPF的捕集效率有所下降。田晶等[8]研究了聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）/柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)顆粒物排放及DPF捕集特性，研究表明，PODE的加入使得柴油機(jī)PM的排放量減少，DPF對(duì)PM的捕集效果也有一定程度的減弱，但總的捕集效率仍能夠保持在95%以上，對(duì)DPF的正常使用無(wú)太大影響。沈穎剛等[9]的研究表明，適當(dāng)?shù)腜ODE的摻入能在一定程度上延長(zhǎng)催化型柴油機(jī)顆粒捕集器（catalytic diesel particular filter，CDPF）再生周期，同時(shí)保證CDPF的轉(zhuǎn)化效率。張宗喜[10]研究了DPF/NTP的協(xié)同作用下DPF的捕集特性，研究指出，在不改變柴油機(jī)參數(shù)和DPF結(jié)構(gòu)的前提下，在DPF中加入催化劑能夠很好地提高DPF的捕集效果。而NTP與DPF的協(xié)同作用能夠進(jìn)一步改善DPF的捕集效果，這是因?yàn)镹TP中的活性成分能夠使DPF在低溫條件下再生，從而NTP與DPF協(xié)同作用能更好地達(dá)到減排的目的。賈傳德[11]研究了柴油機(jī)后加裝DOC+DPF的捕集效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，DOC的加入一方面可以使柴油機(jī)尾氣中的HC和CO及PM中的可溶性有機(jī)物（SOF）被提前氧化氧化，另一方面可以很好地實(shí)現(xiàn)DPF的連續(xù)再生，增強(qiáng)了DPF對(duì)高轉(zhuǎn)速、大工況下的顆粒物的捕集能力。

已有的研究表明，柴油機(jī)微粒捕集器（diesel particular filter，DPF）是目前公認(rèn)的降低柴油機(jī)PM排放的最有效手段[12-13]。DPF最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)為壁流式結(jié)構(gòu)，采用圓柱形堇青石在軸向上形成許多細(xì)小的平行通道，每個(gè)通道均為只有一端堵塞的通孔結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)通道封閉端不相鄰。DPF的工作機(jī)理正是根據(jù)這個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使流入的尾氣被迫通過(guò)過(guò)濾壁面流出，而尾氣中的PM也將在此過(guò)程中沉積在過(guò)濾壁面上，最終達(dá)到凈化尾氣的目的。在現(xiàn)行的國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)下，運(yùn)用DPF降低柴油機(jī)顆粒物排放勢(shì)在必行。

1? 試驗(yàn)裝置及方案

本試驗(yàn)采用YD480Q柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。圖1為DPF捕集PM的試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，如圖1所示，DPF捕集PM的試驗(yàn)系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、DPF、EEPS3090發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放顆粒物粒徑譜儀、稀釋系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)組成。試驗(yàn)所用DPF直徑Φ144mm，高152mm，安裝于柴油機(jī)排氣管上，用于捕集尾氣中的PM;在DPF前后端分別設(shè)置采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)2，在兩采樣點(diǎn)位置安裝管道，柴油機(jī)尾氣經(jīng)稀釋系統(tǒng)稀釋后通入EEPS3090發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，在此對(duì)PM的粒徑分布進(jìn)行測(cè)取。試驗(yàn)時(shí)，柴油機(jī)恒定轉(zhuǎn)速為2500r/min，負(fù)荷為75%，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)240min。

2? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

柴油機(jī)尾氣中的PM主要是核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒。核態(tài)微粒主要是由缸內(nèi)燃燒過(guò)程形成的未完全燃燒的碳核、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在稀釋冷卻過(guò)程中形成的揮發(fā)性碳?xì)浠衔镆约叭剂现泻蚧衔锖筒糠纸饘倩衔锍珊私M成的;聚集態(tài)顆粒主要是由燃料或潤(rùn)滑油不完全氧化形成的碳煙粒子經(jīng)過(guò)碰撞聚集作用，表面吸附凝結(jié)的烴類(lèi)等揮發(fā)性物質(zhì)形成的鏈狀或團(tuán)絮狀聚集物[14-15]。

圖2為DPF前后端PM的粒徑分布圖，DPF后端取試驗(yàn)開(kāi)始后5min時(shí)刻和240min時(shí)刻，設(shè)置EEPS采樣步長(zhǎng)為0.1s，對(duì)所得數(shù)據(jù)取平均值作圖2，圖中dN為顆粒物的數(shù)量濃度，dp為顆粒物的粒徑。由圖2可見(jiàn)，DPF前端PM分布呈雙峰狀，峰值分別在9nm和120nm附近，而DPF后端均呈3峰狀分布，峰值分別在9nm、32nm、128nm附近。DPF后端與前端對(duì)比可以看出，后端顆粒物濃度明顯下降，且聚集態(tài)顆粒物下降更為明顯。到240min時(shí)，大粒徑的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量幾乎為0，說(shuō)明DPF對(duì)聚集態(tài)顆粒物的捕集效果較為顯著。

結(jié)合DPF的捕集原理及圖2可知，PM在DPF孔道內(nèi)沉積會(huì)使孔道直徑減小，導(dǎo)致更多的PM被攔截而在孔道內(nèi)沉積，從而提升了DPF對(duì)核態(tài)和聚集態(tài)顆粒的捕集效率。但值得注意的是，PM的沉積會(huì)導(dǎo)致排氣背壓增大，嚴(yán)重時(shí)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。

3? 試驗(yàn)結(jié)論

①柴油機(jī)廢氣經(jīng)過(guò)DPF的捕集后，聚集態(tài)顆粒物的濃度顯著降低，說(shuō)明DPF對(duì)聚集態(tài)顆粒物的捕集效果較好。而相對(duì)于聚集態(tài)顆粒物，核態(tài)顆粒物的濃度變化較小，說(shuō)明DPF對(duì)核態(tài)顆粒物的捕集效果較弱。

②DPF對(duì)顆粒物的捕集率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，且對(duì)核態(tài)顆粒物的捕集效果增長(zhǎng)較為顯著，說(shuō)明DPF對(duì)顆粒物尤其是核態(tài)顆粒物的捕集并非瞬時(shí)性的，需要一定的時(shí)間作積累。

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