DOC+DPF系统对柴油机污染物排放特性的影响

李顺利, 蔡忆昔, 施蕴曦, 卢奕睿, 朱 衎

(江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013)

柴油机具有较高的机械效率及低转速下大转矩等特点,被广泛应用于工程机械、车辆运输和船舶航运等行业.与汽油机相比,柴油机还具有更低的CO和碳氢化合物(HCs)排放、较低的使用成本和较长的使用寿命[1].然而,柴油机NOx和颗粒物(particulate matter,PM)的高排放问题制约着柴油机的发展.据统计,我国机动车排放污染物中,PM、CO、NOx排放量超过90%[2].柴油机排放的PM被公认为是致癌物的来源之一,造成了大城市中高达30%的二次有机气溶胶(secondary organic aerosol,SOA)污染.PM主要包括碳、硫酸盐和可溶性有机物等.由于柴油机排放污染物对人类健康和环境保护造成威胁,各国都相继出台了限制轻型车辆和重型车辆的排放标准.欧洲排放标准最为严格,我国依据欧六排放标准制定了符合我国国情的国家第六阶段机动车污染物排放标准.柴油机国六排放法规的公布施行,对减少柴油机污染物排放提出更高的要求.

目前,有多种尾气后处理技术被广泛应用于柴油机上.柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)被认为是目前降低柴油机尾气中气态污染物和PM排放最为有效的手段.DOC可以将排气中CO和NO氧化转化为CO2和NO2,NO2会促进DPF内PM的被动再生.DPF对PM的捕集率在90%以上[3].很多学者在柴油机的气态污染物排放和PM排放方面进行了研究.商潭苏等[4]将不同质量分数Fe元素的燃油添加剂与柴油掺混,发现与纯柴油相比,掺混柴油PM数量浓度和质量浓度曲线峰值朝小粒径偏移.沈颖刚等[5]按13个试验循环研究了加装DOC+催化型颗粒捕集器(catalytic diesel particulate filter,CDPF)的柴油机PM排放和再生特性,得到测试过程中DOC和CDPF有较高的催化氧化和再生效率.陈贵升等[6]利用掺混聚甲氧基二甲醚(polymethoxy dimethyl ether, PODE)在不同负荷下进行试验,研究得到大负荷下DOC+DPF可对掺混PODE后排放的CO和PM实现近100%去除.TAN P. Q.等[7]指出DOC+CDPF和DOC+DPF可有效降低排气中PM的毒性当量(toxic equivalent quangtity,TEQ)值.A. SRINIVASAN等[8]将DOC+DPF整合为DDPF,发现DDPF被动再生性能与DOC+DPF相当,但主动再生性能明显低于DOC+DPF.目前,对DOC+DPF的研究主要集中于降低柴油机总污染物排放量、主动和被动再生效率,对于PM在DOC+DPF系统输运中不同粒径PM的变化规律鲜有探究.

笔者对加装DOC和DPF后处理系统的柴油机进行台架试验,通过烟气分析仪(Testo 350XL)和发动机废气排放颗粒物粒径谱仪(TSI EEPS 3090)研究不同负荷下柴油机DOC前端(原机)、DOC后和DPF后排气中NOx和PM的变化,揭示DOC+DPF系统对柴油机污染物排放特性的影响规律.

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验在一台型号为YD480的柴油机台架上进行,柴油机转速为3 000 r/min时,额定功率为29 kW,最大转矩为99 N·m,排量为1.8 L,缸径为80 mm,行程为90 mm.DOC+DPF捕集PM的试验装置如图1所示.DOC和DPF的结构参数如表1所示,其中PGM(platinum-group metals)为铂族金属.

