殘余灰分對低溫等離子體再生顆粒物捕集器的影響

崔應欣,蔡憶昔,施蘊曦,樊潤林,陳祎,季亮

(江蘇大學汽車與交通工程學院,212013,江蘇鎮江)

2016年12月23日,環境保護部、國家質檢總局聯合發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》,進一步加強了對顆粒物(PM)排放限值的要求。燃油在高溫缺氧的環境下裂解形成多環芳香烴,多環芳香烴經歷脫氫聚合成碳煙晶核,隨后以碰撞凝結和表面反應兩種形式長大,生成鏈狀或團絮狀的聚集物,最終生成干碳煙。可溶性有機物中的重質組分通過吸附和凝結覆蓋在碳煙上,最終形成PM[1]。除了干碳煙及可溶性有機物,PM中還含有一定量的灰分。灰分主要來自于潤滑油添加劑及因柴油機缸內磨損、腐蝕而脫落的金屬碎片[2-3]。顆粒物捕集器(DPF)對PM的捕集率可達90%以上,其技術關鍵是需要定期進行再生,即氧化分解沉積在DPF內部的PM[4-6]。灰分因其不可燃燒性,在再生過程中不能被去除,會逐漸沉積在過濾通道內,最終堵塞DPF,影響發動機性能[7-8]。Sappok等利用一套可加速灰分生成的試驗系統探究了灰分對DPF背壓的影響,結果表明,灰分的沉積降低了DPF有效過濾面積,導致過濾體前端局部碳煙加載量升高[9]。此外,Sappok等分析了一個使用了5 300 km的DPF內部的沉積物,發現灰分含量占沉積物總量的50%以上[10]。Chen等建立了DPF熱再生數值模型,深入研究了DPF入口通道內的流動特性以及對流換熱過程,發現沉積在過濾通道內的灰分會影響DPF內的排氣流通及熱傳遞,使得DPF壁溫升高、積碳氧化速率提升[11]。

目前,國內外學者對灰分的研究主要依靠計算機軟件模擬,在柴油機試驗臺架上進行灰分加載試驗的研究較少。

本文搭建了PM加載系統以及NTP離線再生DPF系統,探究不同灰分含量對NTP離線再生DPF的影響;利用傅里葉紅外光譜儀、X射線能譜儀分析了殘余灰分中的官能團,并對灰分中的元素進行了定性分析。

1 試驗裝置及流程

1.1 試驗裝置

PM加載系統如圖1所示,主要包括測功機、柴油機、排氣通路、皮托管壓差計和EEPS等。所用柴油機型號為YD480Q,主要技術參數如表1所示。發動機排氣口設有兩條排氣通路,暖機期間排氣從暖機通路排出,暖機結束后利用DPF捕集PM。PM成分受發動機工況影響較大[12],設置暖機通路可更好地控制DPF中沉積的PM的組分。試驗所用DPF材料為堇青石陶瓷,主要參數如表2所示。

