柴油機(jī)顆粒后處理技術(shù)對(duì)顆粒物排放的影響

吉 喆 王燕軍 謝 瓊 原彩紅 馬永利 付云芳 馬 冬 郝春曉 黃志輝

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，北京 102200)

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柴油機(jī)顆粒后處理技術(shù)對(duì)顆粒物排放的影響

吉 喆1王燕軍1謝 瓊1原彩紅1馬永利2付云芳1馬 冬1郝春曉1黃志輝1

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，北京 102200)

本文利用一臺(tái)滿足國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的電控共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、燃油催化劑型的壁流式顆粒捕集器(FBC-DPF)和帶有DOC的壁流式顆粒捕集器(DOC+DPF)三種不同的柴油機(jī)顆粒物凈化裝置對(duì)柴油機(jī)顆粒物排放的影響，定量研究了不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，這三種后處理裝置前后顆粒物數(shù)量和質(zhì)量的變化。研究顯示：DOC對(duì)顆粒物的凈化效率大約在20%～30%之間，F(xiàn)BC-DPF對(duì)顆粒物的凈化效率大約在90%～98%之間，DOC+DPF對(duì)顆粒物的凈化效率也超過(guò)了90%。結(jié)果表明壁流式的顆粒捕集器對(duì)柴油機(jī)顆粒物有較高的凈化效果。

柴油機(jī)；后處理裝置；顆粒物數(shù)量；顆粒物質(zhì)量；排放

柴油車輛的排放問(wèn)題越來(lái)越引起人們關(guān)注，在用柴油車排放的氮氧化物(NOX)和顆粒物(PM)對(duì)整個(gè)機(jī)動(dòng)車污染物排放總量的貢獻(xiàn)率非常大，機(jī)動(dòng)車顆粒物(PM)的排放基本都是由在用柴油車產(chǎn)生的。以柴油為燃料的卡車和城市公交車排出的碳煙(PM)和氮氧化物(NOX)已成為影響我國(guó)空氣質(zhì)量的主要污染源之一[1]。

我國(guó)環(huán)保部門也不斷出臺(tái)和加嚴(yán)機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)[2]，以期對(duì)日益嚴(yán)重的汽車排放進(jìn)行控制，并使我國(guó)的法規(guī)盡快與歐洲接軌。嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了柴油機(jī)燃燒控制技術(shù)的進(jìn)步和燃油噴射系統(tǒng)的電子化，自國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來(lái)，各類柴油機(jī)電控裝置得到了迅速發(fā)展。這些新技術(shù)的應(yīng)用不僅有效降低了柴油機(jī)的氣體排放和微粒排放總量，也導(dǎo)致了所排放的微粒性質(zhì)的改變。例如，在對(duì)柴油機(jī)微粒排放總質(zhì)量的降低的同時(shí)，卻導(dǎo)致了超細(xì)微粒數(shù)量總量的增加[3]。從歐盟和我國(guó)第五階段的輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)[4]和歐盟第六階段的重型車排放標(biāo)準(zhǔn)[5]開(kāi)始，柴油機(jī)顆粒的數(shù)量濃度和總質(zhì)量將一并成為法規(guī)控制的目標(biāo)。為了使得柴油機(jī)的顆粒排放達(dá)到法規(guī)的要求，柴油機(jī)顆粒后處理裝置的研究是國(guó)際上的熱點(diǎn)之一[6]，開(kāi)發(fā)了氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、顆粒物捕集器等不同的顆粒物凈化裝置。這些裝置對(duì)柴油機(jī)顆粒的凈化效果和顆粒物排放特征的影響也得到廣泛的關(guān)注[7]，關(guān)于微粒數(shù)量濃度的研究在近幾年也逐漸成為熱門的研究課題[8]。由于我國(guó)柴油車排放控制技術(shù)同國(guó)外相比還存在較大差距，柴油車的排放水平與有害污染物的排放特征也不同，國(guó)內(nèi)對(duì)不同柴油機(jī)顆粒物凈化技術(shù)對(duì)我國(guó)柴油機(jī)顆粒排放的影響研究報(bào)道較少。因此，本文利用一臺(tái)滿足我國(guó)國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)的電控柴油機(jī)，詳細(xì)研究了裝載不同顆粒物后處理裝置后顆粒物質(zhì)量和數(shù)量的變化規(guī)律，以期為柴油機(jī)和尾氣后處理的匹配，開(kāi)發(fā)滿足我國(guó)國(guó)五和歐盟第六階段的顆粒物排放控制目標(biāo)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、排氣分析系統(tǒng)(采用在線分析儀器測(cè)定氣態(tài)污染物濃度)和顆粒物采集系統(tǒng)(包括空壓機(jī)、壓縮氣凈化裝置、稀釋通道、采樣器和真空泵，用于柴油機(jī)顆粒物樣品采集)等，同時(shí)利用熱電偶來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排氣、稀釋通道進(jìn)口和稀釋通道出口的氣體溫度。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架布置如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)示意圖

