氧化催化型后處理裝置影響柴油機(jī)顆粒物排放的試驗(yàn)研究*

鄭 燁 李新令 許 朕 喬信起 黃 震

（上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200240）

引言

隨著柴油機(jī)顆粒排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，各種顆粒凈化技術(shù)在柴油機(jī)的排放控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，DPF被普遍認(rèn)為是去除效率最高的顆粒捕集裝置，因此具有最大的市場(chǎng)占有率。然而，DPF由于自身壁流式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，容易被截留在內(nèi)部的顆粒堵塞氣路，引起排氣背壓的升高，造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化、油耗升高，因此DPF必須定期進(jìn)行再生[1]。POC作為一種折中的技術(shù)裝置，盡管去除效率不如DPF，但它能較好地解決排氣背壓升高過快的問題，降低裝置的再生頻率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性[2-5]。本文分別比較了不同氧化催化型后處理凈化裝置（DOC、POC和DPF）在不同工況條件下對(duì)常規(guī)氣體排放以及顆粒的去除轉(zhuǎn)化效率，為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)顆粒物的達(dá)標(biāo)排放提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和顆粒稀釋系統(tǒng)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)四缸、廢氣渦輪增壓、高壓共軌直噴式柴油機(jī)作為原型機(jī)，進(jìn)行了一系列的結(jié)構(gòu)調(diào)整和改造。該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特征參數(shù)如表1所示，本試驗(yàn)所用燃油為市售國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)的0#柴油，其中硫含量為47 mg/kg。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上安排了3個(gè)采樣點(diǎn)，第一個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置在距離發(fā)動(dòng)機(jī)排氣道出口近1 m處，用以連接兩級(jí)稀釋系統(tǒng)，后2個(gè)采樣點(diǎn)則分別用于連接氣體分析儀和煙度計(jì)。稀釋通道與排氣管的連接管道通過電加熱溫度控制在190°C，以避免揮發(fā)性碳?xì)涑煞衷谶B接管壁面上凝結(jié)，兩級(jí)稀釋通道稀釋溫度設(shè)置為室溫。在二級(jí)稀釋通道末端設(shè)置一出氣口用于連接顆粒分析儀器——SMPS，進(jìn)行顆粒粒徑分布測(cè)試。兩級(jí)稀釋通道的顆粒采樣口均安裝了溫度傳感器，以檢測(cè)濾膜采樣器和SMPS的入口溫度，同時(shí)，利用氣體分析儀分別測(cè)定排氣、一級(jí)稀釋、二級(jí)稀釋管路內(nèi)和空氣背景中的CO2濃度，用以計(jì)算各級(jí)稀釋比。在本次試驗(yàn)中，由于不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況，兩級(jí)稀釋通道的總稀釋比在67.5～89.6之間變化。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)用DOC、POC和DPF裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，其中DOC、POC和DPF載體結(jié)構(gòu)分別為流通型、半流通型和壁流式結(jié)構(gòu)，其中DOC為金屬載體，DPF為堇青石材料，POC為金屬泡沫載體，內(nèi)部集成了DOC功能，氣流以中心向四周輻射的流動(dòng)方式。

表2 各顆粒捕集裝置的結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 試驗(yàn)工況

在不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷水平下考察了各顆粒捕集裝置的凈化效率，選擇在1 450 r/min和1 820 r/min 2個(gè)轉(zhuǎn)速下依次對(duì)5%、25%、50%和75%的負(fù)荷水平進(jìn)行了測(cè)試，采用單次噴油，噴油時(shí)刻固定在0°CA ATDC，噴油壓力為80 MPa。在不同工況條件下分別比較各裝置對(duì)油耗、壓降、氣體、煙度和顆粒排放等的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 油耗和壓降