圖1 PM捕集試驗裝置示意圖

參數數值標定功率/kW29缸徑×行程/mm×mm80×90排量/L1.809壓縮比22.5最大扭矩/N·m99

表2 DPF結構參數

NTP噴射再生DPF試驗系統如圖2所示,主要包括氧氣瓶、冷卻系統、NTP發生器、等離子體電源、溫控裝置以及測量儀器等。試驗所用氣源是體積分數為99.5%的氧氣。冷卻裝置包括風冷和水冷,用于控制放電區域的溫度,防止溫度過高影響放電效率。等離子體電源型號為CTP-2000K(工作電壓:0～25 kV;工作頻率:7～20 kHz)。NTP發生器采用介質阻擋放電,為同軸圓柱結構。內電極為不銹鋼管,外徑為48 mm;阻擋介質為石英玻璃管,內徑為52 mm、壁厚為2 mm;石英玻璃管外包裹有細鐵絲網,作為外電極。溫控裝置既可均勻加熱DPF,也可作為保溫裝置。TDS3034B示波器用于監測電源放電工況;氣體分析儀可實時監測CO、CO2的濃度。氣源流經NTP發生器放電區域時會被電離,生成具有強氧化性的活性物質,如O3等,這些活性物質可使常規條件下較難啟動的反應得以進行,即可與DPF中的積碳在較低的溫度下發生氧化反應。當活性物質開始與積碳反應時,釋放的熱量將使DPF內部溫度升高,因此,在DPF內部布置了12個K型熱電偶(量程為-200～260 ℃)用于監測再生進程。圖3為DPF內部熱電偶測點分布圖。圖3a為DPF內部熱電偶測點徑向分布圖,12個熱電偶測點分布在DPF徑向的3個圓柱面上,半徑分別為R1=0、R2=0.25M、R3=0.5M,M為DPF的直徑。圖3b為DPF內熱電偶測點軸向分布,軸向上有4個界面,軸向距離分別為l1=1/4L、l2=1/2L、l3=3/4L、l4=L,L為DPF的長度,L=152 mm。

圖2 DPF再生試驗裝置示意圖

(a)徑向分布 (b)軸向分布圖3 DPF內部測溫點分布示意圖

1.2 試驗流程

1.2.1 殘余灰分對DPF再生的影響 試驗采用3個潔凈未使用過的DPF,記為D1、D2、D3,分別進行0、2、4 h的PM捕集試驗,捕集工況為2 500 r/min,負荷為75%。捕集試驗完成后進行NTP噴射再生DPF試驗。再生時將DPF放置在溫控裝置中,待DPF內部各測點溫度基本升至80 ℃,即可開始再生。首先穩定氣源流量至5 L/min,然后打開等離子體電源,調整放電電壓為18 kV,放電頻率為9 kHz。經放電生成的NTP流經DPF內部會氧化過濾通道內沉積的PM,待DPF內部沉積的PM可燃燒組分完全氧化,即氣體分析儀中CO、CO2濃度降為0后停止。至此,3個DPF實現了不同初始含量的灰分累積。

將經過灰分累積的DPF依次加裝至PM捕集試驗系統,進行2 h的PM捕集試驗。捕集工況為2 500 r/min,負荷為75%。

捕集完成后在DPF中安裝12個溫度測點,放入溫控裝置中,然后進行NTP完全再生DPF試驗,步驟同上所述。試驗過程中全程監測12個測點的溫度,并用氣體分析儀實時測量CO、CO2的濃度。待12個測點溫度均下降時,停止再生。

1.2.2 殘余灰分官能團及元素分析 試驗采用4個潔凈未使用過的DPF進行4 h的PM捕集試驗,發動機轉速均為2 500 r/min,負荷分別為25%、50%、75%、100%。捕集完成后,利用NTP噴射再生DPF試驗系統完全再生DPF,并提取DPF中剩余的灰分,提取出的殘余灰分依次記為A25、A50、A75、A100。采用傅里葉紅外光譜儀及X射線能譜儀對灰分樣品進行分析。

2 試驗結果及分析

2.1 殘余灰分對NTP再生DPF的影響

評價再生效果的指標主要為再生時間、峰值溫度及再生碳去除量。NTP再生DPF為氧化放熱反應,因此隨著反應的進行,測點溫度隨之上升。當DPF內部剩余的積碳越來越少時,反應速率減慢,隨后測點溫度達到峰值并開始下降,表明該測點周圍區域的積碳完全再生。本文中將測點溫度達到峰值并開始下降的時間稱為測點降溫時間。

