連續(xù)再生顆粒捕集器對(duì)柴油機(jī)顆粒排放的影響

樓狄明，溫 雅，譚丕強(qiáng)，紀(jì)麗偉

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438）

大量研究表明，柴油機(jī)排放的顆粒存在著不同粒徑，分布集中在10μm 以下［1－2］.這些顆粒能夠穿透肺泡參與血?dú)饨粨Q，其本身含有有毒重金屬元素、多環(huán)芳烴類化合物，可被血液和人體組織吸收，對(duì)人體健康造成危害，同時(shí)也對(duì)大氣環(huán)境造成危害［3］.因此，如何降低發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)顆粒排放對(duì)環(huán)境和人體健康都有很重要的意義.但是，無(wú)論電控高壓燃油噴射系統(tǒng)還是清潔燃料技術(shù)對(duì)柴油機(jī)顆粒排放的降低能力都是有限的，且在減小顆粒質(zhì)量排放的同時(shí)常伴有粒徑小于100nm顆粒數(shù)量的增加［4－5］.因此除了對(duì)顆粒質(zhì)量排放的限制外，歐Ⅴ及歐Ⅵ型式認(rèn)證和生產(chǎn)一致性排放限值還引入了對(duì)顆粒數(shù)量排放的限制.因此為了滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)必須要加裝后處理裝置.

顆粒捕集器（DPF）是公認(rèn)的能大幅降低柴油機(jī)顆粒排放且技術(shù)成熟的后處理裝置［4－7］.本文所使用的連續(xù)再生顆粒捕集器（CR-DPF）［8］由氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）與催化型顆粒捕集器（CDPF）耦合而成.DOC氧化NO得到的NO2比O2氧化性更強(qiáng)，更易于碳粒的低溫燃燒以實(shí)現(xiàn)CDPF的被動(dòng)再生［9］.CDPF載體入口孔道壁面分布的催化劑進(jìn)一步降低碳粒燃燒所需的溫度，試驗(yàn)表明只需在200～300℃的溫度即可實(shí)現(xiàn)微粒捕集器的再生［10］，保證了CRDPF工作的可靠性.此外CDPF前的DOC能將HC，CO等有害物質(zhì)氧化成CO2和H2O，還能同時(shí)脫去顆粒中可溶性有機(jī)成分（SOF）［11－12］.因此 CRDPF被認(rèn)為是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有良好效果的后處理裝置［9－12］.

研究CR-DPF對(duì)顆粒的捕集特性非常重要，特別是對(duì)不同粒徑顆粒的捕集效率.本文對(duì)某高壓共軌柴油機(jī)在不同工況下原機(jī)測(cè)點(diǎn)及CR-DPF前、后測(cè)點(diǎn)的排氣溫度、顆粒數(shù)量濃度分布特征、對(duì)不同粒徑顆粒的捕集效率、總顆粒及核態(tài)和聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度以及核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放顆粒粒徑譜儀（engine exhaust particle sizer，EEPS）顆粒物采集系統(tǒng)的布置以及EEPS采樣點(diǎn)位置.臺(tái)架系統(tǒng)由李斯特內(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司（AVL List GmbH）的PUMA全自動(dòng)試驗(yàn)控制臺(tái)、電力測(cè)功機(jī)以及臺(tái)架輔助設(shè)備構(gòu)成.該系統(tǒng)為電力測(cè)功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)直接耦合，可根據(jù)需要設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)在所需要的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，并實(shí)時(shí)記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

顆粒排放測(cè)試儀采用美國(guó)TSI公司的3090型EEPS.該儀器檢測(cè)粒徑范圍為5.6nm至560nm.瞬態(tài)響應(yīng)優(yōu)越，在0.1s內(nèi)即可獲得一個(gè)完整的顆粒粒徑分布圖譜，并同步輸出32個(gè)粒徑通道的顆粒數(shù)量濃度.

需對(duì)進(jìn)入測(cè)試設(shè)備前的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒進(jìn)行稀釋，采用二級(jí)稀釋，總稀釋體積比為250∶1，稀釋溫度為80℃.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Engine test bench system

1.1 后處理裝置

試驗(yàn)采用后處理裝置是由DOC與CDPF兩部分耦合而成的CR-DPF，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 后處理裝置技術(shù)參數(shù)Tab.1 Specifications of the after-treatments

CDPF為壁流式蜂窩陶瓷載體結(jié)構(gòu)，其兩相鄰孔道中，一個(gè)孔道入口被堵住，另一個(gè)孔道出口被堵住，迫使排氣穿過(guò)壁面，顆粒被捕集在孔道的壁面上.在DOC載體孔道及CDPF載體入口孔道壁面均分布有貴金屬催化劑.

