賈傳德，李貴麒，張強(qiáng)，李寧

DOC+DPF對(duì)柴油機(jī)顆粒物排放特性的影響研究*

賈傳德，李貴麒，張強(qiáng)，李寧

（廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 崇左 532200）

以某型高壓共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象，研究試驗(yàn)樣機(jī)加裝DOC＋DPF 后處理裝置對(duì)其顆粒排放特性的影響。結(jié)果表明：試驗(yàn)樣機(jī)連接DOC＋DPF后，顆粒物排放顯著降低，在中高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)化率平均在97%以上；在中低轉(zhuǎn)速DOC+DPF對(duì)積聚態(tài)顆粒凈化效率高于核模態(tài)顆粒，在1030rpm下，顆粒物總數(shù)量下降89%，總質(zhì)量下降33%；在1200rpm下，顆粒物總數(shù)量下降96%，總質(zhì)量下降77%。在1030rpm和1600rpm除了70%負(fù)荷外，DOC+DPF前的NO2/NOX比值都高于DOC+DPF后的，DOC+DPF后的NO2/NOX比值隨負(fù)荷增加先減小后增加。

DOC+DPF；顆粒排放；數(shù)量濃度；NO2/NOX

引言

柴油機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性方面具有突出優(yōu)勢(shì)，但隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)NOX和PM排放問題一直是控制的難點(diǎn)。從國(guó)Ⅳ排放法規(guī)以后，重型柴油車僅僅通過缸內(nèi)凈化技術(shù)難以滿足法規(guī)要求，后處理裝置成了柴油車不可或缺的一部分[1]。在重型柴油機(jī)國(guó)六和歐六排放法規(guī)中對(duì)PM和PN都做出了明確的限值規(guī)定。非道路移動(dòng)機(jī)械國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)于2020年12月1日正式實(shí)施，對(duì)微粒排放也做出了具體限制。

DOC與DPF聯(lián)用可以實(shí)現(xiàn)DPF被動(dòng)連續(xù)再生，由于其結(jié)構(gòu)緊湊，又不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)并且在降低顆粒排放方面效果明顯，成為微粒排放控制的重要技術(shù)路徑。李磊研究DOC和DPF在顆粒氧化過程中的微觀特性[2]，沈穎剛通過臺(tái)架試驗(yàn)研究了DOC+DPF前后尾氣排放特性和再生性能穩(wěn)定性，及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響評(píng)價(jià)[3]，方奕棟研究燃用混合燃料時(shí)，DOC＋DPF 后處理裝置對(duì)其排氣顆粒理化特性的影響[4]，樓狄明對(duì)柴油公交車安裝DOC、DOC+ CDPF前后氣態(tài)物的排放特性進(jìn)行研究，探尋兩種后處理裝置對(duì)柴油機(jī)氣態(tài)物排放的影響[5]。本文通過對(duì)一臺(tái)CA6DF3型號(hào)高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，研究DOC+DPF對(duì)微粒排放特性的影響。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理裝置參數(shù)見下表1和表2。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 后處理器參數(shù)

表2 試驗(yàn)后處理器參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如圖1所示，排氣測(cè)試系統(tǒng)采用奧地利AVL公司生產(chǎn)的AMA4000排氣分析儀，可以同時(shí)測(cè)量HC、CO、NOX和CO2等多種氣體成分。排氣顆粒物數(shù)量濃度分布采用芬蘭Detaki公司的ELPI（低壓靜電沖擊式采樣器）進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)分別測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，1030rpm，1200rpm，1400 rpm，1600rpm，1800rpm和2000rpm不同負(fù)荷下常規(guī)污染物以及顆粒物排放，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理與分析。

圖1 柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 顆粒物粒徑分布

圖2是不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，DOC+DPF前后顆粒物數(shù)量濃度粒徑分布圖，DOC+DPF前顆粒物數(shù)量濃度粒徑分布基本呈單峰正態(tài)分布。在同一轉(zhuǎn)速下，DOC+DPF前顆粒物數(shù)量濃度峰值隨負(fù)荷增加而增大，顆粒物數(shù)量濃度峰值對(duì)應(yīng)的粒徑隨負(fù)荷增加而增大。因?yàn)殡S著負(fù)荷增加，循環(huán)噴油量增加，空燃比變小，燃料燃燒不充分，造成顆粒物生成量增加，尤其是大直徑顆粒的數(shù)量增加[6]。

在1030rpm，DOC+DPF前顆粒物數(shù)量濃度峰值粒徑出現(xiàn)在75nm附近，峰值數(shù)量濃度為106，且峰值數(shù)量濃度隨負(fù)荷增加而增大。負(fù)荷為30%，轉(zhuǎn)速為1030rpm、1400rpm、1800rpm時(shí)，顆粒物數(shù)量濃度峰值數(shù)量級(jí)分別為106、107、108，即負(fù)荷相同轉(zhuǎn)速增加時(shí)，DOC+DPF前顆粒物數(shù)量濃度增加，峰值粒徑基本相同為70-80nm。

