泡沫陶瓷DPF對柴油機排放特性影響研究

張宗喜,張鳳強，張營華，李 昊

(1.山東建筑大學機電工程學院，山東 濟南 250101；2.濟南市技師學院，山東 濟南 250115；3.高密市闞家鎮人民政府，山東 濰坊 261513)

由于柴油機熱效率高、燃油經濟性好、輸出功率及安全性好，被廣泛應用于車輛、農業及工業領域[1-2]。然而伴隨著公眾環保意識提升及排放法規日趨嚴格，柴油機造成的污染問題受到廣泛關注。截至2019年，盡管柴油車保有量僅占中國汽車保有量的9.1%，但柴油車排放的氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)分別占汽車排放總量的71.2%和99%以上[3]。研究發現，柴油機一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)排放分別比汽油機低95%和25%，NOx排放與汽油機差別不大，但PM排放是汽油機的幾十倍[4-5]。NOx是柴油機尾氣排放的主要成分，約占50%，其次是PM、CO與HC[6-7]。

降低柴油機排放的方法包括機內凈化、使用代用燃料及后處理技術[8-9]。隨著排放法規日趨嚴格，單純通過提升燃油品質或機內凈化技術已無法達到排放法規的要求，必須結合尾氣后處理技術[10-11]。目前，柴油機尾氣后處理技術主要包括：針對NOx的吸附催化還原、選擇性催化還原、選擇性非催化還原；針對PM的微粒捕集器(DPF)；針對HC、CO和可溶性有機成分的氧化催化技術；低溫等離子體及低溫等離子體輔助催化技術[2，7,12-14]等。

DPF在2000年被用于柴油機尾氣處理，是目前控制柴油機PM排放最有效的手段，處理效率達到90%以上[7,15]。DPF在碰撞、截留、PM擴散和重力沉降等作用下將PM從排氣中分離出來，沉積在捕集材料上，再通過再生技術將其燃燒或氧化。DPF由捕集材料及再生系統組成。DPF捕集材料應滿足如下要求：較大的比表面積、捕集效率高、排氣阻力??；熱穩定性好、熱膨脹系數小，能承受較高的熱負荷；抗氧化性、耐熱沖擊性及抗腐蝕性好；機械強度高、抗振動性能好；質量輕；易于再生等。其中捕集效率高及排氣阻力小是關鍵，而且兩者是矛盾的關系，所以捕集材料的選擇必須充分考慮兩者的綜合影響[12,16]。不同DPF捕集材料的捕集方式和捕集效率見表1[17]。

目前，應用較多的捕集材料是壁流式蜂窩陶瓷，占70%；其次是陶瓷纖維，占25%；燒結金屬和其它材料只占5%[18]。堇青石是蜂窩陶瓷中應用最廣泛的材料，但堇青石導熱性能及受熱均勻性較差，熱容量低，

表1 不同DPF捕集材料的捕集方式和捕集效率

再生時易出現局部破壞；溫度超過1 250 ℃后，堇青石材料會與碳煙顆粒發生反應，使自身逐漸被腐蝕[19]。與堇青石相比，泡沫陶瓷具有多孔結構且孔隙率大(可達80%～90%)、熱應力較小、熱穩定性好、熱膨脹系數各向相同、能夠增強材料的可塑性、具有較好的再生性能、生產工藝簡單、價格便宜，是理想的DPF捕集材料[16,20-22]。但目前針對泡沫陶瓷DPF捕集效率及其對柴油機排放特性的影響的相關研究較少，鑒于此，作者以氧化鋯泡沫陶瓷(ZFC)、碳化硅泡沫陶瓷(SFC)及氧化鋁泡沫陶瓷(AFC)為DPF捕集材料，探究負荷特性下泡沫陶瓷DPF對柴油機排放特性的影響，尤其是甲醛、乙醛、VOCs等非常規排放的影響。

