DOC+DPF系統對柴油機污染物排放特性的影響

李順利, 蔡憶昔, 施蘊曦, 盧奕睿, 朱 衎

(江蘇大學 汽車與交通工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

柴油機具有較高的機械效率及低轉速下大轉矩等特點,被廣泛應用于工程機械、車輛運輸和船舶航運等行業.與汽油機相比,柴油機還具有更低的CO和碳氫化合物(HCs)排放、較低的使用成本和較長的使用壽命[1].然而,柴油機NOx和顆粒物(particulate matter,PM)的高排放問題制約著柴油機的發展.據統計,我國機動車排放污染物中,PM、CO、NOx排放量超過90%[2].柴油機排放的PM被公認為是致癌物的來源之一,造成了大城市中高達30%的二次有機氣溶膠(secondary organic aerosol,SOA)污染.PM主要包括碳、硫酸鹽和可溶性有機物等.由于柴油機排放污染物對人類健康和環境保護造成威脅,各國都相繼出臺了限制輕型車輛和重型車輛的排放標準.歐洲排放標準最為嚴格,我國依據歐六排放標準制定了符合我國國情的國家第六階段機動車污染物排放標準.柴油機國六排放法規的公布施行,對減少柴油機污染物排放提出更高的要求.

目前,有多種尾氣后處理技術被廣泛應用于柴油機上.柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)被認為是目前降低柴油機尾氣中氣態污染物和PM排放最為有效的手段.DOC可以將排氣中CO和NO氧化轉化為CO2和NO2,NO2會促進DPF內PM的被動再生.DPF對PM的捕集率在90%以上[3].很多學者在柴油機的氣態污染物排放和PM排放方面進行了研究.商潭蘇等[4]將不同質量分數Fe元素的燃油添加劑與柴油摻混,發現與純柴油相比,摻混柴油PM數量濃度和質量濃度曲線峰值朝小粒徑偏移.沈穎剛等[5]按13個試驗循環研究了加裝DOC+催化型顆粒捕集器(catalytic diesel particulate filter,CDPF)的柴油機PM排放和再生特性,得到測試過程中DOC和CDPF有較高的催化氧化和再生效率.陳貴升等[6]利用摻混聚甲氧基二甲醚(polymethoxy dimethyl ether, PODE)在不同負荷下進行試驗,研究得到大負荷下DOC+DPF可對摻混PODE后排放的CO和PM實現近100%去除.TAN P. Q.等[7]指出DOC+CDPF和DOC+DPF可有效降低排氣中PM的毒性當量(toxic equivalent quangtity,TEQ)值.A. SRINIVASAN等[8]將DOC+DPF整合為DDPF,發現DDPF被動再生性能與DOC+DPF相當,但主動再生性能明顯低于DOC+DPF.目前,對DOC+DPF的研究主要集中于降低柴油機總污染物排放量、主動和被動再生效率,對于PM在DOC+DPF系統輸運中不同粒徑PM的變化規律鮮有探究.

筆者對加裝DOC和DPF后處理系統的柴油機進行臺架試驗,通過煙氣分析儀(Testo 350XL)和發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀(TSI EEPS 3090)研究不同負荷下柴油機DOC前端(原機)、DOC后和DPF后排氣中NOx和PM的變化,揭示DOC+DPF系統對柴油機污染物排放特性的影響規律.

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

試驗在一臺型號為YD480的柴油機臺架上進行,柴油機轉速為3 000 r/min時,額定功率為29 kW,最大轉矩為99 N·m,排量為1.8 L,缸徑為80 mm,行程為90 mm.DOC+DPF捕集PM的試驗裝置如圖1所示.DOC和DPF的結構參數如表1所示,其中PGM(platinum-group metals)為鉑族金屬.

