柴油機顆粒后處理技術對顆粒物排放的影響

吉 喆 王燕軍 謝 瓊 原彩紅 馬永利 付云芳 馬 冬 郝春曉 黃志輝

(1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；2.北京交通運輸職業(yè)學院，北京 102200)

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柴油機顆粒后處理技術對顆粒物排放的影響

吉 喆1王燕軍1謝 瓊1原彩紅1馬永利2付云芳1馬 冬1郝春曉1黃志輝1

(1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；2.北京交通運輸職業(yè)學院，北京 102200)

本文利用一臺滿足國Ⅲ排放標準的電控共軌柴油發(fā)動機，研究了氧化型催化轉化器(DOC)、燃油催化劑型的壁流式顆粒捕集器(FBC-DPF)和帶有DOC的壁流式顆粒捕集器(DOC+DPF)三種不同的柴油機顆粒物凈化裝置對柴油機顆粒物排放的影響，定量研究了不同轉速和負荷下，這三種后處理裝置前后顆粒物數(shù)量和質量的變化。研究顯示：DOC對顆粒物的凈化效率大約在20%～30%之間，F(xiàn)BC-DPF對顆粒物的凈化效率大約在90%～98%之間，DOC+DPF對顆粒物的凈化效率也超過了90%。結果表明壁流式的顆粒捕集器對柴油機顆粒物有較高的凈化效果。

柴油機；后處理裝置；顆粒物數(shù)量；顆粒物質量；排放

柴油車輛的排放問題越來越引起人們關注，在用柴油車排放的氮氧化物(NOX)和顆粒物(PM)對整個機動車污染物排放總量的貢獻率非常大，機動車顆粒物(PM)的排放基本都是由在用柴油車產生的。以柴油為燃料的卡車和城市公交車排出的碳煙(PM)和氮氧化物(NOX)已成為影響我國空氣質量的主要污染源之一[1]。

我國環(huán)保部門也不斷出臺和加嚴機動車排放法規(guī)[2]，以期對日益嚴重的汽車排放進行控制，并使我國的法規(guī)盡快與歐洲接軌。嚴格的排放標準促進了柴油機燃燒控制技術的進步和燃油噴射系統(tǒng)的電子化，自國III標準實施以來，各類柴油機電控裝置得到了迅速發(fā)展。這些新技術的應用不僅有效降低了柴油機的氣體排放和微粒排放總量，也導致了所排放的微粒性質的改變。例如，在對柴油機微粒排放總質量的降低的同時，卻導致了超細微粒數(shù)量總量的增加[3]。從歐盟和我國第五階段的輕型車排放標準[4]和歐盟第六階段的重型車排放標準[5]開始，柴油機顆粒的數(shù)量濃度和總質量將一并成為法規(guī)控制的目標。為了使得柴油機的顆粒排放達到法規(guī)的要求，柴油機顆粒后處理裝置的研究是國際上的熱點之一[6]，開發(fā)了氧化型催化轉化器(DOC)、顆粒物捕集器等不同的顆粒物凈化裝置。這些裝置對柴油機顆粒的凈化效果和顆粒物排放特征的影響也得到廣泛的關注[7]，關于微粒數(shù)量濃度的研究在近幾年也逐漸成為熱門的研究課題[8]。由于我國柴油車排放控制技術同國外相比還存在較大差距，柴油車的排放水平與有害污染物的排放特征也不同，國內對不同柴油機顆粒物凈化技術對我國柴油機顆粒排放的影響研究報道較少。因此，本文利用一臺滿足我國國三排放標準的電控柴油機，詳細研究了裝載不同顆粒物后處理裝置后顆粒物質量和數(shù)量的變化規(guī)律，以期為柴油機和尾氣后處理的匹配，開發(fā)滿足我國國五和歐盟第六階段的顆粒物排放控制目標提供借鑒經(jīng)驗。

1 實驗方案設計

發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)包括發(fā)動機、測功機、排氣分析系統(tǒng)(采用在線分析儀器測定氣態(tài)污染物濃度)和顆粒物采集系統(tǒng)(包括空壓機、壓縮氣凈化裝置、稀釋通道、采樣器和真空泵，用于柴油機顆粒物樣品采集)等，同時利用熱電偶來測量發(fā)動機排氣、稀釋通道進口和稀釋通道出口的氣體溫度。 整個實驗臺架布置如圖1所示。