1 試驗

1.1 試驗系統

試驗用柴油機是一臺臥式單缸四沖程水冷柴油機，主要技術參數見表2，試驗用柴油物性參數見表3。

表2 柴油機的主要技術參數

表3 柴油的物性參數

柴油機性能測試系統[23]主要由柴油機、動力測試系統、排放測試系統及稀釋系統組成。通過MGA5/Various Plus型便攜式煙氣分析儀測量柴油機CO、NO、NOx等常規氣體排放；柴油機尾氣經過稀釋系統稀釋后在滯留室充分混合，然后進行PM2.5、甲醛、乙醛及VOCs排放采樣；甲醛、乙醛及VOCs采用深圳吉達安科技有限公司研制的JK40-IV3型便攜式多功能高精度三合一檢測報警儀檢測。

1.2 DPF體積設計及捕集材料物性參數

DPF的體積與柴油機排量有關，應至少等于柴油機的排量，甚至是柴油機排量的2倍，以保證將氣體流動阻力限制在合理水平[24-25]。試驗用柴油機的排量為1.039 L，因此設計DPF的體積為1.19 L，為柴油機排量的1.13倍。

DPF捕集材料選用ZFC、SFC 和AFC，其物性參數見表4。

表4 DPF捕集材料的物性參數

1.3 試驗方法

試驗用柴油機為拖拉機用柴油機，屬于非道路機械用柴油機，因此其性能測試參照GB 20891—2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》標準，使柴油機轉速穩定在1 200 r·min-1(最大輸出扭矩轉速)，調節柴油機負荷百分比分別為100%、75%、50%和25%，分別以ZFC、SFC、AFC為DPF捕集材料，探究泡沫陶瓷DPF對柴油機負荷特性下排放特性的影響。

2 結果與討論

2.1 泡沫陶瓷DPF對柴油機常規排放影響分析

2.1.1 CO比排放

試驗用柴油機安裝3種類型的DPF后負荷特性下CO比排放如圖1所示。

圖1 安裝DPF后負荷特性下柴油機的CO比排放Fig.1 Specific emission of CO of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

從圖1可知，負荷百分比大于50%時，安裝DPF后的CO比排放較未安裝時增加，且增幅隨負荷百分比的增加先增大后減小；在負荷百分比增至75%時，CO比排放增幅最大，安裝ZFC、SFC和AFC捕集器后分別增加56.09%、50.60%和32.71%；在負荷百分比為100%時，CO比排放增幅最小，安裝ZFC、SFC和AFC捕集器后分別增加0.75%、12.93%和4.59%；負荷百分比為75%、安裝ZFC捕集器時，CO比排放最多，為12.77 g·kW-1·h-1；負荷百分比為25%、安裝AFC捕集器時，CO比排放最少，為5.37 g·kW-1·h-1。這是因為，高速、低負荷百分比時有效燃油消耗率較高，循環供油量較多，安裝DPF后，使排氣背壓升高，氣缸內殘余廢氣體積增大，混合氣濃度增加，燃燒惡化，CO比排放增加；負荷百分比增加時，柴油機有效燃油消耗率降低，混合氣濃度降低，混合氣在氣缸內燃燒狀況得到改善，CO比排放減少。

寧智等[26]研究DPF對YC6108柴油機排放性能影響時發現，安裝DPF后、油門開度為100%時，柴油機CO排放增加70%。裴小娜等[27]研究燃油催化DPF對柴油機性能影響時發現，安裝DPF后柴油機CO排放減少2.82%。Zhong等[15]研究DPF對國Ⅱ非道路機械用柴油機排放特性影響時發現，安裝DPF后CO比排放減少90%，這主要是由于其所用DPF具有催化氧化作用，將CO氧化為CO2所致。本試驗用柴油機安裝DPF后CO比排放增加還可能是由于所用DPF體積較小，造成排氣不暢，背壓上升過快，使可燃混合氣在氣缸內的燃燒惡化。

2.1.2 NO比排放

試驗用柴油機安裝3種類型的DPF后負荷特性下NO比排放如圖2所示。

圖2 安裝DPF后負荷特性下柴油機的NO比排放Fig.2 Specific emission of NO of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