图1 DOC+DPF捕集PM试验装置示意图

表1 DOC和DPF的结构参数

排气中气态污染物测量采用Testo 350XL烟气分析仪,对尾气中O2、CO、CO2、NO、NO2和NOx进行测量.排气中的PM通过发动机废气排放颗粒物粒径谱仪(TSI EEPS 3090)进行测量.该仪器测量的粒径范围为5.6～562.3 nm,仪器将测量数据转换为32个输出通道,这些输出通道在对数尺度上平均间隔为5.6～562.3 nm.该仪器采样频率为1 Hz,可以在1 s内给出测量范围完整的尺寸分布,试验中设置稀释倍数为123倍,采样时间为60 s,得到60组颗粒粒径分布图谱,并取平均值.仪器可测量的PM参数包括数量浓度、表面积浓度、体积分数和质量浓度.为消除不同输出通道因粒径带来的误差,引入标准化数量浓度dN/dlogDp,定义如下：

(1)

式中：N为某一输出通道的PM数量浓度;Dp为粒径中间值;Dpmax、Dpmin分别为通道最大、最小粒径.

1.2 试验方法

试验时,柴油机转速为2 500 r/min,负荷分别为12.5%、25.0%、37.5%、50.0%、62.5%、75.0%、87.5%、100.0%,DOC与DPF均为初次使用.采样点为DOC前端(原机)、DOC后端以及DPF后端.为消除相邻工况的影响,取样时间间隔为30 min.待柴油机每个工况点稳定后,利用TSI EEPS 3090粒径分析仪对PM数量浓度、粒径分布等参数进行测量,利用Testo 350XL烟气分析仪对尾气中气态污染物进行测量.

2 结果与讨论

2.1 气态污染物排放分析

不同负荷下柴油机尾气在不同采样位置的CO排放曲线如图2所示,其中：φ(CO)为CO的体积分数;β为负荷.从图2可以看出：随着负荷的增加,柴油机原机CO排放量先减少后增加,负荷为62.5%时,CO体积分数最低,为2.6×10-4;低负荷(12.5%、25.0%)时,缸内温度较低,燃料不能完全燃烧;中等负荷(37.5%、50.0%、62.5%)时,利于燃料燃烧,缸内燃烧较充分,CO排放较低;高负荷(75.0%、87.5%、100.0%)时,缸内温度高,且燃油供应较多,造成燃料在缸内来不及完全燃烧,使CO排放增加,DOC后和DPF后的CO体积分数均低于原机;负荷为25.0%～50.0%时,DOC后CO体积分数低于DPF后,经过DOC后,尾气中少量的CO被氧化为CO2,在DPF中部分的HCs被氧化为CO;负荷为62.5%～100.0%时,DOC后和DPF后的CO体积分数为0.在低负荷下DOC对柴油机CO排放影响较小,中、高负荷下DOC能够实现对CO的零排放.这是由于DOC中催化剂活性主要受温度影响,温度对于促进DOC减排CO有关键作用.随着温度升高,DPF中的部分HCs直接被氧化为CO2,因此,DPF后CO排放也为0.

图2 柴油机的CO排放曲线

不同工况下柴油机尾气在不同采样位置的氮氧化物排放曲线如图3所示,其中：φ(NO)、φ(NO2)、φ(NOx)分别为NO、NO2、NOx的体积分数;φ(NO2/ NOx)为柴油机原机氮氧化物中NO2的体积分数.从图3可以看出：随着负荷的增加,排气温度升高,柴油机NO和NOx原机排放量呈线性增加,柴油机原机NO2排放量无明显变化,负荷对NO2的生成影响不大.柴油机缸内温度升高有利于NOx的生成,主要是NO的生成.T.SHUDO等[9]研究表明,缸内高温条件会促进NO生成,高温火焰中形成的NO与过氧羟基自由基(·HO2)结合后,快速氧化为NO2,化学方程式为

(2)

尾气中NO、NO2经DOC、DPF后会发生一系列的氧化还原反应,促进尾气中部分HCs分解,主要化学方程式如下：

(3)

(4)

(5)

