顆粒捕集器中沉積灰分對柴油機非常規污染物排放影響研究

王浩浩，葛蘊珊，譚建偉

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

0 概述

柴油機顆粒物(particulate matter, PM)排放約占機動車顆粒物排放總量的90%以上，嚴重影響著人類健康和生活環境。隨著機動車排放標準的不斷升級，特別是中國第六階段排放標準實施后，如何有效地減少柴油機顆粒物排放引起了廣泛的關注。柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter， DPF)捕集效

率高達99%以上，是最有效的控制柴油機顆粒物排放的手段[1-3]。顆粒物在DPF內不斷累積會導致柴油機排氣背壓升高及油耗增加[4]，因此必須對DPF定期進行再生。但伴隨碳顆粒進入DPF內的灰分不能燃燒，逐漸沉積在DPF孔道內，導致DPF的捕集效率、再生溫度平衡點等性能發生改變。國內外研究學者對DPF內沉積灰分的來源及化學組分[5-7]、灰分的理化特性[8-9]、灰分在DPF孔道內的分布特征[10-11]、灰分對DPF性能的影響[12-13]等方面進行了廣泛且深入的研究并獲得了豐富的研究成果。

柴油機氧化催化器(diesel oxidize catalyst， DOC)+催化型DPF(catalyst DPF, CDPF)是柴油機廠廣泛采用的后處理系統。對DOC+CDPF后處理系統的研究主要集中在排放特性及老化后的排放特點上。文獻[14]中采用轉鼓測試方法對比了裝有DOC+CDPF后處理系統老化前后城市公交車的排放特點，研究表明相比于新鮮狀態，催化器老化后CO、THC的減排效果分別降低到25.2%、55.1%，NO的氧化能力下降，顆粒的捕集效率也明顯下降。文獻[15]中對裝有DOC+CDPF后處理系統非道路機械的排放特點展開研究，發現PM、顆粒數(particulate number,PN)捕集效率分別超過90%、99%。此外，文獻[16-17]中也分析了裝有DOC+CDPF后處理系統的柴油機的排放特點。然而，灰分存在下DOC+CDPF后處理系統的排放特點鮮見報道。文獻[18]中研究了灰分存在條件下CDPF后處理系統排放特點，發現灰分造成發動機排氣中CO、THC分別增加了68.2%和91.0%，并且導致醛酮類污染物大幅增加。

隨著歐Ⅶ排放法規開始考慮將氨排放、醛類等非常規污染物排放納入監管范圍[19]，非常規污染物排放引起廣泛關注。在這種背景下，研究了DOC+CDPF后處理系統中CDPF不同灰分含量下，柴油機排放的醛酮類、苯系物等非常規污染物的排放特點。本文研究結果對改善柴油機性能、降低污染物排放具有一定參考意義。

1 試驗方法

試驗系統布置見圖1，主要儀器設備包括柴油機、交流電力測功機、后處理裝置和非常規污染物采樣分析設備等。圖中，HPLC為高效液相色譜儀(high-performance liquid chromatography)，GC-MC為氣相色譜-質譜聯用分析儀(gas chromatography mass spectroscopy)。試驗用發動機主要技術參數見表1，DOC和CDPF參數信息見表2。試驗用柴油為滿足國六標準的市售0號柴油，其主要理化特性分析結果見表3。