從圖2可知，安裝DPF后，NO比排放隨負荷百分比增加呈減少趨勢，但與未安裝DPF相比，NO比排放增加；在負荷百分比為100%時，安裝ZFC、SFC和AFC捕集器后NO比排放增幅最大，分別增加59.08%、83.20%和88.05%；在負荷百分比為75%時，安裝ZFC、SFC和AFC捕集器后NO比排放分別增加40.62%、48.77%和45.92%，增幅較?。回摵砂俜直葹?00%、安裝ZFC捕集器時，NO比排放最少，為3.27 g·kW-1·h-1。這是因為，安裝DPF后使排氣背壓升高，導致排氣不暢，燃燒室內殘余氣體增多，影響可燃混合氣的燃燒；排氣背壓升高類似于熱廢氣再循環，使氣缸內混合氣氧氣含量減少，可燃混合氣的熱容量增加，可抑制NO的生成；但是由于殘余廢氣增加造成近期終了時溫度升高，有利于NO生成。安裝DPF后柴油機NO排放受到以上幾種因素的影響，本試驗柴油機在低速、大負荷下運轉，安裝DPF造成的溫度升高占主導地位，導致NO比排放增加。PM在DPF內沉積加劇上述影響。

2.1.3 NOx比排放

試驗用柴油機安裝3種類型的DPF后NOx比排放如圖3所示。

圖3 安裝DPF后負荷特性下柴油機的NOx比排放Fig.3 NOx specific emission of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

從圖3可知，安裝DPF后，NOx比排放隨負荷百分比的增加而減少，但與未安裝DPF相比，NOx比排放增加；在負荷百分比為100%時，安裝ZFC、SFC和AFC捕集器后NOx比排放增幅最大，分別增加58.89%、82.56%和87.57%；在負荷百分比為75%時，安裝ZFC、SFC和AFC捕集器后NOx比排放分別增加39.53%、47.64%和44.99%，增幅較?。回摵砂俜直葹?00%、安裝ZFC捕集器時，NOx比排放最少，為5.02 g·kW-1·h-1。柴油機NOx排放主要由NO和NO2組成，其中主要是NO，NO排放占85%～95%[28]。因此，NOx比排放的增加主要是由于NO排放的增加導致的。

寧智等[26]研究發現，安裝DPF后、油門開度為100%時，柴油機NOx排放增加5.00%。裴小娜等[27]研究發現，燃油催化DPF時，安裝DPF后柴油機NOx排放增加2.20%。Zhong等[15]在非道路機械用柴油機上安裝DPF，發現DPF對柴油機NOx排放影響不大。

2.2 泡沫陶瓷DPF對柴油機非常規排放影響分析

2.2.1 甲醛比排放

試驗用柴油機安裝3種類型的DPF后甲醛比排放如圖4所示。

圖4 安裝DPF后負荷特性下柴油機的甲醛比排放Fig.4 Specific emission of formaldehyde of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

從圖4可知，安裝DPF后，甲醛比排放隨柴油機負荷百分比的增加而增加。與未安裝DPF相比，安裝ZFC捕集器后甲醛比排放增加9.87%～39.28%，在負荷百分比為75%時增加9.87%，在負荷百分比為100%時增加39.28%。與未安裝DPF相比，安裝SFC捕集器后甲醛比排放減少，在負荷百分比為100%時減幅最大(13.72%)，負荷百分比為75%時減幅最小(0.45%)。與未安裝DPF相比，安裝AFC捕集器后甲醛比排放減少，在負荷百分比為50%時減幅最大(35.82%)，負荷百分比為100%時減幅最小(17.97%)?？梢酝茢啵惭bAFC捕集器對甲醛的減排效果較好，負荷百分比為25%時甲醛比排放最少，為131.5 mg·kW-1·h-1。安裝AFC捕集器后甲醛比排放減少與Al2O3的催化特性有一定關系，研究表明Al2O3可以用于甲醛的催化氧化[29]。

2.2.2 乙醛比排放

試驗用柴油機安裝3種類型的DPF后乙醛比排放如圖5所示。

圖5 安裝DPF后負荷特性下柴油機的乙醛比排放Fig.5 Specific emission of acetaldehyde of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