图3 柴油机氮氧化物排放曲线

负荷为12.5%～50.0%时,NO的体积分数经DOC后略微升高,经DPF后略微降低,但仍高于原机.DOC后和DPF后NO2的体积分数逐渐降低.负荷较低时,DOC和DPF中主要反应为式(4),NO2的体积分数减少,NO的体积分数增加,部分NO2与HCs参与反应被消耗转化为NO.负荷大于50.0%时,随着负荷的增加,DOC后和DPF后NO体积分数低于原机且促进速率降低.DOC后NO2的体积分数显著升高,DPF后NO2的体积分数较DOC后显著减少.负荷增加,排气温度增加,DOC内涂附的催化剂催化活性显著上升,促进反应,DOC内的主要反应为式(3)、(5),DOC后NO2体积分数显著增加,NOx体积分数降低.DPF内的主要反应为式(5),DPF后NO2的体积分数显著减少,转化为N2,NOx体积分数进一步降低[10].从图3d可以看出：柴油机原机氮氧化物中NO2体积分数φ(NO2/ NOx)随着负荷的增加而降低;负荷为12.5%～50.0%时,DOC后φ(NO2/ NOx)和DPF后φ(NO2/ NOx)逐渐降低;负荷为50.0%～100.0%时,DOC后φ(NO2/ NOx)显著升高,DPF后φ(NO2/ NOx)较DOC后增加更为缓慢.同负荷下,不同采样位置的φ(NO2/ NOx)取决于NO2体积分数.

2.2 PM排放分析

柴油机PM排放分布特性曲线如图4所示,其中D为粒径.柴油机PM排放的主要粒径范围为1.0～1 000.0 nm.从图4可以看出：在该粒径范围内按照柴油机PM的生成机理可以分为核态颗粒(5.0 nm≤D<50.0 nm)、聚集态颗粒(50.0 nm≤D<1 000.0 nm);按照粒径大小可以分为超细颗粒(D<100.0 nm)等.本试验中使用的仪器测量粒径范围为5.6

图4 柴油机PM排放分布特性曲线

不同负荷下柴油机PM数量浓度排放曲线如图5所示,柴油机原机的PM排放随负荷的不同,呈现出不同的排放规律,负荷为12.5%时,PM排放数量浓度较高,PM排放曲线呈现单峰分布,峰值粒径在56.0 nm处,最大数量浓度为1.7×107个/cm3,负荷为12.5%时,PM排放数量浓度较高的原因是柴油机缸内温度较低,壁面淬熄效应明显;负荷为25.0%、37.5%、50.0%、62.5%时,PM数量浓度排放曲线变为双峰分布,2个峰值分别位于5.6、126.0 nm处;负荷为75.0%、87.5%时,PM数量浓度排放曲线仍为双峰分布,峰值分别位于5.6、56.0 nm处,负荷为75.0%时,2个粒径下PM数量浓度峰值相近,负荷为87.5%时,56.0 nm处PM数量浓度峰值远大于5.6 nm处的PM数量浓度峰值;负荷为100.0%时,PM数量浓度排放曲线仍为双峰分布,2个峰值分别位于12.0、100.0 nm处,相较于负荷为87.5%的2个峰,均向右移.根据不同型号的柴油机和运行工况PM数量浓度排放曲线呈现出单峰或者双峰分布,这样的双峰分布可以通过双对数正态分布拟合[11],负荷为62.5%～87.5%时,随着负荷的增加,粒径为5.6～24.0 nm的PM数量浓度排放逐渐降低,126.0 nm处PM数量浓度峰值左移至56.0 nm处.