1.2 試驗(yàn)樣機(jī)及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)樣機(jī)為某8.8L排量、電控高壓共軌、廢氣渦輪增壓中冷車用柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示.

表2 試驗(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Specifications of the test engine

試驗(yàn)采用滿足中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)GWKB1.2—2011車用柴油有害物質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)（第5階段）要求的純柴油.試驗(yàn)工況為該發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況，如表3所示，其最大轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速為1 400 r·min－1的4個(gè)不同負(fù)荷點(diǎn)如表4所示.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 排氣溫度和排氣背壓

由表3可知，原機(jī)測(cè)點(diǎn)及CR-DPF前測(cè)點(diǎn)的排氣溫度在800～1 200r·min－1轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均隨轉(zhuǎn)速升高而上升；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 200r·min－1時(shí)，它隨轉(zhuǎn)速升高而下降.安裝CR-DPF后缸內(nèi)廢氣增加，使CR-DPF前測(cè)點(diǎn)的排氣溫度略高于原機(jī)測(cè)點(diǎn)的排氣溫度.800r·min－1時(shí)溫升相對(duì)較低，約為5℃；1 000～2 200r·min－1時(shí)溫升為15～28℃.最大轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速為1 400r·min－1時(shí)原機(jī)測(cè)點(diǎn)及CR-DPF前測(cè)點(diǎn)排氣溫度隨負(fù)荷升高而上升.1 400r·min－1下負(fù)荷特性時(shí)CR-DPF前測(cè)點(diǎn)相對(duì)于原機(jī)測(cè)點(diǎn)的溫升小于外特性，約為2～12℃.排氣溫度的升高會(huì)影響排氣中氧化成分對(duì)顆粒的氧化作用、催化劑的活性以及生成核態(tài)顆粒的均質(zhì)形核作用等，從而影響顆粒數(shù)量濃度粒徑分布.由表4可見(jiàn)，原機(jī)測(cè)點(diǎn)及CR-DPF前測(cè)點(diǎn)的排氣背壓隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的升高而均上升.CR-DPF產(chǎn)生的流動(dòng)阻力使發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓高于原機(jī)，其升幅在0～6kPa范圍內(nèi)，且升幅隨轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的升高而上升.排氣背壓升高會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常的換氣過(guò)程，部分廢氣在排氣背壓的作用下回流到氣缸內(nèi)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率下降，燃燒惡化.

表3 外特性時(shí)排氣溫度及排氣背壓Tab.3 Exhaust temperature and pressure with external characteristic

表4 最大轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速1 400r·min－1時(shí)排氣溫度及排氣背壓Tab.4 Exhaust temperature and pressure at the maximum torque speed 1 400r·min－1

2.2 CR-DPF對(duì)顆粒粒徑數(shù)量濃度的影響

2.2.1 外特性下顆粒數(shù)量濃度粒徑分布

圖2中U0為原機(jī)測(cè)點(diǎn)顆粒數(shù)量濃度，Us，Ds分別為CR-DPF前、后測(cè)點(diǎn)顆粒數(shù)量濃度，R為捕集效率.

由圖2可見(jiàn)，外特性時(shí)U0呈核態(tài)和聚集態(tài)雙峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布，峰值對(duì)應(yīng)的粒徑分別為20nm和60 nm左右，數(shù)量級(jí)為107～108.Us呈三峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布，峰值粒徑分別為10nm，17nm和60nm左右，數(shù)量級(jí)與原機(jī)測(cè)點(diǎn)相同.核態(tài)顆粒數(shù)量濃度在10nm左右出現(xiàn)一個(gè)新峰值是由于排氣溫度高于原機(jī)測(cè)點(diǎn)，不利于氣態(tài)碳?xì)湓谖⒘１砻娴哪Y(jié)，導(dǎo)致此粒徑附近的核態(tài)顆粒數(shù)量濃度增加.外特性時(shí)各轉(zhuǎn)速下Us粒徑小于191nm的顆粒數(shù)量濃度均高于U0.這是由于安裝CR-DPF后發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓增大，廢氣不能順利排出，缸內(nèi)空燃比下降，燃燒惡化導(dǎo)致顆粒增多.但是粒徑在191nm以上的聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度略低于U0.這是由于前測(cè)點(diǎn)排氣溫度高于原機(jī)測(cè)點(diǎn)，有利于排氣中氧化成分對(duì)大粒徑顆粒的氧化作用，使顆粒向小粒徑方向移動(dòng).

