DPF對柴油機顆粒物的捕集特性的影響研究

張正軍 胡鵬 孫浩銘 邱華榮

摘要：DPF作為柴油機尾氣后處理技術的關鍵部分，國內外學者對其一直有大量研究。本文研究了在2500r/min、75%負荷下DPF對柴油機不同粒徑的PM捕集效果，研究結果表明，隨著試驗時間的延長，DPF對柴油機PM的捕集率有所提高，且DPF對大粒徑聚集態顆粒物的捕集率要高于對核態顆粒物的捕集率。

Abstract： DPF is a key part of diesel exhaust post-treatment technology， which has been studied extensively by domestic and foreign scholars. In this paper， the capture effect of DPF on PM of diesel engine with different particle sizes was studied under 2500 r/min and 75% load. The results show that， with the extension of test time， the capture rate of DPF on PM of diesel engine is improved， and the capture rate of DPF on large particle size aggregated particles is higher than that on nuclear particles.

關鍵詞：柴油機微粒捕集器;顆粒物;捕集特性;柴油機

Key words： diesel particular filter （DPF）;particulate matter;capture feature;diesel

中圖分類號：U664.121.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0059-02

0? 引言

柴油機相對于汽油機具有油耗低、耐久性好、輸出扭矩高、CO和HC的排放量較少等優點，但柴油機顆粒物（particulate matter，PM）的排放一直是制約柴油機發展的關鍵因素[1-2]。根據PM粒徑的大小可將其分為直徑50nm以內的核態微粒和直徑50nm以上的聚集態微粒，并且將直徑在100nm以下微粒定義為超細微粒[3]。PM中的微粒大多數都是納米級的粒子，能夠長期在空氣中漂浮并被人體吸入體內，其中所含的苯等多環芳香烴具有強烈的致癌作用，給人的生命健康造成重大危害[4-5]。因此，降低PM的排放量是凈化柴油機尾氣的首要工作。

國內有眾多學者對DPF的捕集特性做了較多研究。陳熊等[6]研究了DPF的捕集效率與發動機工況的關系，研究表明DPF的捕集效率隨工況變化較大，急加減速階段DPF的捕集效果變差。孫萬臣等[7]研究了DPF對柴油機不同轉速下的捕集特性，研究還指出DPF對相同粒徑微粒的捕集效率與發動機轉速和工況有關;中等轉速、中小負荷下DPF對顆粒物的捕集效率較高，隨著轉速和負荷的增加，DPF的捕集效率有所下降。田晶等[8]研究了聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）/柴油混合燃料對柴油機顆粒物排放及DPF捕集特性，研究表明，PODE的加入使得柴油機PM的排放量減少，DPF對PM的捕集效果也有一定程度的減弱，但總的捕集效率仍能夠保持在95%以上，對DPF的正常使用無太大影響。沈穎剛等[9]的研究表明，適當的PODE的摻入能在一定程度上延長催化型柴油機顆粒捕集器（catalytic diesel particular filter，CDPF）再生周期，同時保證CDPF的轉化效率。張宗喜[10]研究了DPF/NTP的協同作用下DPF的捕集特性，研究指出，在不改變柴油機參數和DPF結構的前提下，在DPF中加入催化劑能夠很好地提高DPF的捕集效果。而NTP與DPF的協同作用能夠進一步改善DPF的捕集效果，這是因為NTP中的活性成分能夠使DPF在低溫條件下再生，從而NTP與DPF協同作用能更好地達到減排的目的。賈傳德[11]研究了柴油機后加裝DOC+DPF的捕集效果，試驗結果表明，DOC的加入一方面可以使柴油機尾氣中的HC和CO及PM中的可溶性有機物（SOF）被提前氧化氧化，另一方面可以很好地實現DPF的連續再生，增強了DPF對高轉速、大工況下的顆粒物的捕集能力。

已有的研究表明，柴油機微粒捕集器（diesel particular filter，DPF）是目前公認的降低柴油機PM排放的最有效手段[12-13]。DPF最常見的結構為壁流式結構，采用圓柱形堇青石在軸向上形成許多細小的平行通道，每個通道均為只有一端堵塞的通孔結構，相鄰兩個通道封閉端不相鄰。DPF的工作機理正是根據這個結構特點，使流入的尾氣被迫通過過濾壁面流出，而尾氣中的PM也將在此過程中沉積在過濾壁面上，最終達到凈化尾氣的目的。在現行的國六排放標準下，運用DPF降低柴油機顆粒物排放勢在必行。

1? 試驗裝置及方案

本試驗采用YD480Q柴油機，其主要參數如表1所示。圖1為DPF捕集PM的試驗系統示意圖，如圖1所示，DPF捕集PM的試驗系統主要由柴油機、DPF、EEPS3090發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀、稀釋系統及計算機組成。試驗所用DPF直徑Φ144mm，高152mm，安裝于柴油機排氣管上，用于捕集尾氣中的PM;在DPF前后端分別設置采樣點1和采樣點2，在兩采樣點位置安裝管道，柴油機尾氣經稀釋系統稀釋后通入EEPS3090發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，在此對PM的粒徑分布進行測取。試驗時，柴油機恒定轉速為2500r/min，負荷為75%，連續運轉240min。

2? 試驗結果與分析

柴油機尾氣中的PM主要是核態微粒和聚集態微粒。核態微粒主要是由缸內燃燒過程形成的未完全燃燒的碳核、發動機排氣在稀釋冷卻過程中形成的揮發性碳氫化合物以及燃料中含硫化合物和部分金屬化合物成核組成的;聚集態顆粒主要是由燃料或潤滑油不完全氧化形成的碳煙粒子經過碰撞聚集作用，表面吸附凝結的烴類等揮發性物質形成的鏈狀或團絮狀聚集物[14-15]。

圖2為DPF前后端PM的粒徑分布圖，DPF后端取試驗開始后5min時刻和240min時刻，設置EEPS采樣步長為0.1s，對所得數據取平均值作圖2，圖中dN為顆粒物的數量濃度，dp為顆粒物的粒徑。由圖2可見，DPF前端PM分布呈雙峰狀，峰值分別在9nm和120nm附近，而DPF后端均呈3峰狀分布，峰值分別在9nm、32nm、128nm附近。DPF后端與前端對比可以看出，后端顆粒物濃度明顯下降，且聚集態顆粒物下降更為明顯。到240min時，大粒徑的聚集態顆粒物數量幾乎為0，說明DPF對聚集態顆粒物的捕集效果較為顯著。

結合DPF的捕集原理及圖2可知，PM在DPF孔道內沉積會使孔道直徑減小，導致更多的PM被攔截而在孔道內沉積，從而提升了DPF對核態和聚集態顆粒的捕集效率。但值得注意的是，PM的沉積會導致排氣背壓增大，嚴重時影響發動機的正常運行。

3? 試驗結論

①柴油機廢氣經過DPF的捕集后，聚集態顆粒物的濃度顯著降低，說明DPF對聚集態顆粒物的捕集效果較好。而相對于聚集態顆粒物，核態顆粒物的濃度變化較小，說明DPF對核態顆粒物的捕集效果較弱。

②DPF對顆粒物的捕集率隨時間的延長而升高，且對核態顆粒物的捕集效果增長較為顯著，說明DPF對顆粒物尤其是核態顆粒物的捕集并非瞬時性的，需要一定的時間作積累。

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