图5 不同负荷下柴油机PM数量浓度排放曲线

负荷从12.5%升高至25.0%,排放的PM数量浓度显著降低,最大峰值粒径由56.0 nm右移至126.0 nm处,粒径为5.6～24.0 nm的PM数量浓度占排放总PM数量浓度略有增加;24.0～560.0 nm段的PM数量浓度占比超过90%,此时缸内温度较负荷为12.5%有所增加,燃烧条件有所改善,PM排放仍以聚集态颗粒为主.负荷升高至37.5%、50.0%、62.5%时,粒径为5.6～24.0 nm的PM数量浓度较大,PM最大数量浓度也由负荷为25.0%时的粒径为126.0 nm变为5.6 nm处,24.0～560.0 nm段的PM数量浓度排放降低.在这些负荷下,燃料燃烧较为充分,PM最大数量浓度较负荷为12.5%、25.0%时大幅度降低.

不同负荷下DOC后的PM排放趋势基本与同负荷下原机的PM排放趋势一致,但在数量浓度上较原机略微减少.在不同负荷下,尾气经过DOC后不同粒径的PM数量浓度均出现不同程度的降低.大部分未通过DOC的PM因沉积、吸附作用被阻挡在DOC中,极少部分的可溶性有机成分(soluble organic fractions,SOF )经过DOC被氧化去除.

DPF后的PM排放较DOC后端大量减少,所有负荷下DPF后端的PM最大数量浓度均低于1.0×105个/cm3.同负荷下原机、DOC后端和DPF后端的PM排放趋势相接近,这是由于壁流式DPF作为一种固定结构的颗粒捕集器,对不同粒径的PM没有选择过滤的特点,PM粒径越大,质量越大,通过DPF的概率越低.

柴油机PM总数量浓度排放曲线如图6所示,柴油机的PM总数量浓度随着负荷的增加呈先减少、后增加的趋势,在中等负荷下PM总数量浓度排放最低,与图5中不同负荷下的PM数量浓度排放趋势一致;负荷为12.5%时,柴油机原机排放中PM总数量浓度超过1.1×107个/cm3,随负荷增加,总数量浓度明显降低;负荷为50.0%时,总数量浓度为1.2×105个/cm3.不同负荷下PM经过DOC后总数量浓度略减少,经过DPF后总数量浓度减少明显.

图6 柴油机PM总数量浓度排放曲线

DOC、DPF及DOC+DPF对PM的去除率如图7所示,其中α为PM的去除率.

图7 DOC、DPF及DOC+DPF的PM去除率

从图7可以看出：不同负荷下DOC对PM去除率为15%～30%;50.0%负荷下DOC的PM去除率最高,为26%,负荷对DOC去除PM总数量影响较小,DOC促进尾气中部分NO氧化为NO2,并参与PM的氧化反应[12].DOC可以吸附部分PM并对其氧化,减少PM排放.由于DOC是通孔结构,对PM没有过滤作用,而DOC在管道中有一定的体积,对气体流动造成一定的阻碍,部分颗粒被阻挡沉积.尾气中PM在管道内流动,会在管道内发生PM的沉积.因此,经过DOC后PM数量浓度降低.DPF对PM去除率为90%以上,DPF在负荷分别为37.5%、50.0%、62.5%时的PM去除率为90%,低于其他负荷,这是由于中等负荷(37.5%、50.0%、62.5%)柴油机原机排放的PM总数量浓度在低水平,但低负荷(12.5%、25.0%)、高负荷(75.0%、87.5%、100.0%)下原机排放PM总数量浓度远高于中等负荷的原机排放,而中等负荷DPF后排放的PM总数量浓度相较于其他负荷差异不大.各试验工况下,DOC+DPF对PM去除率在92%以上,低负荷和高负荷下去除率可达98%.

不同模态颗粒体积分数随负荷的变化曲线如图8所示,其中φ1、φ2、φ3分别为核态颗粒、聚集态颗粒、超细颗粒的体积分数.