圖4為再生試驗各測點降溫時間圖。首先分析再生D1時各測點降溫時間圖。從軸向分布可見,距離前端面越遠,再生速率越慢。以圓柱面1上測點1、2、3、4為例,測點1距離前端面最近,在45 min時達到峰值溫度后開始降溫,測點4距離前端面最遠,在215 min達到峰值溫度。圓柱面2、3上的測點也遵循這個降溫規律。按徑向分布來分析可知,距離DPF軸線越遠,再生速率也有輕微減幅,以界面1上的測點1、5、9為例,測點1在DPF軸線上,測點9則在DPF最外側,與測點9相比,測點1更早完成再生,二者時差為10 min。界面2、3、4也存在這個規律,且時差有變長的趨勢。總體來說,界面1再生迅速。在45～55 min內測點1、5、9均已完成再生,而界面4再生則較為遲緩。再生進行到215～245 min時測點4、8、12才陸續完成再生。通過軸向和徑向的比較易知,測點降溫時間差在軸向分布上差別較大,即DPF再生時間對軸向長度更敏感,而在徑向分布上差別較小,說明再生基本是從DPF前端逐漸向后端推移,NTP的利用率較高。再生D2、D3時各測點降溫趨勢也符合上述規律,并且各測點降溫時差更大,完全再生所用時間越來越長。3次試驗分別花費245、270、290 min完成。

表3為各測點的峰值溫度,由表可見,在軸向分布上,峰值溫度隨測點距DPF前端面距離的增大呈先升高后下降的趨勢。以D2中圓柱面2上的測點5、6、7、8為例,測點5峰值溫度為156 ℃,測點6、7峰值溫度高于測點5,分別為178.2、184.1 ℃,而測點8峰值溫度為160.7 ℃。徑向分布上,峰值溫度隨測點距DPF軸線距離的增大基本上呈下降趨勢,以D3中界面2上測點2、6、10為例,峰值溫度分別為186.3、176.6、148.3 ℃。DPF軸線附近的NTP濃度較高,因此,靠近軸線區域的測點再生速率較快,測點的峰值溫度更高。3次試驗中,DPF內部測點峰值溫度變化趨勢基本一致,但溫度峰值有所變化。與D1相比,D2、D3中測點1、5、6、9、11的溫度峰值略有降低,測點3、4、7、8、10的溫度峰值有所升高。再生溫度以及活性物質濃度對DPF再生的速率影響較大。一方面殘余灰分提高了DPF的導熱熱阻,使得再生過程中DPF內部溫度升高;另一方面DPF內部溫度的升高易引起NTP中主要的活性物質O3分解[13],進而減緩再生速率,使得DPF內部溫度降低。因此,隨著灰分的累積,DPF內部測點的再生峰值溫度呈現了較為復雜的規律。

表3 各測點溫度峰值 ℃

利用氣體分析儀監測再生過程中CO和CO2的體積分數,對所得數據進行積分運算,得到再生試驗中的碳去除量,計算公式如下

(1)

(2)

m=m1+m2

(3)

式中:m1和m2分別代表轉化為CO和CO2的碳去除量;m代表轉化為CO和CO2的碳去除總量;φ1和φ2分別代表CO和CO2的體積分數;t代表再生時間;q代表再生氣源流量;Vm代表氣體摩爾體積;MC代表C元素的摩爾質量,MC=12 g/mol。本次試驗中,q=5 L/min,Vm=22.4 L/mol。

圖5為再生碳去除量圖,同一再生試驗中,轉化為CO2的碳去除量大于轉化為CO的碳去除量,且碳去除量隨灰分含量的增加均有所增多。再生D1時m1和m2分別為2.51和7.96 g,再生D3時m1和m2分別升高至3.80和10.23 g,增幅分別為51.4%和28.5%。碳去除總量從10.47 g增長為14.03 g,增幅為34.0%。3次再生試驗前,DPF在相同的工況下進行了等時長的PM捕集試驗,但完全再生時的碳去除量明顯增多,這可能是因為殘余灰分減小了DPF的孔隙率,PM捕集率升高,PM捕集量提升,由此也可以解釋再生時間變長。