Ds呈多峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布，在粒徑10，20和60 nm附近出現(xiàn)顆粒數(shù)量濃度峰值，數(shù)量級(jí)為105～106.與Us相比，Ds顯著下降.各轉(zhuǎn)速下CR-DPF對(duì)粒徑大于15nm顆粒的R始終保持在較高水平，在98.2%～99.9%范圍內(nèi)波動(dòng).但是對(duì)于7～15nm顆粒R相對(duì)較低，原因在于DOC及CDPF涂層表面的催化劑將SO2氧化，促進(jìn)硫酸鹽的生成，而導(dǎo)致小粒徑的顆粒增多.從圖3還可以發(fā)現(xiàn)，在不同轉(zhuǎn)速下，粒徑小于7nm顆粒的R均高于96.1%，這是由于顆粒粒徑很小，CDPF對(duì)顆粒捕集的擴(kuò)散機(jī)理以及催化劑對(duì)SOF的氧化作用占主導(dǎo)作用.

由圖3a可見(jiàn)，總顆粒數(shù)量濃度是核態(tài)和聚集態(tài)顆粒綜合作用的結(jié)果.對(duì)于總顆粒，Us，Ds均隨轉(zhuǎn)速升高而上升，Ds與Us相比顯著下降.R隨轉(zhuǎn)速升高而上升，在各轉(zhuǎn)速下R分別為97.7%，98.1%，98.8%，99.2%，99.2%，99.3%，99.2%，99.3%.這是CDPF對(duì)顆粒捕集的攔截機(jī)理、慣性碰撞機(jī)理、擴(kuò)散機(jī)理等以及DOC和CDPF孔道壁面的催化劑綜合作用的結(jié)果.

通常認(rèn)為核態(tài)顆粒是由燃燒室內(nèi)形成的一次碳粒以及硫酸鹽或HC等均質(zhì)成核形成的二次顆粒.由圖3b可見(jiàn)，對(duì)于核態(tài)顆粒Us，Ds均隨轉(zhuǎn)速升高呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，Ds與Us相比顯著下降.R隨轉(zhuǎn)速變化不大，在800～2 200r·min－1各轉(zhuǎn)速下捕集效率分別為97.9%，98.1%，98.6%，98.8%，98.7%，98.7%，98.7%，98.7%.這是 CDPF對(duì)顆粒捕集的擴(kuò)散機(jī)理以及催化劑對(duì)于SOF的氧化作用的結(jié)果.

聚集態(tài)顆粒數(shù)主要是由柴油或潤(rùn)滑油經(jīng)不完全燃燒而產(chǎn)生的一次碳粒聚積成團(tuán)并凝結(jié)部分HC和硫酸鹽等半揮發(fā)組分形成的.由圖3c可見(jiàn)，對(duì)于聚集態(tài)顆粒Us隨轉(zhuǎn)速升高而上升.這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增加會(huì)使每循環(huán)空燃比下降，每循環(huán)時(shí)間縮短生成的一次碳粒來(lái)不及氧化就被排出發(fā)動(dòng)機(jī).而Ds隨轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯的變化趨勢(shì)，與Us相比顯著下降.R隨轉(zhuǎn)速升高而上升，在各轉(zhuǎn)速下R分別為97.1%，98.1%，99.0%，99.5%，99.6%，99.7%，99.6%，99.8%.