圖1 發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)示意圖

本文選用的柴油機為電控的高壓共軌六缸渦輪增壓發(fā)動機，滿足國Ⅲ標準排放，發(fā)動機的主要參數(shù)如表1所示。

實驗用柴油機氧化型催化轉化器(DOC)尺寸規(guī)格為Φ143.8×152mm，孔隙為400目，載體為堇青石，催化劑為貴金屬鉑(Pt)，其正常工作溫度范圍為523～873K。DOC一般安裝在排氣系統(tǒng)中靠近發(fā)動機一側，以便能盡快達到工作溫度，它能夠減少碳氫(HC)和一氧化碳(CO)的排放量，通常DOC對可溶性有機物質的轉化效率較高，對柴油機尾氣排放中的CO和HC的凈化效率可達90%以上，對于柴油機顆粒排放中可溶性有機物部分也有較好的凈化效果。

表1 實驗發(fā)動機主要參數(shù)

主要采用的測試儀器如表2所示。

表2 主要測試儀器

燃油催化劑型(FBC)的壁流式顆粒捕集器(DPF)是一種利用燃油作為傳遞媒體的使用催化再生劑的顆粒物捕集器，簡稱燃油催化劑或燃油催化再生劑(FBC-DPF)。本次試驗使用顆粒捕集器是由使用燃油添加劑二茂鐵的FBC-DPF。本顆粒捕集器的核心是由碳化硅材料制作而成的可拆卸濾芯。

本文實驗所研究的DOC+DPF顆粒物凈化技術采用了以上介紹的DOC和DPF兩個部件組合而成。此次實驗選取北京市區(qū)內符合國Ⅳ標準的柴油。

2 實驗研究

2.1 柴油機氧化型催化反應器(DOC)對顆粒排放的影響

本研究定量研究了發(fā)動機在不同轉速和負荷下DOC產品對柴油機顆粒質量的凈化效果。 圖2和圖3為發(fā)動機轉速為1400r/min和1600r/min時，不同負荷工況下DOC前后顆粒物的質量排放。可以看出在上述絕大部分工況下，顆粒物排放隨負荷的增加而增加。采用DOC后，排放顆粒物質量均有所降低，降低幅度約20%～30%左右。最大轉化率出現(xiàn)在小負荷處，1400r/min在10%負荷處的顆粒轉化率達到了73%，1600r/min在10%負荷處的顆粒轉化率達到了68%。

圖4為發(fā)動機在1600r/min轉速下，不同各負荷DOC前后顆粒物粒徑分布狀況。可以看出，在小負荷和大負荷工況下，顆粒物數(shù)量濃度隨負荷的增大而增大，其他負荷工況下，顆粒物數(shù)量分布均呈現(xiàn)單峰正態(tài)分布，粒徑分布比例隨負荷變化的規(guī)律也相似，小負荷工況時，粒徑峰值處于粒徑約為20nm的顆粒處，20%～90%負荷之間粒徑峰值均處于粒徑為72nm的顆粒物處。DOC對不同粒徑顆粒物的轉化效率在10%-40%左右。不同轉速和負荷下DOC對顆粒物數(shù)量的凈化效果也有類似的結果。

2.2 燃油催化劑型顆粒捕集器(FBC-DPF)對顆粒排放的影響

在1400r/min和2300r/min下，顆粒捕集器前后的顆粒物質量排放的變化如圖5和圖6所示。試驗表明，采用FBC-DPF后，柴油機排放顆粒物質量大幅度下降，在1400r/min工況下，顆粒物質量的下降幅度在68%～93%之間；2300r/min工況下，顆粒物質量的下降幅度為94%～98%之間。研究結果顯示，F(xiàn)BC-DPF的凈化效率與柴油機工況無明顯的規(guī)律性，大致的凈化效率在70%～98%之間。

圖7為發(fā)動機轉速為1800r/min時，不同負荷下FBC-DPF前后顆粒物濃度的變化趨勢。測試發(fā)現(xiàn)，在1800r/min下，顆粒物數(shù)量的峰值濃度隨負荷的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，在60%負荷處有一小轉折，最大峰值濃度出現(xiàn)在80%負荷，最大峰值濃度為1.61×108個/cm3。從圖7可以看出，在FBC-DPF后的排氣微粒與FBC-DPF前的微粒的規(guī)律大致相同，成單峰正態(tài)分布，不同轉速的粒徑分布變化規(guī)律各有不同。試驗表明，采用顆粒物數(shù)量排放大幅度下降，平均下降幅度為90%左右。其他轉速不同負荷的測試結果表明，F(xiàn)BC-DPF對顆粒物數(shù)量的凈化效率大致在90%～98%之間。

圖4 1600r/min不同負荷下DOC前后顆粒物數(shù)量變化

圖5 顆粒物質量排放變化(1400r/min)

圖6 顆粒物質量排放(2300r/min)

圖7 1800r/min不同負荷下FBC-DPF前后顆粒物數(shù)量變化

2.3 DOC+DPF 對顆粒排放的影響

圖8 顆粒物質量排放變化(1800r/min)