圖1 DOC+DPF捕集PM試驗裝置示意圖

表1 DOC和DPF的結構參數

排氣中氣態污染物測量采用Testo 350XL煙氣分析儀,對尾氣中O2、CO、CO2、NO、NO2和NOx進行測量.排氣中的PM通過發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀(TSI EEPS 3090)進行測量.該儀器測量的粒徑范圍為5.6～562.3 nm,儀器將測量數據轉換為32個輸出通道,這些輸出通道在對數尺度上平均間隔為5.6～562.3 nm.該儀器采樣頻率為1 Hz,可以在1 s內給出測量范圍完整的尺寸分布,試驗中設置稀釋倍數為123倍,采樣時間為60 s,得到60組顆粒粒徑分布圖譜,并取平均值.儀器可測量的PM參數包括數量濃度、表面積濃度、體積分數和質量濃度.為消除不同輸出通道因粒徑帶來的誤差,引入標準化數量濃度dN/dlogDp,定義如下：

(1)

式中：N為某一輸出通道的PM數量濃度;Dp為粒徑中間值;Dpmax、Dpmin分別為通道最大、最小粒徑.

1.2 試驗方法

試驗時,柴油機轉速為2 500 r/min,負荷分別為12.5%、25.0%、37.5%、50.0%、62.5%、75.0%、87.5%、100.0%,DOC與DPF均為初次使用.采樣點為DOC前端(原機)、DOC后端以及DPF后端.為消除相鄰工況的影響,取樣時間間隔為30 min.待柴油機每個工況點穩定后,利用TSI EEPS 3090粒徑分析儀對PM數量濃度、粒徑分布等參數進行測量,利用Testo 350XL煙氣分析儀對尾氣中氣態污染物進行測量.

2 結果與討論

2.1 氣態污染物排放分析

不同負荷下柴油機尾氣在不同采樣位置的CO排放曲線如圖2所示,其中：φ(CO)為CO的體積分數;β為負荷.從圖2可以看出：隨著負荷的增加,柴油機原機CO排放量先減少后增加,負荷為62.5%時,CO體積分數最低,為2.6×10-4;低負荷(12.5%、25.0%)時,缸內溫度較低,燃料不能完全燃燒;中等負荷(37.5%、50.0%、62.5%)時,利于燃料燃燒,缸內燃燒較充分,CO排放較低;高負荷(75.0%、87.5%、100.0%)時,缸內溫度高,且燃油供應較多,造成燃料在缸內來不及完全燃燒,使CO排放增加,DOC后和DPF后的CO體積分數均低于原機;負荷為25.0%～50.0%時,DOC后CO體積分數低于DPF后,經過DOC后,尾氣中少量的CO被氧化為CO2,在DPF中部分的HCs被氧化為CO;負荷為62.5%～100.0%時,DOC后和DPF后的CO體積分數為0.在低負荷下DOC對柴油機CO排放影響較小,中、高負荷下DOC能夠實現對CO的零排放.這是由于DOC中催化劑活性主要受溫度影響,溫度對于促進DOC減排CO有關鍵作用.隨著溫度升高,DPF中的部分HCs直接被氧化為CO2,因此,DPF后CO排放也為0.

圖2 柴油機的CO排放曲線

不同工況下柴油機尾氣在不同采樣位置的氮氧化物排放曲線如圖3所示,其中：φ(NO)、φ(NO2)、φ(NOx)分別為NO、NO2、NOx的體積分數;φ(NO2/ NOx)為柴油機原機氮氧化物中NO2的體積分數.從圖3可以看出：隨著負荷的增加,排氣溫度升高,柴油機NO和NOx原機排放量呈線性增加,柴油機原機NO2排放量無明顯變化,負荷對NO2的生成影響不大.柴油機缸內溫度升高有利于NOx的生成,主要是NO的生成.T.SHUDO等[9]研究表明,缸內高溫條件會促進NO生成,高溫火焰中形成的NO與過氧羥基自由基(·HO2)結合后,快速氧化為NO2,化學方程式為

(2)

尾氣中NO、NO2經DOC、DPF后會發生一系列的氧化還原反應,促進尾氣中部分HCs分解,主要化學方程式如下：

(3)

(4)

(5)

