不同體積的CDPF 對(duì)柴油車顆粒物組分影響研究

韓雷，黃成，任洪娟，王瑞寧，徐為標(biāo)，王孟昊

（1.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院;2.200233 上海市 上海市環(huán)境科學(xué)研究院 國家環(huán)境保護(hù)城市大氣復(fù)合污染成因與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

當(dāng)前，我國機(jī)動(dòng)車污染問題日益突出，已成為空氣污染的重要來源。根據(jù)《中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2020）》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，柴油車對(duì)機(jī)動(dòng)車污染物排放的貢獻(xiàn)尤為突出，2019 年全國柴油車顆粒物排放量為6.9 萬t，占汽車排放總量的99%以上[1]。伴隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，顆粒物排放的重要來源——重型柴油車備受關(guān)注。

顆粒物組成中，有機(jī)碳（OC）和元素碳（EC）是顆粒物的主要組分。OC 由未燃燃油、潤(rùn)滑油、燃燒副產(chǎn)品以及含氧有機(jī)物組成，其中大量有毒有害物質(zhì)（如PAHs，PCBs 等）對(duì)環(huán)境和人體的危害也存在著差異，多環(huán)芳烴類化合物及含有毒重金屬元素的小粒徑顆粒易通過呼吸系統(tǒng)被人體吸收，若長(zhǎng)期吸入此類顆粒物將誘發(fā)多種呼吸系統(tǒng)疾病[2～5；]EC為碳煙顆粒，具有很強(qiáng)的吸附能力，易吸附有毒物質(zhì)并為其化學(xué)反應(yīng)提供場(chǎng)所[6]。此外，排放的顆粒物會(huì)降低大氣能見度，產(chǎn)生霧霾，嚴(yán)重的話甚至?xí)?dǎo)致全球氣候變化[7]。

通過CDPF 來減少重型柴油車排放的顆粒物，獲取柴油車尾氣OC 和EC 的排放因子將有助于細(xì)化大氣污染物排放清單和PM2.5 源解析結(jié)果，對(duì)改善大氣環(huán)境具有非常重要的意義。何立強(qiáng)[8]等對(duì)7 輛不同排放階段的重型柴油車尾氣進(jìn)行了分析，獲得了不同行駛工況對(duì)OC 和EC 的影響，但針對(duì)CDPF 體積對(duì)顆粒物組分的影響鮮有人研究。本文選取了12 輛國Ⅲ加裝CDPF 前后的重型柴油貨車為研究對(duì)象，在重型底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行國用世界重型商用車瞬態(tài)循環(huán)（C-WTVC），并利用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)（CVS），分析了CDPF 體積對(duì)顆粒物組分的影響，為降低大氣污染的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)車輛

為使測(cè)試樣本具有一定的代表性，本研究共選取了12 輛重型柴油貨車，其發(fā)動(dòng)機(jī)功率在199～250 kW 之間，排量在為8.7～9.7 L，最大總質(zhì)量為18 000 kg，均為高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)試油品均使用市售國Ⅴ柴油，具體車輛信息見表1。不同的CDPF 廠商設(shè)計(jì)的CDPF 各方面都有差異，本研究通過調(diào)研上海市使用較多的幾家CDPF 生產(chǎn)商的產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)其體積主要在3～5 dm3之間，為了保證研究對(duì)象具有現(xiàn)實(shí)使用的代表性，同時(shí)保證研究的完整度，本研究選取體積分別為3，4，5 dm3的3 種CDPF 作為研究對(duì)象。

表1 試驗(yàn)車輛信息Tab.1 Information about tested vehicles

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與循環(huán)

試驗(yàn)設(shè)備包括MAHA 公司的ECDM-72H 底盤測(cè)功機(jī)，HORIBA 公司的全流稀釋定容采樣系統(tǒng)CVS-ONE，TSI 公司的EEPS 3090 型發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，微孔均勻沉積式多級(jí)碰撞采樣器（MOUDI-110NR），DRI 公司的2001A型熱/光碳分析儀等。

本試驗(yàn)在重型車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)布置如圖1 所示。試驗(yàn)車輛位于底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)艙內(nèi)，CVS 系統(tǒng)中取3 個(gè)采樣口，分別供四通道顆粒物采集裝置、EEPS 和MOUDI-110NR 采樣。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)布置Fig.1 Test system arrangement