圖1為2 h活化階段結(jié)束后不同顆粒捕集裝置對(duì)于各工況條件下油耗和壓差的影響情況。如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)裝備了顆粒捕集裝置后，油耗相較于原機(jī)（未配備任何裝置，w/o Device）均略有上升，總體上呈現(xiàn)DPF>POC>DOC>w/o Device的變化規(guī)律，這是由于不同裝置帶來的額外壓差（排氣壓力損失）引起的。如圖1所示，在相同負(fù)荷下裝置兩端的壓差以DPF>POC>DOC>w/o Device的順序遞減。壓差越大表明裝置內(nèi)的氣流阻力越大，發(fā)動(dòng)機(jī)需要額外地做功以補(bǔ)償這部分的排氣損失，從而導(dǎo)致油耗量的增加。此外，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該部分壓差隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的提高逐漸上升。這是由于負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的提高增加了單位時(shí)間內(nèi)的排氣量，對(duì)于工作容積一定的顆粒捕集裝置，排氣處理量的增加將導(dǎo)致其流動(dòng)阻力升高，流通性變差。相對(duì)于壁流式的DPF，流通式、半流通式的裝置結(jié)構(gòu)能有效地降低排氣阻力，從試驗(yàn)結(jié)果來看，POC和DOC兩端的壓差僅在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷工況下才有所上升，而在低負(fù)荷工況下，排氣阻力能始終維持在較低的水平。

2.2 氣體和煙度排放

圖2、圖3分別為各裝置在不同工況下的CO、HC、煙度、NOx和NO/NO2測(cè)試結(jié)果。對(duì)比各裝置的CO和HC排放結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試工況范圍內(nèi)，DPF能實(shí)現(xiàn)對(duì)CO和HC的“近零”排放，DOC和POC也僅在5%的負(fù)荷水平下對(duì)CO去除效率較低，而3種裝置對(duì)HC的去除效率在整個(gè)工況范圍內(nèi)都能維持在較高的水平。由于測(cè)試的顆粒捕集裝置內(nèi)均涂覆有Pt催化劑，有助于排氣中的CO和HC再被氧化去除[6]。

圖1 不同工況下各裝置對(duì)比油耗和裝置前后端壓差的影響

圖2 各后處理裝置在不同工況條件下的CO和煙度排放值

圖3 各后處理裝置在不同工況條件下的NOx和NO/NO2的變化情況

對(duì)于DOC、POC而言，由于排氣在裝置內(nèi)的停留時(shí)間較短，因而在低負(fù)荷下CO的轉(zhuǎn)化缺乏足夠的反應(yīng)速度和反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致效率下降，而DPF由于壁流式的結(jié)構(gòu)，既保證了排氣在裝置內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間，也增強(qiáng)了壁面對(duì)CO等氣體的吸附效果，因此能始終對(duì)CO保持較高的去除效率。而當(dāng)負(fù)荷進(jìn)一步升高（達(dá)到50%和75%），POC出口的CO濃度略有增加。這可能是由于當(dāng)排氣溫度上升達(dá)到400℃后，沉積在POC裝置內(nèi)的顆粒開始發(fā)生“被動(dòng)”再生，出現(xiàn)了如下的反應(yīng)[5，7]：

因此部分CO可能經(jīng)由反應(yīng)R1和R3產(chǎn)生后隨著排氣被帶出裝置，導(dǎo)致CO排放濃度略有升高。

對(duì)于各工況的煙度水平而言，3種裝置對(duì)于碳煙顆粒的去除效果差別明顯。傳統(tǒng)的DOC技術(shù)對(duì)于排氣煙度的降低效果不甚理想。這是由于煙度水平與排氣顆粒中的碳煙（Soot）濃度直接相關(guān)，由于DOC對(duì)于顆粒的去除主要以降低顆粒中的SOF組分來實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于顆粒Soot部分的凈化效果有限。

從NOx的排放結(jié)果來看，發(fā)動(dòng)機(jī)在裝備后處理裝置以后，NOx排放量均略高于原機(jī)，而在3種裝置之中，DPF對(duì)NOx排放量的提升效果又相對(duì)較強(qiáng)。這可能是由于在相同工況下，各裝置使循環(huán)噴油量增加，從而有助于提高缸內(nèi)的燃燒溫度，導(dǎo)致NOx生成量的增加。各裝置對(duì)于NO/NO2比例的影響作用更為顯著。從原機(jī)的結(jié)果來看，NO/NO2比值較大，排氣中的NOx主要以NO的形式存在，且該比值隨著負(fù)荷的增加而上升。Shudo等人[8]認(rèn)為在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)NO向NO2的轉(zhuǎn)化主要通過如下反應(yīng)進(jìn)行：