不同負(fù)荷下顆粒物數(shù)量濃度經(jīng)過DOC+DPF后都有明顯降低，DOC+DPF前的顆粒多為積聚態(tài)，經(jīng)DOC+DPF后顆粒物多為核模態(tài)。在1030rpm，DOC+DPF后顆粒物數(shù)量濃度峰值的粒徑約為40nm，峰值數(shù)量濃度為105。這說明在該轉(zhuǎn)速DOC+DPF對(duì)大粒徑積聚態(tài)顆粒的凈化效果比核模態(tài)顆粒明顯。主要是因?yàn)榉e聚態(tài)顆粒物中的有機(jī)成分被DOC（氧化催化器）所氧化，使顆粒物粒徑變??；另外在DOC中部分NO被氧化生成NO2，NO2對(duì)顆粒物也具有氧化顆粒的作用，使顆粒物粒徑變小。尾氣經(jīng)過顆粒捕集器中，顆粒捕集器對(duì)大粒徑顆粒物的捕集效率更高，從而對(duì)大粒徑積聚態(tài)顆粒產(chǎn)生較好的凈化效果。

2.2 數(shù)量濃度

圖3是不同工況下DOC+DPF前后顆?？倲?shù)量濃度的對(duì)比情況，顆粒的總數(shù)量濃度是將粒徑分布曲線對(duì)粒徑進(jìn)行積分得到的。從圖3中可以看出：除1400rpm轉(zhuǎn)速外，對(duì)比各轉(zhuǎn)速顆粒物數(shù)量濃度整體呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速升高而增大，同一轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷增加數(shù)量濃度無明顯規(guī)律。原排顆粒數(shù)量濃度最大的工況是1400rpm轉(zhuǎn)速，50%負(fù)荷，顆粒物濃度值約為1.8×108/cm3。

圖3 不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷DOC+DPF前后顆?？倲?shù)量濃度

在各個(gè)不同的工況下，顆粒物的數(shù)量濃度經(jīng)過DOC+ DPF系統(tǒng)處理后明顯降低，在1030rpm、1200rpm、1400rpm、1600rpm、1800rpm五個(gè)轉(zhuǎn)速下顆粒物數(shù)量的平均凈化效率分別約為89%、96%、97%、99.5%、99.5%，在1600rpm和1800rpm下，DOC+DPF后顆粒物數(shù)量基本實(shí)現(xiàn)完全凈化。即在中高轉(zhuǎn)速區(qū)域，DOC+DPF對(duì)顆粒物數(shù)量的凈化效率更好，主要是因?yàn)殡S轉(zhuǎn)速增加燃燒生成的積聚態(tài)顆粒物占比高，積聚態(tài)顆粒物易于被DPF捕集[2]。同時(shí)轉(zhuǎn)速增加，排溫升高，高溫有利于DPF再生[4]。

2.3 質(zhì)量濃度

如圖4是不同工況下DOC+DPF前后顆?？傎|(zhì)量濃度的對(duì)比情況，從圖中可以得出，原排中除1400rpm外，總體呈現(xiàn)出顆粒物的質(zhì)量濃度隨轉(zhuǎn)速升高而增加。在同一轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷增加顆粒物的質(zhì)量濃度增加。這是因?yàn)殡S轉(zhuǎn)速增加，柴油機(jī)負(fù)荷加大，噴油量增加，空燃比降低，燃燒不充分，產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量也提高。怠速工況質(zhì)量濃度也較高，是因?yàn)榈∷贂r(shí)空燃比低，溫度低，顆粒物生成多。排氣經(jīng)過DOC + DPF后顆粒物質(zhì)量明顯降低，在怠速1030rpm、1200rpm、1400rpm、1600rpm、1800rpm轉(zhuǎn)速的顆粒物質(zhì)量減排率分別約為38%、33%、77%、96%、98%、97%，可見在中高轉(zhuǎn)速顆粒物質(zhì)量減排效果更佳。

2.4 DOC+DPF前后NO2/NOX排放特性

圖5中工況點(diǎn)1-7分別代表10%-70%負(fù)荷，NO2/NOX表示的是排氣中NO2與NOX的體積百分濃度比。從圖5可以看出DOC+DPF前的NO2/NOX比值隨負(fù)荷增加而減小，是因?yàn)镈OC+DPF前NO2排放是原排，主要與柴油機(jī)燃燒規(guī)律和NO2的生成機(jī)理有關(guān)，由于柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷時(shí)燃燒室內(nèi)存在很多低溫區(qū)域，燃燒生成NO2被冷流體淬冷的區(qū)域狠大，NO2被保留下來，因此在小負(fù)荷時(shí)NO2/NOX比值較高，隨負(fù)荷增加該比值下降。