試驗(yàn)循環(huán)采用GB/T27840-2011《重型商用車輛燃油消耗量測(cè)量方法》推薦的以世界統(tǒng)一的重型商用車輛瞬態(tài)車輛循環(huán)（World Transient Vehicle Cycle，WTVC）為基礎(chǔ)，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)C-WTVC。如圖2 所示，該循環(huán)共1 800 s，分為市區(qū)循環(huán)（低速）900 s、公路循環(huán)（中速）468 s 和高速循環(huán)（高速）432 s 這3 個(gè)部分，最高車速87.6 km/h，平均車速41 km/h，行駛距離20 km，怠速時(shí)間占比為13.3%。試驗(yàn)車輛應(yīng)運(yùn)行3 個(gè)完整的C-WTVC 循環(huán)，并在每個(gè)完整的C-WTVC 循環(huán)結(jié)束后分別記錄試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 C-WTVC 循環(huán)Fig.2 China-World Transient Vehicle Cycle

1.3 顆粒物組分分析方法

顆粒物組分的測(cè)定：基于石英膜，利用DRI 2001A 型有機(jī)碳/元素碳分析儀，根據(jù)美國IMPROVE_A 協(xié)議的熱光反射法（Thermal Optical Reflection，TOR）分析采集顆粒的碳質(zhì)組分。先在純氦氣的環(huán)境下階段升溫至 140，280，480，580℃，對(duì)應(yīng)測(cè)出OC1，OC2，OC3 和OC4 組分含量，再通入2%氧氣階段升溫至580，740，840℃，使樣品中的EC 完全氧化成CO2，對(duì)應(yīng)測(cè)出EC1，EC2 和EC3 組分含量。為檢測(cè)出裂解碳（Optically detected Pyrolized Carbon，OPC）的生成量，用633nm He-Ne 激光全程照射樣品，監(jiān)測(cè)加熱升溫過程中反射光強(qiáng)（或透射光強(qiáng)）的變化，以初始光強(qiáng)作為參照，準(zhǔn)確確定OC 和EC的分離點(diǎn)，然后將EC1 中分離出的裂解碳扣除并入OC4[9-10]。顆粒物組分采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GCMS-QP2010 系列）匹配內(nèi)標(biāo)法測(cè)量并分析顆粒物直列烷烴C12～C40和PAHs 的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物組分排放特性

圖3 為不同體積的CDPF 后OC 和EC 平均排放因子，顯然CDPF 對(duì)有機(jī)碳（OC）和元素碳（EC）具有非常可觀的減排能力。

圖3 不同體積CDPF 后OC 和EC 平均排放因子Fig.3 Emissions characteristics of OC and EC with different volumes of CDPF

李宇飛[11]等研究的汽油車尾氣PM2.5 中，OC 是TC（總碳）中的主要碳質(zhì)組分，而本研究重型柴油車尾氣中EC 的含量比OC 高。裝載體積為3，4，5 dm3的CDPF 對(duì)OC 的減排率分別為72.7%，91.4%，98.4%。隨著體積的增大，CDPF 對(duì)OC 組分的減排能力逐漸提高，由3 dm3到5 dm3，CDPF 的減排率提高了25.7%，可見OC 的減排率受體積影響較大。裝載體積為3，4，5 dm3的CDPF 對(duì)EC 的減排率分別為99.9%，96.1%，99.2%，減排率都在96% 以上，可見CDPF 體積增大對(duì)EC 組分的減排能力影響較小。這主要是因?yàn)镃DPF 的體積變大，導(dǎo)致顆粒物與貴金屬催化劑之間的接觸面積變大，使更多氧原子透過顆粒物的灰分層到達(dá)碳煙層[12]，促進(jìn)碳煙氧化，使得有機(jī)碳OC 的平均排放因子下降，減排率升高。

圖4 為不同體積的CDPF 后顆粒物OC 和EC組分。OC1～OC4 的沸點(diǎn)依次升高，相應(yīng)有機(jī)組分的分子量越來越大[10]。EC2，EC3 一般形成于較高的燃燒溫度，如果EC1 較多可能因?yàn)楦變?nèi)燃燒不充分造成溫度較低，燃料裂解導(dǎo)致[10,13]。在C-WTVC 循環(huán)下，裝載3 dm3的CDPF 后顆粒物中主要的碳質(zhì)組分分別為OC1，OC2，EC2，分別占總碳質(zhì)組分的30.3%、26.4%和25.0%。而裝載4dm3的CDPF 后顆粒物主要的組分為OC1、EC3 和EC2，分別占總碳質(zhì)組分的62.7%，29.4%，6.9%。裝載5 dm3的CDPF 后顆粒物的主要碳質(zhì)組分為OC1，OC2，EC2，分別占總碳質(zhì)組分的29.4%，17.6%，17.0%。不同體積的CDPF 會(huì)改變顆粒物的碳質(zhì)組分的結(jié)構(gòu)，隨著體積的增大，元素碳EC 組分的占比下降，OC 和EC 碳質(zhì)組分占比的變化規(guī)律性較差。體積為3，5 dm3的CDPF 對(duì)OC3，EC1，EC2 的減排效果較好，而體積為4 dm3的CDPF 對(duì)OC2，OC3，OC4 組分的減排效果較好。