圖2 外特性時(shí)顆粒數(shù)量濃度及捕集效率與粒徑分布的關(guān)系Fig.2 Particle number and reduction ratio weighted size distribution with external characteristic

由以上數(shù)據(jù)可見(jiàn)，外特性各轉(zhuǎn)速下CR-DPF對(duì)聚集態(tài)顆粒的捕集效率均高于核態(tài)顆粒.一方面是由于催化劑的作用：DOC及CDPF孔道表面的催化劑將聚集態(tài)顆粒表面的SOF氧化，使顆粒向小粒徑方向移動(dòng)，促進(jìn)SO2氧化，增加了硫酸鹽的生成量，同時(shí)促進(jìn)排氣中氧化成分對(duì)碳顆粒的氧化作用，不僅使長(zhǎng)碳鏈斷開(kāi)成短碳鏈，還使排氣中碳核心數(shù)量濃度下降，其吸附揮發(fā)性組分的吸附能力下降，導(dǎo)致顆粒均質(zhì)形核作用增強(qiáng).另一方面，雖然聚集態(tài)顆粒粒徑大于核態(tài)顆粒，導(dǎo)致CDPF對(duì)其捕集的擴(kuò)散機(jī)理作用下降，但是同時(shí)慣性碰撞和攔截機(jī)理作用增強(qiáng).

由表5可見(jiàn)，原機(jī)測(cè)點(diǎn)和前測(cè)點(diǎn)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)均隨轉(zhuǎn)速升高而下降.原因在于高轉(zhuǎn)速下碳顆粒的濃度較高，碳煙比表面積增加，對(duì)硫酸和HC等揮發(fā)及半揮發(fā)物質(zhì)的吸附能力上升，因此排氣中核態(tài)顆粒數(shù)量逐漸下降.前測(cè)點(diǎn)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)高于原機(jī)，這是因?yàn)榘惭bCR-DPF后排氣溫度高于原機(jī)，有利于排氣中的氧化成分對(duì)顆粒的氧化作用，使顆粒向小粒徑方向移動(dòng).后測(cè)點(diǎn)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的變化不大.CR-DPF后測(cè)點(diǎn)與前測(cè)點(diǎn)相比核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)有所增加，這與CR-DPF對(duì)聚集態(tài)的捕集效率高于核態(tài)顆粒有關(guān).

2.2.2 負(fù)荷特性下顆粒數(shù)量濃度粒徑分布

圖4中pme為平均有效壓力.由圖4可見(jiàn)，在負(fù)荷特性下，U0呈核態(tài)和聚集態(tài)的雙峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布，峰值數(shù)量級(jí)為106～107.Us呈三峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布，峰值粒徑分別為10，20和45nm左右，數(shù)量級(jí)也與U0相同.和外特性一樣，各負(fù)荷工況下除大粒徑顆粒，Us均高于U0.

圖3 外特性時(shí)顆粒數(shù)量濃度及捕集效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.3 Influence of engine speed on particle number concentration and reduction ratio with external characteristic

表5 外特性時(shí)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)Tab.5 Fraction of nuclei mode particles number concentration with external characteristic

圖4 最大轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速1 400r·min－1時(shí)顆粒數(shù)量濃度及捕集效率與粒徑的關(guān)系Fig.4 Particle number size distribution and reduction ratio weighted at the maximum torque speed 1 400r·min－1

由圖4可見(jiàn)，Ds呈多峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布.在粒徑10，20和60nm附近出現(xiàn)顆粒數(shù)量濃度峰值.與Us相比，Ds顯著下降，峰值數(shù)量級(jí)降至105～106.在各負(fù)荷工況下，該裝置對(duì)小于7nm的顆粒R在94.6%以上；對(duì)于7nm左右的顆粒，R最低，這是由于催化劑的作用導(dǎo)致該粒徑處的顆粒數(shù)量相對(duì)較多；對(duì)粒徑為7～15nm的顆粒，R隨粒徑增大逐漸上升；對(duì)大于15nm的顆粒，R均保持較高水平，在95.9%～99.9%的范圍內(nèi)波動(dòng)，且波動(dòng)幅度比外特性時(shí)大.負(fù)荷特性時(shí)該裝置對(duì)14，34和124nm粒徑附近的顆粒捕集效率最高.

由圖5a可見(jiàn)，對(duì)于總顆粒，Us隨負(fù)荷升高略有上升；Ds隨負(fù)荷升高沒(méi)有明顯變化規(guī)律.在各負(fù)荷工況下 CR-DPF對(duì)總顆粒R分別為96.5%，96.9%，96.6%，97.7%.外特性時(shí)比負(fù)荷特性時(shí)捕集效率高，是因?yàn)榕艢鉁囟入S負(fù)荷升高而上升，催化劑活性增強(qiáng)，有利于NO氧化為NO2，促進(jìn)了碳粒的低溫燃燒［9］.