圖5 再生碳去除量圖

2.2 殘余灰分官能團及元素分析

2.2.1 傅里葉紅外光譜分析 圖6為灰分樣品的傅里葉紅外光譜圖。由圖可見,不同負荷下再生所得灰分的表面官能團較為相似,主要包括波數為3 080～3 590 cm-1的羥基峰,波數為2 840～2 990 cm-1的烷基峰,波數為915～1 800 cm-1的含氧官能團和芳香環的吸收峰。以樣品A25為例,在波數為2 920 cm-1和2 850 cm-1處出現了兩個較為明顯的吸收峰,分別為CH2非對稱伸縮振動和CH2對稱伸縮振動所產生的吸收峰;波數為1 726 cm-1處的吸收峰歸屬于CO伸縮振動;波數為1 450 cm-1處的吸收峰是由CH3非對稱變角振動和CH2剪切振動產生;波數為1 375 cm-1處的吸收峰歸屬于甲基對稱變形振動;波數為1 120 cm-1處的吸收峰是由C—O伸縮振動產生。負荷對灰分表面官能團的峰值影響較大,負荷增大后,灰分表面官能團的吸收峰強度逐漸變弱。波數在3 080～3 590 cm-1的羥基吸收峰明顯減少,A25樣品中2 850 cm-1處的吸收峰以2 920 cm-1處吸收峰的肩峰形式出現,但A100樣品中幾乎看不到波數為2 920 cm-1和2 850 cm-1的吸收峰。波數為1 726 cm-1處的CO伸縮振動吸收峰、波數為1 450 cm-1處的CH3非對稱變角振動和CH2剪切振動吸收峰、波數為1 375 cm-1處的甲基對稱變形振動吸收峰等的峰值隨負荷的增大也均有減小。

圖6 殘余灰分傅里葉紅外光譜圖

(a)A25

(b)A50

(c)A75

(d)A100圖7 殘余灰分X射線能譜圖

2.2.2 殘余灰分元素分析 圖7為灰分X射線能譜分析圖。由圖可見,灰分主要組成元素有C、O、Na、P、S、Ca及少量的Cu、Fe、Al、Si、Mn、Zn等。C元素主要來自灰分中的少量有機物,O元素主要存在于含氧官能團及金屬氧化物中,S元素主要來自燃油及潤滑油。Na、P、Ca、Mn、Zn主要來自潤滑油或者潤滑油添加劑,Fe元素可能來自于發動機內部磨損產生的金屬碎屑,一部分Al、Si可能來自于DPF壁面上脫落的碎屑。Pt主要來自檢測前的噴金處理。

圖8 殘余灰分各組成元素的質量分數

圖8為灰分樣品中各組成元素的質量分數。由圖可知,灰分中金屬元素總質量分數達23.8%～27.4%,P和S含量也較高,質量分數分別在6.8%～8.9%和9.6%～14.4%。隨著負荷的升高,C含量先下降后升高,O含量則有上升趨勢,C、O含量比呈先下降后升高的趨勢。A75樣品中的C、O含量比相對最低,這說明在75%負荷下,生成的灰分中金屬氧化物及無機鹽含量相對較高,而有機物含量較低。

3 結 論

(1)灰分提高了DPF的導熱熱阻,測點峰值溫度隨灰分含量的增加而升高。隨著殘余灰分的增多,過濾通道孔隙率減小,DPF內部沉積的PM增多,再生時間變長,再生完成時的碳去除量也越多。

(2)殘余灰分主要成分為無機鹽及金屬氧化物,金屬元素總質量分數達23.8%～27.4%。經傅里葉分析發現,灰分中還含有少量有機物,有機物中含氧官能團及芳香環吸收峰較為明顯。

(3)不同負荷下采集的PM經NTP再生后所得灰分成分基本一致。隨著負荷的升高,C、O含量比呈先下降后升高的趨勢。75%負荷下所得樣品中的C、O含量比相對最低,說明該樣品中金屬氧化物及無機鹽含量相對較高,而有機物含量較低。