圖3 柴油機氮氧化物排放曲線

負荷為12.5%～50.0%時,NO的體積分數經DOC后略微升高,經DPF后略微降低,但仍高于原機.DOC后和DPF后NO2的體積分數逐漸降低.負荷較低時,DOC和DPF中主要反應為式(4),NO2的體積分數減少,NO的體積分數增加,部分NO2與HCs參與反應被消耗轉化為NO.負荷大于50.0%時,隨著負荷的增加,DOC后和DPF后NO體積分數低于原機且促進速率降低.DOC后NO2的體積分數顯著升高,DPF后NO2的體積分數較DOC后顯著減少.負荷增加,排氣溫度增加,DOC內涂附的催化劑催化活性顯著上升,促進反應,DOC內的主要反應為式(3)、(5),DOC后NO2體積分數顯著增加,NOx體積分數降低.DPF內的主要反應為式(5),DPF后NO2的體積分數顯著減少,轉化為N2,NOx體積分數進一步降低[10].從圖3d可以看出：柴油機原機氮氧化物中NO2體積分數φ(NO2/ NOx)隨著負荷的增加而降低;負荷為12.5%～50.0%時,DOC后φ(NO2/ NOx)和DPF后φ(NO2/ NOx)逐漸降低;負荷為50.0%～100.0%時,DOC后φ(NO2/ NOx)顯著升高,DPF后φ(NO2/ NOx)較DOC后增加更為緩慢.同負荷下,不同采樣位置的φ(NO2/ NOx)取決于NO2體積分數.

2.2 PM排放分析

柴油機PM排放分布特性曲線如圖4所示,其中D為粒徑.柴油機PM排放的主要粒徑范圍為1.0～1 000.0 nm.從圖4可以看出：在該粒徑范圍內按照柴油機PM的生成機理可以分為核態顆粒(5.0 nm≤D<50.0 nm)、聚集態顆粒(50.0 nm≤D<1 000.0 nm);按照粒徑大小可以分為超細顆粒(D<100.0 nm)等.本試驗中使用的儀器測量粒徑范圍為5.6

圖4 柴油機PM排放分布特性曲線

不同負荷下柴油機PM數量濃度排放曲線如圖5所示,柴油機原機的PM排放隨負荷的不同,呈現出不同的排放規律,負荷為12.5%時,PM排放數量濃度較高,PM排放曲線呈現單峰分布,峰值粒徑在56.0 nm處,最大數量濃度為1.7×107個/cm3,負荷為12.5%時,PM排放數量濃度較高的原因是柴油機缸內溫度較低,壁面淬熄效應明顯;負荷為25.0%、37.5%、50.0%、62.5%時,PM數量濃度排放曲線變為雙峰分布,2個峰值分別位于5.6、126.0 nm處;負荷為75.0%、87.5%時,PM數量濃度排放曲線仍為雙峰分布,峰值分別位于5.6、56.0 nm處,負荷為75.0%時,2個粒徑下PM數量濃度峰值相近,負荷為87.5%時,56.0 nm處PM數量濃度峰值遠大于5.6 nm處的PM數量濃度峰值;負荷為100.0%時,PM數量濃度排放曲線仍為雙峰分布,2個峰值分別位于12.0、100.0 nm處,相較于負荷為87.5%的2個峰,均向右移.根據不同型號的柴油機和運行工況PM數量濃度排放曲線呈現出單峰或者雙峰分布,這樣的雙峰分布可以通過雙對數正態分布擬合[11],負荷為62.5%～87.5%時,隨著負荷的增加,粒徑為5.6～24.0 nm的PM數量濃度排放逐漸降低,126.0 nm處PM數量濃度峰值左移至56.0 nm處.

