張正軍 胡鵬 孫浩銘 邱華榮

摘要：DPF作為柴油機尾氣后處理技術(shù)的關(guān)鍵部分，國內(nèi)外學者對其一直有大量研究。本文研究了在2500r/min、75%負荷下DPF對柴油機不同粒徑的PM捕集效果，研究結(jié)果表明，隨著試驗時間的延長，DPF對柴油機PM的捕集率有所提高，且DPF對大粒徑聚集態(tài)顆粒物的捕集率要高于對核態(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：柴油機微粒捕集器;顆粒物;捕集特性;柴油機

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

中圖分類號：U664.121.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0059-02

0? 引言

柴油機相對于汽油機具有油耗低、耐久性好、輸出扭矩高、CO和HC的排放量較少等優(yōu)點，但柴油機顆粒物（particulate matter，PM）的排放一直是制約柴油機發(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以內(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微粒[3]。PM中的微粒大多數(shù)都是納米級的粒子，能夠長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尾氣的首要工作。

國內(nèi)有眾多學者對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)動機工況的關(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。孫萬臣等[7]研究了DPF對柴油機不同轉(zhuǎn)速下的捕集特性，研究還指出DPF對相同粒徑微粒的捕集效率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和工況有關(guān);中等轉(zhuǎn)速、中小負荷下DPF對顆粒物的捕集效率較高，隨著轉(zhuǎn)速和負荷的增加，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）/柴油混合燃料對柴油機顆粒物排放及DPF捕集特性，研究表明，PODE的加入使得柴油機PM的排放量減少，DPF對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DPF的正常使用無太大影響。沈穎剛等[9]的研究表明，適當?shù)腜ODE的摻入能在一定程度上延長催化型柴油機顆粒捕集器（catalytic diesel particular filter，CDPF）再生周期，同時保證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)同作用能夠進一步改善DPF的捕集效果，這是因為NTP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)同作用能更好地達到減排的目的。賈傳德[11]研究了柴油機后加裝DOC+DPF的捕集效果，試驗結(jié)果表明，DOC的加入一方面可以使柴油機尾氣中的HC和CO及PM中的可溶性有機物（SOF）被提前氧化氧化，另一方面可以很好地實現(xiàn)DPF的連續(xù)再生，增強了DPF對高轉(zhuǎn)速、大工況下的顆粒物的捕集能力。

已有的研究表明，柴油機微粒捕集器（diesel particular filter，DPF）是目前公認的降低柴油機PM排放的最有效手段[12-13]。DPF最常見的結(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小的平行通道，每個通道均為只有一端堵塞的通孔結(jié)構(gòu)，相鄰兩個通道封閉端不相鄰。DPF的工作機理正是根據(jù)這個結(jié)構(gòu)特點，使流入的尾氣被迫通過過濾壁面流出，而尾氣中的PM也將在此過程中沉積在過濾壁面上，最終達到凈化尾氣的目的。在現(xiàn)行的國六排放標準下，運用DPF降低柴油機顆粒物排放勢在必行。

1? 試驗裝置及方案

本試驗采用YD480Q柴油機，其主要參數(shù)如表1所示。圖1為DPF捕集PM的試驗系統(tǒng)示意圖，如圖1所示，DPF捕集PM的試驗系統(tǒng)主要由柴油機、DPF、EEPS3090發(fā)動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀、稀釋系統(tǒng)及計算機組成。試驗所用DPF直徑Φ144mm，高152mm，安裝于柴油機排氣管上，用于捕集尾氣中的PM;在DPF前后端分別設置采樣點1和采樣點2，在兩采樣點位置安裝管道，柴油機尾氣經(jīng)稀釋系統(tǒng)稀釋后通入EEPS3090發(fā)動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，在此對PM的粒徑分布進行測取。試驗時，柴油機恒定轉(zhuǎn)速為2500r/min，負荷為75%，連續(xù)運轉(zhuǎn)240min。

2? 試驗結(jié)果與分析

柴油機尾氣中的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)燃燒過程形成的未完全燃燒的碳核、發(fā)動機排氣在稀釋冷卻過程中形成的揮發(fā)性碳氫化合物以及燃料中含硫化合物和部分金屬化合物成核組成的;聚集態(tài)顆粒主要是由燃料或潤滑油不完全氧化形成的碳煙粒子經(jīng)過碰撞聚集作用，表面吸附凝結(jié)的烴類等揮發(fā)性物質(zhì)形成的鏈狀或團絮狀聚集物[14-15]。