圖1 試驗裝置示意圖

表1 試驗用柴油機主要技術參數

表2 DOC及DPF參數

表3 試驗用柴油理化特性

首先在新鮮狀態DOC+CDPF后處理系統前后采集排氣中的非常規排氣污染物；然后拆下DOC，在試驗臺架上進行CDPF灰分累積試驗；當CDPF中累積一定量的灰分后，重新安裝上DOC再次測量DOC+CDPF后處理系統前后排氣中的非常規污染物；如此反復進行試驗。本研究中采用摻燒潤滑油加速加載的方法進行灰分累積試驗，所用潤滑油的主要理化特性見表4。灰分累積使用工況為1 600 r/min、40%負荷，2 800 r/min、80%負荷。在1 600 r/min、40%負荷工況下運行1.5 h后，調整發動機參數，在2 800 r/min、80%負荷工況下運行1.0 h，依次重復運行，具體累積過程可參考文獻[18]，在此不做贅述。為研究CDPF灰分沉積量對非常規污染物的影響，試驗研究中CDPF累積到的灰分分別為2.35 g/L、10.80 g/L、27.28 g/L，分別代表低中高含量灰分，標記為灰分1、灰分2、灰分3。非常規污染物采樣工況為轉速2 000 r/min下40%、60%、80%負荷點。試驗中，發動機首先在采樣工況點運行約10 min，待發動機進氣溫度、冷卻液溫度、潤滑油溫度及壓力等參數穩定后，進行非常規污染物采樣。

表4 試驗用潤滑油理化特性

采用美國SKC公司采樣泵(型號220-5000TC-S，采樣流量范圍0.5～5.0 L/min)和美國Supelco公司LpDNPHS10型硅膠采樣管對稀釋后排氣中的醛酮物質進行吸附采樣。采樣時，采樣泵的流量調節至1.5 L/min并保持恒定，采樣時間為10 min。為保證采樣精度，采樣前使用校準流量計對采樣泵進行校準。所采集樣品使用HPLC(美國Agilent公司Series 1200)進行分析。

使用美國Agilent公司Tenax TA采樣管對稀釋排氣中的苯系物進行采樣。采樣前，需對采樣管進行老化處理。使用的采樣泵與采集醛酮物質采樣泵型號相同，但為避免樣品間的污染，醛酮類物質和苯系物采樣時各自使用獨立采樣泵進行采樣。苯系物采樣泵流量設定為500 mL/min，采樣時間為10 min。使用GC-MS(美國Agilent公司6890-5975C)對稀釋后排氣中的苯系物進行分析，具體采樣和分析過程參見文獻[20-21]，不再贅述。

醛酮類污染物、苯系污染物濃度計算公式如下：

(1)

式中，c為醛酮類污染物、苯系污染物的濃度，ng/L；m為由HPLC、GC-MS分析測得的醛酮類污染物和苯系污染物的質量，ng；q為采樣泵流量，L/min；t為采樣時間，min。

2 結果與討論

2.1 灰分對排氣中苯系污染物的影響研究

不同工況下灰分對排氣中苯系污染物排放的影響見圖2。CDPF對苯系污染物的影響與柴油機轉速有關[13]，在CDPF新鮮狀態下，CDPF后除甲苯濃度在各個工況下相對CDPF前略有上升外，其他物質無明顯變化規律，與文獻[18]中的研究結果類似。總體分析，在新鮮狀態下，CDPF后的苯系物濃度略有上升。

圖2 不同工況下灰分對苯系物排放的影響

當CDPF中的灰分沉積量達到2.35 g/L、10.80 g/L 時，三種工況下 CDPF前苯系污染物的總量相比新鮮狀態下均呈明顯下降規律，但當CDPF中灰分沉積量達到27.28 g/L時，CDPF前苯系物的總排放量與新鮮狀態相比明顯增加。CDPF中灰分的不斷增加會導致排氣背壓不斷增加，在中低灰分量時，排氣背壓的上升能在一定程度上抑制苯系物的生成；但在大量灰分存在時排氣背壓增加，柴油機泵氣損失增大，為保持有效功率不變，柴油機指示功率增加，供油量增大導致實際空燃比下降，混合氣有變濃趨勢，局部不完全燃燒加劇，導致苯、二甲苯等芳香烴排放增加[22]，排氣中苯系污染物排放升高。由此，隨著CDPF中灰分的逐漸累積，CDPF前排氣中的苯系污染物排放呈U形趨勢。