從圖5可知，安裝DPF后，乙醛比排放隨負荷百分比的增加而增加。與未安裝DPF相比，安裝ZFC捕集器后，負荷百分比小于75%時乙醛比排放增加，負荷百分比為25%和50%時分別增加30.02%和24.74%；負荷百分比為75%和100%時，乙醛比排放分別減少4.37%和5.36%。與未安裝DPF相比，安裝SFC和AFC捕集器后，負荷百分比為75%時乙醛比排放減幅最大，分別為20.99%和20.71%。安裝AFC捕集器后乙醛比排放減少與Al2O3的催化作用有關，研究表明Al2O3可以用于乙醛的催化氧化[30-31]。

2.2.3 VOCs比排放

試驗用柴油機安裝3種類型的DPF后VOCs比排放如圖6所示。

圖6 安裝DPF后負荷特性下柴油機的VOCs比排放Fig.6 Specific emission of VOCs of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

從圖6可知，與未安裝DPF相比，安裝ZFC捕集器后，僅在負荷百分比為100%時VOCs比排放增加3.03%，在其它負荷百分比下VOCs比排放均減少，最大減幅為9.03%。與未安裝DPF相比，安裝SFC和AFC捕集器后，VOCs比排放均減少，最大減幅分別為13.49%和22.08%，表明安裝AFC捕集器的減排效果更好。由于Al2O3可作為催化劑在高溫下參與VOCs的氧化，因此安裝AFC捕集器可有效降低柴油機VOCs排放[32-33]。

2.3 泡沫陶瓷DPF對柴油機PM2.5排放影響分析

試驗用柴油機安裝3種類型的DPF后PM2.5比排放如圖7所示。

圖7 安裝DPF后負荷特性下柴油機的PM2.5比排放Fig.7 Specific emission of PM2.5 of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

從圖7可知，與未安裝DPF相比，安裝3種類型的DPF后，柴油機的PM2.5比排放均減少。其中，安裝ZFC捕集器后，PM2.5比排放減幅為24.67%～76.41%；安裝SFC捕集器后，PM2.5減排效果較明顯，可減少PM2.5比排放91%以上，最大減幅可達到94.55%；安裝AFC捕集器后，PM2.5比排放減幅為23.26%～66.62%，在負荷百分比為25%、50%、75%、100%時的PM2.5比排放減幅分別為29.86%、23.26%、27.99%、66.62%。可見AFC捕集器對PM2.5減排效果較差。泡沫陶瓷DPF降低柴油機PM2.5比排放的原因包括：泡沫陶瓷為多孔結構，孔道曲折，比表面積大，通過過濾、碰撞、截留、擴散和重力沉降捕集PM2.5；柴油機排氣中的NO2可以與PM2.5發生反應使PM2.5比排放減少。

Zhong等[15]以壁流式蜂窩陶瓷DPF處理非道路機械用柴油機PM2.5排放，發現PM2.5排放減少90%以上。Pilar等[34]利用壁流式蜂窩陶瓷DPF處理柴油機PM2.5排放并進行DPF再生，發現DPF減排率大于75%。本試驗所用SFC捕集器的PM2.5減排效果更好。

3 結論

分別以ZFC、SFC及AFC為DPF捕集材料，探究負荷特性下泡沫陶瓷DPF對柴油機排放特性的影響，結果表明：(1)安裝ZFC、SFC和AFC捕集器后CO比排放分別最多增加56.09%、50.60%和32.71%；NO比排放分別最多增加59.08%、83.20%和88.05%；NOx比排放分別最多增加58.89%、82.56%和87.57%。(2)安裝SFC和AFC捕集器后，甲醛比排放分別最多可減少13.72%和35.82%；乙醛比排放分別最多可減少20.99%和20.71%；VOCs比排放分別最多可減少13.49%和22.08%。安裝ZFC捕集器后，甲醛比排放增加；低負荷百分比時乙醛比排放增加，負荷百分比大于75%時乙醛比排放減少；負荷百分比小于100%時VOCs比排放減少，負荷百分比為100%時VOCs比排放增加。(3)安裝ZFC、SFC和AFC捕集器可有效降低柴油機PM2.5比排放，SFC捕集器的減排效果最好，PM2.5比排放減少91%以上；安裝ZFC和AFC捕集器后PM2.5比排放分別最多可減少76.41%和66.62%。