本文選用的柴油機(jī)為電控的高壓共軌六缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)排放，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)用柴油機(jī)氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)尺寸規(guī)格為Φ143.8×152mm，孔隙為400目，載體為堇青石，催化劑為貴金屬鉑(Pt)，其正常工作溫度范圍為523～873K。DOC一般安裝在排氣系統(tǒng)中靠近發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)，以便能盡快達(dá)到工作溫度，它能夠減少碳?xì)?HC)和一氧化碳(CO)的排放量，通常DOC對(duì)可溶性有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率較高，對(duì)柴油機(jī)尾氣排放中的CO和HC的凈化效率可達(dá)90%以上，對(duì)于柴油機(jī)顆粒排放中可溶性有機(jī)物部分也有較好的凈化效果。

表1 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

主要采用的測(cè)試儀器如表2所示。

表2 主要測(cè)試儀器

燃油催化劑型(FBC)的壁流式顆粒捕集器(DPF)是一種利用燃油作為傳遞媒體的使用催化再生劑的顆粒物捕集器，簡(jiǎn)稱燃油催化劑或燃油催化再生劑(FBC-DPF)。本次試驗(yàn)使用顆粒捕集器是由使用燃油添加劑二茂鐵的FBC-DPF。本顆粒捕集器的核心是由碳化硅材料制作而成的可拆卸濾芯。

本文實(shí)驗(yàn)所研究的DOC+DPF顆粒物凈化技術(shù)采用了以上介紹的DOC和DPF兩個(gè)部件組合而成。此次實(shí)驗(yàn)選取北京市區(qū)內(nèi)符合國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的柴油。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 柴油機(jī)氧化型催化反應(yīng)器(DOC)對(duì)顆粒排放的影響

本研究定量研究了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下DOC產(chǎn)品對(duì)柴油機(jī)顆粒質(zhì)量的凈化效果。 圖2和圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min和1600r/min時(shí)，不同負(fù)荷工況下DOC前后顆粒物的質(zhì)量排放。可以看出在上述絕大部分工況下，顆粒物排放隨負(fù)荷的增加而增加。采用DOC后，排放顆粒物質(zhì)量均有所降低，降低幅度約20%～30%左右。最大轉(zhuǎn)化率出現(xiàn)在小負(fù)荷處，1400r/min在10%負(fù)荷處的顆粒轉(zhuǎn)化率達(dá)到了73%，1600r/min在10%負(fù)荷處的顆粒轉(zhuǎn)化率達(dá)到了68%。

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)在1600r/min轉(zhuǎn)速下，不同各負(fù)荷DOC前后顆粒物粒徑分布狀況。可以看出，在小負(fù)荷和大負(fù)荷工況下，顆粒物數(shù)量濃度隨負(fù)荷的增大而增大，其他負(fù)荷工況下，顆粒物數(shù)量分布均呈現(xiàn)單峰正態(tài)分布，粒徑分布比例隨負(fù)荷變化的規(guī)律也相似，小負(fù)荷工況時(shí)，粒徑峰值處于粒徑約為20nm的顆粒處，20%～90%負(fù)荷之間粒徑峰值均處于粒徑為72nm的顆粒物處。DOC對(duì)不同粒徑顆粒物的轉(zhuǎn)化效率在10%-40%左右。不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下DOC對(duì)顆粒物數(shù)量的凈化效果也有類似的結(jié)果。

2.2 燃油催化劑型顆粒捕集器(FBC-DPF)對(duì)顆粒排放的影響

在1400r/min和2300r/min下，顆粒捕集器前后的顆粒物質(zhì)量排放的變化如圖5和圖6所示。試驗(yàn)表明，采用FBC-DPF后，柴油機(jī)排放顆粒物質(zhì)量大幅度下降，在1400r/min工況下，顆粒物質(zhì)量的下降幅度在68%～93%之間；2300r/min工況下，顆粒物質(zhì)量的下降幅度為94%～98%之間。研究結(jié)果顯示，F(xiàn)BC-DPF的凈化效率與柴油機(jī)工況無(wú)明顯的規(guī)律性，大致的凈化效率在70%～98%之間。

圖7為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí)，不同負(fù)荷下FBC-DPF前后顆粒物濃度的變化趨勢(shì)。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在1800r/min下，顆粒物數(shù)量的峰值濃度隨負(fù)荷的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，在60%負(fù)荷處有一小轉(zhuǎn)折，最大峰值濃度出現(xiàn)在80%負(fù)荷，最大峰值濃度為1.61×108個(gè)/cm3。從圖7可以看出，在FBC-DPF后的排氣微粒與FBC-DPF前的微粒的規(guī)律大致相同，成單峰正態(tài)分布，不同轉(zhuǎn)速的粒徑分布變化規(guī)律各有不同。試驗(yàn)表明，采用顆粒物數(shù)量排放大幅度下降，平均下降幅度為90%左右。其他轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷的測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)BC-DPF對(duì)顆粒物數(shù)量的凈化效率大致在90%～98%之間。

圖4 1600r/min不同負(fù)荷下DOC前后顆粒物數(shù)量變化

圖5 顆粒物質(zhì)量排放變化(1400r/min)

圖6 顆粒物質(zhì)量排放(2300r/min)