圖2為DPF前后端PM的粒徑分布圖，DPF后端取試驗開始后5min時刻和240min時刻，設置EEPS采樣步長為0.1s，對所得數(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，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，大粒徑的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量幾乎為0，說明DPF對聚集態(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)沉積會使孔道直徑減小，導致更多的PM被攔截而在孔道內(nèi)沉積，從而提升了DPF對核態(tài)和聚集態(tài)顆粒的捕集效率。但值得注意的是，PM的沉積會導致排氣背壓增大，嚴重時影響發(fā)動機的正常運行。

3? 試驗結(jié)論

①柴油機廢氣經(jīng)過DPF的捕集后，聚集態(tài)顆粒物的濃度顯著降低，說明DPF對聚集態(tài)顆粒物的捕集效果較好。而相對于聚集態(tài)顆粒物，核態(tài)顆粒物的濃度變化較小，說明DPF對核態(tài)顆粒物的捕集效果較弱。

②DPF對顆粒物的捕集率隨時間的延長而升高，且對核態(tài)顆粒物的捕集效果增長較為顯著，說明DPF對顆粒物尤其是核態(tài)顆粒物的捕集并非瞬時性的，需要一定的時間作積累。

參考文獻：

[1]周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]趙航，王務林.車用柴油機后處理技術(shù)[M].北京：中國科學技術(shù)出版社，2010.

[3]李國良，孫萬臣，譚滿志，賴春杰，陳士寶，安普尊.GTL/柴油混合燃料發(fā)動機瞬態(tài)工況下微粒排放粒度分布特征[J].吉林大學學報（工學版），2011，41（06）：559-564.

[4]Zimmerman Naomi， Wang Jonathan M， Jeong Cheol-Heon， Wallace James S， Evans Greg J. Assessing the Climate Trade-Offs of Gasoline Direct Injection Engines.[J]. Environmental science & technology，2016，50（15）.

[5]Wong Chit Ming， Tsang Hilda， Lai Hak Kan， Thomas G Neil， Lam Kin Bong， Chan King Pan， Zheng Qishi， Ayres Jon G， Lee Siu Yin， Lam Tai Hing， Thach Thuan Quoc. Cancer Mortality Risks from Long-term Exposure to Ambient Fine Particle.[J]. Cancer epidemiology， biomarkers & prevention ： a publication of the American Association for Cancer Research， cosponsored by the American Society of Preventive Oncology，2016，25（5）.

[6]陳熊，李孟良，侯獻軍，徐月云.不同工況下DPF對柴油車顆粒物過濾特性的研究[J].汽車工程，2013，35（12）：1074-1077，1104.

[7]孫萬臣，劉高，郭亮，杜家坤，肖森林，李國良.微粒捕集器對高壓共軌柴油機超細微粒捕集特性[J].吉林大學學報（工學版），2016，46（01）：133-139.

[8]田晶，蔡憶昔，濮曉宇，顧林波，施蘊曦.摻混聚甲氧基二甲醚對柴油機排放的影響[J].中國環(huán)境科學，2018，38（01）：73-82.

[9]沈穎剛，張敬賢，陳貴升，楊杰，廖憑皓，李冰.聚甲氧基二甲醚摻混比對柴油機性能及柴油機氧化催化器+催化型柴油機顆粒捕集器后處理系統(tǒng)的影響[J].內(nèi)燃機工程，2021，42（02）：38-46.

[10]張宗喜.柴油機燃用混合燃料及DPF/NTP減排研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學，2018.

[11]賈傳德，李貴麒，張強，李寧.DOC+DPF對柴油機顆粒物排放特性的影響研究[J].汽車實用技術(shù)，2021，46（03）：125-128.

[12]施蘊曦，蔡憶昔，朱磊，陳祎，趙闖，王為凱.柴油機顆粒過濾器工作過程中捕集顆粒物的試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2019，40（06）：24-29，35.

[13]孟忠偉，陳超，李路，吳輝，閆妍.DPF分區(qū)再生性能的試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2017，38（04）：47-52.

[14]孫萬臣，張曙光，郭亮，王喬，范魯艷，程鵬.煤基柴油及其混合燃料對發(fā)動機燃燒與排放的影響[J].內(nèi)燃機學報，2018，36（05）：393-400.

[15]劉軍恒，孫平，劉源，嵇乾，姚肖華，楊晨.PODE摻混比對高壓共軌柴油機顆粒物物理特性的影響[J].西安交通大學學報，2017，51（12）：104-111.