在1800r/min和2300r/min下該發(fā)動機排放的顆粒物質量變化隨負荷的變化趨勢如圖8、9所示。由于采用DOC+DPF后排放顆粒物質量較低，為了明顯的展現(xiàn)DOC+DPF對顆粒物排放的影響，采用對數(shù)坐標處理。結果顯示，在不同的轉速和負荷條件下，采用DOC+DPF顆粒物凈化技術后，顆粒物的質量均大幅度下降，幅度超過90%。

圖9顆粒物質量排放(2300r/min)

圖10列出了在1800r/min不同負荷下，DPF+DOC前后的微粒粒徑分布的負荷特性圖。從圖中可以看出，在DPF-DOC前的排氣微粒粒徑除10%負荷處，其他負荷微粒粒徑成單峰正態(tài)分布，且微粒粒徑分布隨負荷增加而增大，在80%負荷處有所降低，峰值出現(xiàn)在粒徑為72nm顆粒物處。最大峰值濃度出現(xiàn)在70%負荷處，最大峰值濃度為1.6×108個/cm3。在DPF-DOC后，所排放的微粒的數(shù)量隨著負荷的增加先增大后減小。除了10%負荷時峰值出現(xiàn)在粒徑為20nm顆粒物處，其他峰值出現(xiàn)粒徑為72nm顆粒物處。1400r/min、1800r/min和2300r/min轉速下DOC+DPF技術對顆粒物數(shù)量的去除率分別為89%、96%和99%。

圖10 1800r/min不同負荷下DOC+DPF前后顆粒物數(shù)量變化

3 結 論

利用DOC、FBC-DPF和DOC+DPF三種不同顆粒物凈化技術對柴油機顆粒物排放的影響研究表明：

(1)DOC對顆粒物質量的凈化效率大約在20%～30%之間，對顆粒物數(shù)量的凈化效率大約在10%～40%左右；

(2)FBC-DPF對顆粒物質量的凈化效率大約在70%～98%之間，對顆粒物數(shù)量的凈化效率在90%～98%之間；

(3)DOC+DPF對顆粒物質量的凈化效率大于90%，對顆粒物數(shù)量的凈化效率在89%-99%之間。

[1]張勇，張春玲等.柴油機尾氣處理裝置(DPF)的試驗研究[J].山東建筑大學學報，2009，24(1)：26-30.

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[3]I.S.Abdul-Khalek，D.B.Kittelson，B.R.Graskow，Q.Wei F.Brear，Diesel Exhaust Particle Size：Measurement Issues and Trends，SAE Paper 980525.

[4]環(huán)境保護部.GB18352.5—2005.輕型汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2013.

[5]谷雪景.移動源國家大氣污染物排放標準體系演變及發(fā)展方向研究[J].環(huán)境保護，2013，17：48-50.

[6]Jennifer Kain.Retrofit Overview.Connecticut Diesel Emissions Control Technologies Forum[J].August17，2005.

[7]I.S.Abdul-Khalek，D.B.Kittelson，B.R.Graskow，Q.Wei F.Brear，Diesel Exhaust Particle Size：Measurement Issues and Trends，SAE Paper 980525.

[8]呂平，劉憲，曹暉，劉嘉.硫含量對柴油車顆粒物排放和凈化裝置顆粒物凈化效率影響的試驗研究[J].北京汽車，2008(3)：1-3.

Effects of after Treatment Technologies on Diesel Engine Particulate Emissions

JI Zhe1WANG Yanjun1XIE Qiong1YUAQN Caihong1MA Yongli2FU Yunfang1MA Dong1HAO Chunxiao1HUANG Zhihui1

(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing China 100012；2.Beijing Vocational College of Transportation，Beijing 102200)

The reduction efficiencies of particulates of three after treatment devices：a diesel oxidation catalyst (DOC)，a fuel borne additive wall-flow particulate filter (FBC-DPF) and a wall flow particulate filter with DOC was studies on an electronic control common rail diesel engine.The particulate matter and numbers before and after the devices was measured under the different speeds and loads.

diesel engine；after treatment devices；particulate number；particulate mass；emissions

吉喆，碩士，工程師，主要從事機動車污染防治技術研究工作

王燕軍，博士，正高級工程師，主要從事機動車污染污染防治理論與政策研究

X83

A

1673-288X(2016)06-0073-04

項目資助：科技部科技支撐計劃項目“京津冀區(qū)域大氣污染物動態(tài)排放特征及更新機制研究(2014BAC23B02)”、“京津冀區(qū)域重點領域大氣污染防治技術與示范(2014BCA23B04)”

引用文獻格式：吉 喆 等.柴油機顆粒后處理技術對顆粒物排放的影響[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：73-76.