图8 柴油机不同模态颗粒体积分数随负荷的变化

由图8a可以看出：负荷分别为12.5%、25.0%时,核态颗粒体积分数明显低于其他负荷,且负荷为25.0%的核态颗粒体积分数低于负荷为12.5%的核态颗粒体积分数,这是因为负荷为25.0%较负荷为12.5%的峰值粒径由56.0 nm移至126.0 nm处;随着负荷的增加,原机PM排放中的核态颗粒体积分数先增加、后降低.柴油机在低负荷下燃烧不完全,产生的PM以聚集态颗粒为主,中等负荷时,燃烧改善,生成的PM以核态颗粒为主,继续增大负荷,过量空气系数减小,缸内不完全燃烧增多,造成大粒径PM排放增加.DOC后和DPF后的PM数量浓度排放中核态颗粒体积分数随负荷的变化规律与原机一致.不同负荷下,原机和DOC后的核态颗粒排放体积分数相比,负荷为12.5%、25.0%时DOC后的核态颗粒体积分数低于原机,其他负荷DOC后的核态颗粒体积分数高于原机.负荷增加,排气温度增加,DOC中催化剂催化活性增加,促进了较大粒径PM分解为小粒径PM,氧化促使小粒径PM体积分数上升,DOC后聚集态颗粒体积分数降低.同负荷下,DPF后核态颗粒体积分数明显高于原机和DOC后的核态颗粒体积分数.从图8c可以看出：原机PM数量浓度排放中超细颗粒体积分数随负荷的变化规律与原机的核态颗粒随负荷的变化规律一致;同负荷下,DOC后超细颗粒体积分数高于原机超细颗粒体积分数,DPF后超细颗粒体积分数高于DOC后超细颗粒体积分数;较小粒径的超细颗粒更容易通过DOC和DPF,粒径越大被阻挡在DOC前和DPF内的概率越大.

DOC对不同模态PM的去除率如图9所示,负荷为12.5%、25.0%时,DOC对核态颗粒的去除率高于其他负荷;随着负荷的增加,DOC对聚集态颗粒的去除率先增加、后降低;负荷为50.0%时,对聚集态颗粒的最大去除率为54%.结合图7、8可以看出,原机中核态颗粒和聚集态颗粒体积分数越高,DOC去除率越低,原机模态颗粒体积分数与DOC去除率变化规律相反.

图9 DOC对不同模态PM的去除率

DPF对不同模态PM的去除率如图10所示.

图10 DPF对不同模态PM的去除率

从图10可以看出：随着负荷的增加,DPF对超细颗粒、聚集态颗粒和核态颗粒的去除率都是先降低、后增加,与不同负荷下不同采样位置的PM总数量浓度变化规律、DPF去除率变化规律一致;负荷分别为37.5%、50.0%、62.5%时,对核态颗粒去除率为89%,对聚集态颗粒去除率为95%,对超细颗粒去除率为92%;负荷分别为37.5%、50.0%、62.5%时,核态颗粒、聚集态颗粒和超细颗粒的去除率均低于其他负荷,这是由于这些负荷下原机PM数量浓度排放低于其他负荷.

3 结 论

1) 柴油机原机φ(NO2/NOx)最大值在负荷为12.5%处.负荷大于50.0%时,DOC可完全催化氧化CO.随着负荷的增加,DOC后、DPF后φ(NO2)和φ(NO2/NOx)增加.

2) 柴油机排放的PM数量浓度除负荷为12.5%外均呈双峰分布.负荷为12.5%时,原机PM粒径在56.0 nm 处数量浓度值最大,为1.7×107个/cm3,DOC后PM数量浓度排放趋势同原机一致.DOC在不同负荷下的去除率为15%～30%,中等负荷下总去除率更高.DPF总去除率在不同负荷下均高于90%.

3) 负荷分别为12.5%、25.0%时,不同采样位置核态颗粒体积分数较低,经过DOC和DPF后核态颗粒体积分数上升,聚集态颗粒体积分数降低.随着负荷的增加,DOC对核态颗粒去除率逐渐降低,聚集态颗粒去除率先增加、后降低.DPF对核态颗粒、聚集态颗粒及超细颗粒去除率均先降低、后增加.