圖5 最大轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速1 400r·min－1時(shí)顆粒數(shù)量濃度及捕集效率與平均有效壓力的關(guān)系Fig.5 Influence of engine load on particle number concentration and reduction ratio at the maximum torque speed 1 400r·min－1

由圖5b可見(jiàn)對(duì)于核態(tài)顆粒Us與Ds隨負(fù)荷沒(méi)有明顯規(guī)律.在各負(fù)荷工況下R分別為96.5%，96.8%，96.5%，97.7%.由圖5c可見(jiàn)，對(duì)于聚集態(tài)顆粒，Us隨負(fù)荷升高而上升，原因在于隨著負(fù)荷升高每循環(huán)供油量增加，燃空比增加，燃燒向缺氧方向發(fā)展，促進(jìn)了聚集態(tài)顆粒的生成.Ds顯著低于Us，隨負(fù)荷升高呈波動(dòng)增加的趨勢(shì).在各負(fù)荷工況下對(duì)于聚集態(tài)顆粒，R分別為96.5%，97.1%，96.7%，97.8%.同外特性時(shí)一樣，CR-DPF對(duì)聚集態(tài)顆粒的捕集效率略優(yōu)于對(duì)核態(tài)顆粒的.

由表6可見(jiàn)，原機(jī)測(cè)點(diǎn)和前測(cè)點(diǎn)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷的升高而下降.同外特性時(shí)一樣，前測(cè)點(diǎn)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)高于原機(jī).后測(cè)點(diǎn)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)也隨負(fù)荷升高而下降.CR-DPF后測(cè)點(diǎn)與前測(cè)點(diǎn)相比核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)有所增加，這是由于CR-DPF對(duì)聚集態(tài)的捕集效率高于核態(tài)顆粒造成的.

表6 最大轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速1 400r·min－1時(shí)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)Tab.6 Fraction of nuclei mode particles number concentration at the maximum torque speed 1 400r·min－1

3 結(jié)論

（1）CR-DPF的安裝改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣狀態(tài)，使得前測(cè)點(diǎn)排氣溫度高于原機(jī)測(cè)點(diǎn)的排氣溫度.負(fù)荷特性時(shí)前測(cè)點(diǎn)相對(duì)于原機(jī)測(cè)點(diǎn)的溫升為2～12℃，小于外特性的溫升.

（2）燃用滿足車用柴油有害物質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)（第5階段）柴油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)測(cè)點(diǎn)顆粒數(shù)量濃度呈雙峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布.安裝CR-DPF后，前測(cè)點(diǎn)顆粒數(shù)量濃度呈三峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布，后測(cè)點(diǎn)的則呈多峰對(duì)數(shù)正態(tài)分布.

（3）在安裝CR-DPF后，由于排氣背壓升高，其前測(cè)點(diǎn)粒徑小于191nm顆粒的數(shù)量濃度均高于原機(jī)測(cè)點(diǎn).但是由于排氣溫度升高，氧化作用增強(qiáng)，大粒徑顆粒的數(shù)量濃度略低于原機(jī)測(cè)點(diǎn).前測(cè)點(diǎn)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)高于原機(jī)測(cè)點(diǎn)，但對(duì)最終排入大氣中的顆粒分布影響不大.

（4）CR-DPF對(duì)柴油機(jī)排放顆粒的數(shù)量濃度具有顯著的降低作用.外特性時(shí)其對(duì)總顆粒的捕集效率為97.7%～99.3%；轉(zhuǎn)速為1 400r·min－1情況下負(fù)荷特性時(shí)該值相對(duì)較低，為96.5%～97.7%.

（5）CR-DPF對(duì)于顆粒的捕集效率受到顆粒粒徑的影響.由于催化劑的作用，對(duì)于7～15nm粒徑顆粒的捕集效率相對(duì)較低.而對(duì)于其他粒徑顆粒，其捕集效率保持在89.5%以上.無(wú)論在外特性還是負(fù)荷特性下，CR-DPF對(duì)聚集態(tài)顆粒的捕集效果均優(yōu)于核態(tài)顆粒，使后測(cè)點(diǎn)核態(tài)顆粒數(shù)量濃度分?jǐn)?shù)高于前測(cè)點(diǎn).

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