其中HO2作為燃燒過程的一種中間產(chǎn)物，其生成量與缸內(nèi)的氧氣含量呈正相關(guān)，因此隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)氧濃度逐漸下降，從而減少了HO2的生成量，使NO向NO2轉(zhuǎn)化的效率降低，NO/NO2比值上升。而當(dāng)排氣系統(tǒng)引入顆粒捕集裝置后，排氣中的NO容易在催化劑的作用下經(jīng)反應(yīng)R6被氧化成NO2，從而使NO2/NO比值進(jìn)一步升高。

2.3 顆粒去除效率

分別在不同工況下對(duì)各裝置下游的顆粒粒徑分布進(jìn)行了測(cè)定。如圖4所示，DPF在測(cè)試工況范圍內(nèi)始終保持對(duì)顆粒的高效去除，對(duì)顆?？傮w的質(zhì)量和數(shù)量去除率均達(dá)到99%以上。而從表3中可以發(fā)現(xiàn)，除1 820 r/min、5%負(fù)荷率的工況外，DOC對(duì)于積聚態(tài)顆粒數(shù)量的去除效率僅維持在10%～30%的水平，因而其對(duì)顆粒質(zhì)量的去除率也較低。而POC對(duì)于積聚態(tài)顆粒數(shù)量的去除效率可達(dá)到60%～75%，而對(duì)于顆?？傮w質(zhì)量的平均去除率可達(dá)到66%。同時(shí)，DOC和POC對(duì)于核模態(tài)顆粒的去除效率受工況變化的影響較大，隨著負(fù)荷的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

圖4 不同工況條件下各裝置下游的顆粒粒徑分布比較

表3 各測(cè)試條件相應(yīng)的顆粒數(shù)量和質(zhì)量去除效率

從表3中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷水平提高，DOC對(duì)于核模態(tài)顆粒的去除率尤為顯著，在1450 r/min、75%負(fù)荷率的工況下甚至出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)。造成這一現(xiàn)象的原因除了以上因素的影響外，裝置內(nèi)部在高溫下進(jìn)行的化學(xué)轉(zhuǎn)化也可能發(fā)揮了重要的作用。Kittelson等人[9]認(rèn)為隨著負(fù)荷的增加，在低負(fù)荷狀態(tài)下排氣中的部分硫分在裝置的催化劑涂層內(nèi)被存儲(chǔ)下來，而隨著排氣溫度的升高，這部分先前存儲(chǔ)下來的硫分開始以SO2的形式進(jìn)行釋放，并在裝置內(nèi)先經(jīng)過氧化形成SO3，再與排氣中的H2O結(jié)合形成H2SO4，從而為VOF提供了更多的成核核心，導(dǎo)致出口的核模態(tài)顆粒濃度反而有所增加。

3 結(jié)論

1）單獨(dú)使用DOC僅能實(shí)現(xiàn)10%～20%顆粒質(zhì)量去除率，且對(duì)顆粒數(shù)量去除同樣不十分顯著，某些高負(fù)荷工況下，由于尾氣中SO2的催化氧化會(huì)產(chǎn)生SO3組分，從而在排氣稀釋過程中發(fā)生均相成核作用，引起核模態(tài)粒子（＜50 nm）排放增加。

2）DOC結(jié)合POC能夠?qū)崿F(xiàn)核模態(tài)粒子和積聚模態(tài)粒子的有效去除，核模態(tài)粒子去除率達(dá)到80%～95%，而積聚模態(tài)的去除率為60%～76%，總顆粒質(zhì)量去除率達(dá)到65%～75%。

3）DPF能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒高效去除，顆粒數(shù)量和質(zhì)量去除率均達(dá)到99%以上，DPF會(huì)引起尾氣NO2的升高，需要進(jìn)一步將NO2消耗去除。