當CDPF中的灰分沉積量分別達到2.35 g/L、10.80 g/L、27.28 g/L時，在不同工況下，CDPF后的苯系物排放量比CDPF前均有明顯升高。其主要原因分析如下：(1) 在CDPF和灰分的作用下，醛酮類污染物進一步被氧化；(2) CDPF和灰分對排氣顆粒物有氧化作用；(3) 少量潤滑油及未完全燃燒的柴油成分在燃燒過程的進一步分解有助于苯系物的形成[23]。沉積了灰分后，不同工況下CDPF后的苯系物排放比CDPF前有所升高，但灰分為2.35 g/L、10.80 g/L時，CDPF后的苯系物排放相比新鮮狀態CDPF變化不大甚至略低，而當灰分沉積量達到27.28 g/L時，CDPF后的苯系物排放明顯高于新鮮狀態。這表明當灰分沉積量達到一定程度時，排氣背壓增加導致缸內燃燒狀況的變化會影響到苯系物的排放，因此當CDPF灰分沉積達到一定量時，應及時進行清灰處理。

隨著CDPF中灰分的增加，苯系物的組分也會發生變化，特別在2 000 r/min、40%負荷，2 000 r/min、60%負荷工況下，當CDPF中的灰分達到27.28 g/L時，CDPF前后苯系物中甲苯、二甲苯(鄰、間、對)排放量分別是新鮮CDPF前、后排放量的二倍左右。這與CDPF對苯系物具有較高的催化活性[24]，且灰分也具備一定的催化能力有關。由于CDPF對不同類別苯系物的催化活性不同[25]，在CDPF后苯、苯乙烯排放量幾乎沒有變化。

2.2 灰分對排氣中醛酮類污染物的影響研究

圖3為在不同工況下，灰分對醛酮類污染物排放的影響。由于在HPLC分析過程中不能將丙烯醛和丙酮分離開，因此文中將其作為一個整體進行分析。甲基苯甲醛、丁烯醛、環己酮、己醛、丁烯醛、戊醛排放未能在試驗中測出。根據試驗結果，在三種工況下，無論CDPF中有無灰分沉積，排氣中CDPF后醛酮類污染物排放均主要以甲醛、乙醛為主，與以前相關報道[23]類似。

圖3 不同工況下灰分對醛酮類污染物排放的影響

在新鮮狀態下，CDPF本身對醛酮污染物具有氧化作用，能夠降低醛酮的排放[24]。與CDPF前相比，CDPF后醛酮類污染物明顯降低，并且組分類別未發生變化。

在CDPF灰分達到2.35 g/L、10.80 g/L、27.28 g/L 時，除27.28 g/L灰分下2 000 r/min、40%負荷工況外，三種不同工況下CDPF前醛酮類污染物總量相比新鮮狀態有明顯上升。這與CDPF內灰分沉積后排氣背壓上升，導致缸內燃燒狀況變化有關。異常點的出現可能與試驗采樣過程、分析過程的偏差有關。在各工況下，灰分量增加時，與CDPF前相比，CDPF后醛酮類污染物排放量均明顯下降，特別是甲醛、乙醛的排放量。

相比新鮮狀態，隨著CDPF中累積灰分的增加，CDPF后醛酮類污染物物種發生明顯改變，并檢測到CDPF前未被檢測到的物質。這表明，灰分的存在能夠改變排氣中醛酮類污染物的組分。

3 結論

(1) 隨著CDPF中灰分沉積量的不斷增加，CDPF前排氣中的苯系物排放呈現U形變化趨勢，不同工況下CDPF后排氣中苯系物排放與CDPF前相比均明顯升高，不同苯系物組分變化規律不完全一致。

(2) CDPF沉積灰分后，CDPF前的醛酮類污染物的總量與新鮮狀態相比明顯增加。CDPF后的醛酮類污染物排放量與CDPF前相比均呈明顯下降趨勢，檢測到的醛酮類污染物物種也發生了明顯變化，檢測出了在CDPF前未檢測到的物質。