圖5 不同負荷下柴油機PM數量濃度排放曲線

負荷從12.5%升高至25.0%,排放的PM數量濃度顯著降低,最大峰值粒徑由56.0 nm右移至126.0 nm處,粒徑為5.6～24.0 nm的PM數量濃度占排放總PM數量濃度略有增加;24.0～560.0 nm段的PM數量濃度占比超過90%,此時缸內溫度較負荷為12.5%有所增加,燃燒條件有所改善,PM排放仍以聚集態顆粒為主.負荷升高至37.5%、50.0%、62.5%時,粒徑為5.6～24.0 nm的PM數量濃度較大,PM最大數量濃度也由負荷為25.0%時的粒徑為126.0 nm變為5.6 nm處,24.0～560.0 nm段的PM數量濃度排放降低.在這些負荷下,燃料燃燒較為充分,PM最大數量濃度較負荷為12.5%、25.0%時大幅度降低.

不同負荷下DOC后的PM排放趨勢基本與同負荷下原機的PM排放趨勢一致,但在數量濃度上較原機略微減少.在不同負荷下,尾氣經過DOC后不同粒徑的PM數量濃度均出現不同程度的降低.大部分未通過DOC的PM因沉積、吸附作用被阻擋在DOC中,極少部分的可溶性有機成分(soluble organic fractions,SOF )經過DOC被氧化去除.

DPF后的PM排放較DOC后端大量減少,所有負荷下DPF后端的PM最大數量濃度均低于1.0×105個/cm3.同負荷下原機、DOC后端和DPF后端的PM排放趨勢相接近,這是由于壁流式DPF作為一種固定結構的顆粒捕集器,對不同粒徑的PM沒有選擇過濾的特點,PM粒徑越大,質量越大,通過DPF的概率越低.

柴油機PM總數量濃度排放曲線如圖6所示,柴油機的PM總數量濃度隨著負荷的增加呈先減少、后增加的趨勢,在中等負荷下PM總數量濃度排放最低,與圖5中不同負荷下的PM數量濃度排放趨勢一致;負荷為12.5%時,柴油機原機排放中PM總數量濃度超過1.1×107個/cm3,隨負荷增加,總數量濃度明顯降低;負荷為50.0%時,總數量濃度為1.2×105個/cm3.不同負荷下PM經過DOC后總數量濃度略減少,經過DPF后總數量濃度減少明顯.

圖6 柴油機PM總數量濃度排放曲線

DOC、DPF及DOC+DPF對PM的去除率如圖7所示,其中α為PM的去除率.

圖7 DOC、DPF及DOC+DPF的PM去除率

從圖7可以看出：不同負荷下DOC對PM去除率為15%～30%;50.0%負荷下DOC的PM去除率最高,為26%,負荷對DOC去除PM總數量影響較小,DOC促進尾氣中部分NO氧化為NO2,并參與PM的氧化反應[12].DOC可以吸附部分PM并對其氧化,減少PM排放.由于DOC是通孔結構,對PM沒有過濾作用,而DOC在管道中有一定的體積,對氣體流動造成一定的阻礙,部分顆粒被阻擋沉積.尾氣中PM在管道內流動,會在管道內發生PM的沉積.因此,經過DOC后PM數量濃度降低.DPF對PM去除率為90%以上,DPF在負荷分別為37.5%、50.0%、62.5%時的PM去除率為90%,低于其他負荷,這是由于中等負荷(37.5%、50.0%、62.5%)柴油機原機排放的PM總數量濃度在低水平,但低負荷(12.5%、25.0%)、高負荷(75.0%、87.5%、100.0%)下原機排放PM總數量濃度遠高于中等負荷的原機排放,而中等負荷DPF后排放的PM總數量濃度相較于其他負荷差異不大.各試驗工況下,DOC+DPF對PM去除率在92%以上,低負荷和高負荷下去除率可達98%.

不同模態顆粒體積分數隨負荷的變化曲線如圖8所示,其中φ1、φ2、φ3分別為核態顆粒、聚集態顆粒、超細顆粒的體積分數.