圖4 不同體積CDPF 后顆粒物OC 和EC 組分占比Fig.4 Proportion of OC and EC with different volumes of CDPF

2.2 直鏈烷烴

顆粒物中的OC 對(duì)環(huán)境和人體的危害主要來源于化學(xué)成分復(fù)雜的可溶有機(jī)成分（SOF），測(cè)得有機(jī)物主要是直鏈烷烴和PAHs 等。直鏈烷烴具有生物毒性，對(duì)人體呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等有害。本次試驗(yàn)測(cè)了碳原子數(shù)在12～40 之間的直鏈烷烴，測(cè)得直鏈烷烴C12～C36，未發(fā)現(xiàn)C37～C40。圖5 給出了不同體積的CDPF 下各直鏈烷烴的分布特性，可以看出3 dm3的CDPF 對(duì)C19，C29，C30的直鏈烷烴減排效果不太理想，對(duì)其他直鏈烷烴減排效果較為顯著；4dm3的CDPF 對(duì)C19，C23，C29的直鏈烷烴減排能力較差；5 dm3的CDPF 對(duì)各直鏈烷烴都有較好的減排效果。這主要是因?yàn)镃DPF 體積變大，催化劑與顆粒物接觸面積增大，促進(jìn)了直鏈烷烴的氧化反應(yīng)。對(duì)比3種體積的CDPF減排效果發(fā)現(xiàn)，由于直鏈烷烴質(zhì)量主要集中于C21，僅對(duì)C21的減排率來看，5dm3的CDPF 的減排效果最為理想。綜合來看，3，4，5 dm3的CDPF 對(duì)C12～C36 的直鏈烷烴減排率分別為60.5%，59.8%，69.4%，可以看出，CDPF的體積對(duì)直鏈烷烴的總體減排效果影響一般，體積大的減排能力稍好。

圖5 不同體積的CDPF 后各直鏈烷烴分布特性Fig.5 Distribution characteristics of N-alkanes with different volumes of CDPF

2.3 多環(huán)芳烴

多環(huán)芳烴（PAHs）有很強(qiáng)的致癌性、致畸性和致突變性，機(jī)動(dòng)車排放是重要的來源[14]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，如圖6 所示，大部分多環(huán)芳烴隨著體積的增大，減排效果也越好，而熒蒽的減排效果逐漸降低，體積為4 dm3的CDPF 對(duì)芘的減排效果最好。裝載體積為3，4，5 dm3的CDPF 后芘的平均排放因子分別為12.9，8.7，9.8 μg/km，減排率分別為90.4%，93.5%，92.7%。另外，從CDPF 對(duì)PAHs 毒性[15]的影響來看，裝載體積為3，4，5 dm3的CDPF 使PAHs 的毒性分別降低91.1%，93.7%，93.6%。可以看出，CDPF 體積的變化對(duì)PAHs 毒性的影響不大，毒性降低均在91%～94%之間。

圖6 不同體積的CDPF 下多環(huán)芳烴分布特性Fig.6 Distribution characteristics of PAHs with different volumes of CDPF

3 結(jié)論

（1）隨著CDPF 體積的增大，CDPF 對(duì)有機(jī)碳OC 的減排能力逐漸升高，由3 dm3到5 dm3，CDPF 對(duì)有機(jī)碳OC 的減排率提高了25.7%。裝載體積為3，4，5 dm3的CDPF 對(duì)元素碳EC 減排率分別為99.9%，96.1%，99.2%，減排率都在96%以上。

（2）不同體積的CDPF 會(huì)改變顆粒物的碳質(zhì)組分的結(jié)構(gòu)，隨著CDPF 體積的增大，元素碳EC 組分的占比下降；體積不同，CDPF 對(duì)顆粒物的碳質(zhì)組分減排效果也不同。

（3）體積為3 dm3的CDPF 對(duì)C19，C29，C30的直鏈烷烴減排效果不太理想，對(duì)其他直鏈烷烴減排效果較為顯著；體積為4dm3的CDPF對(duì)C19，C23，C29的直鏈烷烴減排能力較差；體積為5 dm3的CDPF 對(duì)各直鏈烷烴都有較好的減排效果。

（4）隨著CDPF 體積的增大，大部分PAHs減排效果變好，但熒蒽的減排效果降低，體積為4 dm3的CDPF 對(duì)芘的減排效果最好。裝載體積為3，4，5 dm3的CDPF 后，PAHs 減排率分別為90.4%，93.5%，92.7%，使PAHs 毒性分別下降91.1%，93.7%，93.6%。CDPF 體積對(duì)PAHs 毒性的影響不大，毒性降低均在91%～94%之間。