圖7 1800r/min不同負(fù)荷下FBC-DPF前后顆粒物數(shù)量變化

2.3 DOC+DPF 對(duì)顆粒排放的影響

圖8 顆粒物質(zhì)量排放變化(1800r/min)

在1800r/min和2300r/min下該發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物質(zhì)量變化隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)如圖8、9所示。由于采用DOC+DPF后排放顆粒物質(zhì)量較低，為了明顯的展現(xiàn)DOC+DPF對(duì)顆粒物排放的影響，采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)處理。結(jié)果顯示，在不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下，采用DOC+DPF顆粒物凈化技術(shù)后，顆粒物的質(zhì)量均大幅度下降，幅度超過(guò)90%。

圖9顆粒物質(zhì)量排放(2300r/min)

圖10列出了在1800r/min不同負(fù)荷下，DPF+DOC前后的微粒粒徑分布的負(fù)荷特性圖。從圖中可以看出，在DPF-DOC前的排氣微粒粒徑除10%負(fù)荷處，其他負(fù)荷微粒粒徑成單峰正態(tài)分布，且微粒粒徑分布隨負(fù)荷增加而增大，在80%負(fù)荷處有所降低，峰值出現(xiàn)在粒徑為72nm顆粒物處。最大峰值濃度出現(xiàn)在70%負(fù)荷處，最大峰值濃度為1.6×108個(gè)/cm3。在DPF-DOC后，所排放的微粒的數(shù)量隨著負(fù)荷的增加先增大后減小。除了10%負(fù)荷時(shí)峰值出現(xiàn)在粒徑為20nm顆粒物處，其他峰值出現(xiàn)粒徑為72nm顆粒物處。1400r/min、1800r/min和2300r/min轉(zhuǎn)速下DOC+DPF技術(shù)對(duì)顆粒物數(shù)量的去除率分別為89%、96%和99%。

圖10 1800r/min不同負(fù)荷下DOC+DPF前后顆粒物數(shù)量變化

3 結(jié) 論

利用DOC、FBC-DPF和DOC+DPF三種不同顆粒物凈化技術(shù)對(duì)柴油機(jī)顆粒物排放的影響研究表明：

(1)DOC對(duì)顆粒物質(zhì)量的凈化效率大約在20%～30%之間，對(duì)顆粒物數(shù)量的凈化效率大約在10%～40%左右；

(2)FBC-DPF對(duì)顆粒物質(zhì)量的凈化效率大約在70%～98%之間，對(duì)顆粒物數(shù)量的凈化效率在90%～98%之間；

(3)DOC+DPF對(duì)顆粒物質(zhì)量的凈化效率大于90%，對(duì)顆粒物數(shù)量的凈化效率在89%-99%之間。

[1]張勇，張春玲等.柴油機(jī)尾氣處理裝置(DPF)的試驗(yàn)研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(1)：26-30.

[2]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.GB17691—2005.車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[3]I.S.Abdul-Khalek，D.B.Kittelson，B.R.Graskow，Q.Wei F.Brear，Diesel Exhaust Particle Size：Measurement Issues and Trends，SAE Paper 980525.

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[5]谷雪景.移動(dòng)源國(guó)家大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)體系演變及發(fā)展方向研究[J].環(huán)境保護(hù)，2013，17：48-50.

[6]Jennifer Kain.Retrofit Overview.Connecticut Diesel Emissions Control Technologies Forum[J].August17，2005.

[7]I.S.Abdul-Khalek，D.B.Kittelson，B.R.Graskow，Q.Wei F.Brear，Diesel Exhaust Particle Size：Measurement Issues and Trends，SAE Paper 980525.

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Effects of after Treatment Technologies on Diesel Engine Particulate Emissions

JI Zhe1WANG Yanjun1XIE Qiong1YUAQN Caihong1MA Yongli2FU Yunfang1MA Dong1HAO Chunxiao1HUANG Zhihui1

(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing China 100012；2.Beijing Vocational College of Transportation，Beijing 102200)

The reduction efficiencies of particulates of three after treatment devices：a diesel oxidation catalyst (DOC)，a fuel borne additive wall-flow particulate filter (FBC-DPF) and a wall flow particulate filter with DOC was studies on an electronic control common rail diesel engine.The particulate matter and numbers before and after the devices was measured under the different speeds and loads.

diesel engine；after treatment devices；particulate number；particulate mass；emissions

吉喆，碩士，工程師，主要從事機(jī)動(dòng)車污染防治技術(shù)研究工作

王燕軍，博士，正高級(jí)工程師，主要從事機(jī)動(dòng)車污染污染防治理論與政策研究

X83

A

1673-288X(2016)06-0073-04

項(xiàng)目資助：科技部科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“京津冀區(qū)域大氣污染物動(dòng)態(tài)排放特征及更新機(jī)制研究(2014BAC23B02)”、“京津冀區(qū)域重點(diǎn)領(lǐng)域大氣污染防治技術(shù)與示范(2014BCA23B04)”

引用文獻(xiàn)格式：吉 喆 等.柴油機(jī)顆粒后處理技術(shù)對(duì)顆粒物排放的影響[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：73-76.