圖8 柴油機不同模態顆粒體積分數隨負荷的變化

由圖8a可以看出：負荷分別為12.5%、25.0%時,核態顆粒體積分數明顯低于其他負荷,且負荷為25.0%的核態顆粒體積分數低于負荷為12.5%的核態顆粒體積分數,這是因為負荷為25.0%較負荷為12.5%的峰值粒徑由56.0 nm移至126.0 nm處;隨著負荷的增加,原機PM排放中的核態顆粒體積分數先增加、后降低.柴油機在低負荷下燃燒不完全,產生的PM以聚集態顆粒為主,中等負荷時,燃燒改善,生成的PM以核態顆粒為主,繼續增大負荷,過量空氣系數減小,缸內不完全燃燒增多,造成大粒徑PM排放增加.DOC后和DPF后的PM數量濃度排放中核態顆粒體積分數隨負荷的變化規律與原機一致.不同負荷下,原機和DOC后的核態顆粒排放體積分數相比,負荷為12.5%、25.0%時DOC后的核態顆粒體積分數低于原機,其他負荷DOC后的核態顆粒體積分數高于原機.負荷增加,排氣溫度增加,DOC中催化劑催化活性增加,促進了較大粒徑PM分解為小粒徑PM,氧化促使小粒徑PM體積分數上升,DOC后聚集態顆粒體積分數降低.同負荷下,DPF后核態顆粒體積分數明顯高于原機和DOC后的核態顆粒體積分數.從圖8c可以看出：原機PM數量濃度排放中超細顆粒體積分數隨負荷的變化規律與原機的核態顆粒隨負荷的變化規律一致;同負荷下,DOC后超細顆粒體積分數高于原機超細顆粒體積分數,DPF后超細顆粒體積分數高于DOC后超細顆粒體積分數;較小粒徑的超細顆粒更容易通過DOC和DPF,粒徑越大被阻擋在DOC前和DPF內的概率越大.

DOC對不同模態PM的去除率如圖9所示,負荷為12.5%、25.0%時,DOC對核態顆粒的去除率高于其他負荷;隨著負荷的增加,DOC對聚集態顆粒的去除率先增加、后降低;負荷為50.0%時,對聚集態顆粒的最大去除率為54%.結合圖7、8可以看出,原機中核態顆粒和聚集態顆粒體積分數越高,DOC去除率越低,原機模態顆粒體積分數與DOC去除率變化規律相反.

圖9 DOC對不同模態PM的去除率

DPF對不同模態PM的去除率如圖10所示.

圖10 DPF對不同模態PM的去除率

從圖10可以看出：隨著負荷的增加,DPF對超細顆粒、聚集態顆粒和核態顆粒的去除率都是先降低、后增加,與不同負荷下不同采樣位置的PM總數量濃度變化規律、DPF去除率變化規律一致;負荷分別為37.5%、50.0%、62.5%時,對核態顆粒去除率為89%,對聚集態顆粒去除率為95%,對超細顆粒去除率為92%;負荷分別為37.5%、50.0%、62.5%時,核態顆粒、聚集態顆粒和超細顆粒的去除率均低于其他負荷,這是由于這些負荷下原機PM數量濃度排放低于其他負荷.

3 結 論

1) 柴油機原機φ(NO2/NOx)最大值在負荷為12.5%處.負荷大于50.0%時,DOC可完全催化氧化CO.隨著負荷的增加,DOC后、DPF后φ(NO2)和φ(NO2/NOx)增加.

2) 柴油機排放的PM數量濃度除負荷為12.5%外均呈雙峰分布.負荷為12.5%時,原機PM粒徑在56.0 nm 處數量濃度值最大,為1.7×107個/cm3,DOC后PM數量濃度排放趨勢同原機一致.DOC在不同負荷下的去除率為15%～30%,中等負荷下總去除率更高.DPF總去除率在不同負荷下均高于90%.

3) 負荷分別為12.5%、25.0%時,不同采樣位置核態顆粒體積分數較低,經過DOC和DPF后核態顆粒體積分數上升,聚集態顆粒體積分數降低.隨著負荷的增加,DOC對核態顆粒去除率逐漸降低,聚集態顆粒去除率先增加、后降低.DPF對核態顆粒、聚集態顆粒及超細顆粒去除率均先降低、后增加.