圖5 DOC+DPF前后NO2/NOX 排放特性

根據(jù)圖5，還可以看出DOC+DPF后的NO2/NOX比值隨負(fù)荷增加先減小后增加。主要是因?yàn)镹O2具有強(qiáng)氧化性，根據(jù)前期研究，尾氣中的NO在氧化催化器中被氧化為NO2，與原排中的NO2一起，在DPF中氧化微粒成分，主要發(fā)生NO2+C→CO+NO的反應(yīng)，該反應(yīng)在250℃左右即可進(jìn)行，NO2被消耗，因此DOC+DPF后的NO2/NOX比值降低。但當(dāng)溫度大于400℃，該反應(yīng)化學(xué)平衡趨于產(chǎn)生NO2，不能使DPF微粒起燃，因此隨著負(fù)荷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫增加，DOC+DPF后的NO2/NOX比值開始上升。

在1030rpm轉(zhuǎn)速下，各工況除了70%負(fù)荷外，DOC+DPF前的NO2/NOX比值都高于DOC+DPF后的，即原機(jī)尾氣中的NO2經(jīng)過后處理器DOC+DPF反應(yīng)后，NO2/NOX比值會(huì)降低，轉(zhuǎn)速為1600rpm時(shí)也具有類似的特性。

3 結(jié)論

尾氣經(jīng)過DOC+DPF后顆粒物排放顯著降低，在中高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)化率平均在97%以上；粒徑分布基本仍呈單峰正態(tài)分布，數(shù)量濃度顯著降低；在中低轉(zhuǎn)速DOC+DPF對(duì)積聚態(tài)顆粒凈化效率高于核模態(tài)顆粒。

在1030rpm下，顆粒物總數(shù)量下降89%，總質(zhì)量下降33%；在1200rpm下，顆粒物總數(shù)量下降96%，總質(zhì)量下降77%；其余工況，總質(zhì)量與總數(shù)量均下降96%以上。

除了70%負(fù)荷外，DOC+DPF前的NO2/NOX比值都高于DOC+DPF后的，DOC+DPF后的NO2/NOX比值隨負(fù)荷增加先減小后增加。

[1] 帥石金,劉世宇,馬驍,張俊,王國(guó)仰,果澤先,蔡開源,肖建華.重型柴油車滿足近零排放法規(guī)的技術(shù)分析[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào), 2019,10(01):16-31.

[2] 李磊.DOC與DPF對(duì)柴油機(jī)排放顆粒微觀特性影響的研究[D].河南科技大學(xué),2014.

[3] 沈穎剛,廖憑皓,陳春林,彭益源,向亦華,陳貴升.柴油機(jī)加裝柴油機(jī)氧化催化器和催化型顆粒捕集器裝置性能評(píng)定試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2020,41(04):17-26.

[4] 方奕棟,樓狄明,胡志遠(yuǎn),譚丕強(qiáng).DOC+DPF對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒理化特性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2016, 34(02):142-146.

[5] 樓狄明,劉影,譚丕強(qiáng),胡志遠(yuǎn).DOC/DOC+CDPF對(duì)重型柴油車氣態(tài)物排放的影響[J].汽車技術(shù),2016(10):22-26.

[6] 李新令,黃震,王嘉松,吳君華.柴油機(jī)排氣顆粒濃度和粒徑分布特征試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2007(02):113-117.

The Effect of DOC + DPF on the Emission Characteristics of Diesel Particulate Matter*

Jia Chuande, Li Guiqi, Zhang Qiang, Li Ning

（Guangxi Polytechnic Vocational Institute of Technical, Guangxi Chongzuo 532200）

A high pressure common rail diesel engine was studied, the effects of a DOC+DPF on the particulate emission characteristics of a pilot plant were investigated. The results showed that the particulate matter emission was significantly reduced when DOC + DPF was connected to the test prototype, and the average conversion was above 97% at medium and high rotating speeds, and the purification efficiency of the accumulated particulate matter by DOC+DPF at medium and low rotating speeds was higher than that by nuclear modal particles at 1030 rpm, the total quantity of particles decreased by 89% and the total mass decreased by 33%, at 1200rpm, the total quantity of particles decreased by 96% and the total mass decreased by 77%. At 1030 rpm and 1600 rpm, except for 70% load, the NO2/NOXratio before DOC+DPF was higher than that after DOC+DPF. The NO2/NOXratio after DOC+DPF decreased first and then increased with the increase of load.

DOC+DPF; Particulate emissions; Quantity concentration; NO2/NOX

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.038

U473.9

A

1671-7988(2021)03-125-04

U473.9

A

1671-7988(2021)03-125-04

賈傳德（1987-），男，碩士，講師，研究方向：柴油機(jī)燃燒與排放控制技術(shù)。

2018年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“用流體仿真方法研究DOC+DPF技術(shù)對(duì)柴油機(jī)微粒排放的影響 ”（項(xiàng)目編號(hào)2018KY1233）。