DOC+DPF對柴油機顆粒物排放特性的影響研究*

賈傳德，李貴麒，張強，李寧

DOC+DPF對柴油機顆粒物排放特性的影響研究*

賈傳德，李貴麒，張強，李寧

（廣西理工職業(yè)技術學院，廣西 崇左 532200）

以某型高壓共軌柴油機為研究對象，研究試驗樣機加裝DOC＋DPF 后處理裝置對其顆粒排放特性的影響。結果表明：試驗樣機連接DOC＋DPF后，顆粒物排放顯著降低，在中高轉速下，轉化率平均在97%以上；在中低轉速DOC+DPF對積聚態(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%，總質量下降33%；在1200rpm下，顆粒物總數(shù)量下降96%，總質量下降77%。在1030rpm和1600rpm除了70%負荷外，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

柴油機在動力性、經(jīng)濟性方面具有突出優(yōu)勢，但隨著排放法規(guī)的日益嚴格，柴油機NOX和PM排放問題一直是控制的難點。從國Ⅳ排放法規(guī)以后，重型柴油車僅僅通過缸內凈化技術難以滿足法規(guī)要求，后處理裝置成了柴油車不可或缺的一部分[1]。在重型柴油機國六和歐六排放法規(guī)中對PM和PN都做出了明確的限值規(guī)定。非道路移動機械國四排放標準于2020年12月1日正式實施，對微粒排放也做出了具體限制。

DOC與DPF聯(lián)用可以實現(xiàn)DPF被動連續(xù)再生，由于其結構緊湊，又不需要復雜的控制系統(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]，沈穎剛通過臺架試驗研究了DOC+DPF前后尾氣排放特性和再生性能穩(wěn)定性，及對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性的影響評價[3]，方奕棟研究燃用混合燃料時，DOC＋DPF 后處理裝置對其排氣顆粒理化特性的影響[4]，樓狄明對柴油公交車安裝DOC、DOC+ CDPF前后氣態(tài)物的排放特性進行研究，探尋兩種后處理裝置對柴油機氣態(tài)物排放的影響[5]。本文通過對一臺CA6DF3型號高壓共軌柴油機進行臺架試驗，研究DOC+DPF對微粒排放特性的影響。

1 試驗裝置及試驗方法

本試驗所采用的發(fā)動機及后處理裝置參數(shù)見下表1和表2。

1.1 發(fā)動機參數(shù)

表1 試驗發(fā)動機參數(shù)

1.2 后處理器參數(shù)

表2 試驗后處理器參數(shù)

1.3 試驗方案

試驗方案如圖1所示，排氣測試系統(tǒng)采用奧地利AVL公司生產的AMA4000排氣分析儀，可以同時測量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）進行測量。試驗分別測試了發(fā)動機怠速，1030rpm，1200rpm，1400 rpm，1600rpm，1800rpm和2000rpm不同負荷下常規(guī)污染物以及顆粒物排放，并對測試結果進行處理與分析。

圖1 柴油機臺架試驗系統(tǒng)示意圖

2 結果分析

2.1 顆粒物粒徑分布

圖2是不同轉速和負荷下，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。在同一轉速下，DOC+DPF前顆粒物數(shù)量濃度峰值隨負荷增加而增大，顆粒物數(shù)量濃度峰值對應的粒徑隨負荷增加而增大。因為隨著負荷增加，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)量濃度隨負荷增加而增大。負荷為30%，轉速為1030rpm、1400rpm、1800rpm時，顆粒物數(shù)量濃度峰值數(shù)量級分別為106、107、108，即負荷相同轉速增加時，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。這說明在該轉速DOC+DPF對大粒徑積聚態(tài)顆粒的凈化效果比核模態(tài)顆粒明顯。主要是因為積聚態(tài)顆粒物中的有機成分被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，顆粒捕集器對大粒徑顆粒物的捕集效率更高，從而對大粒徑積聚態(tài)顆粒產生較好的凈化效果。

2.2 數(shù)量濃度

圖3是不同工況下DOC+DPF前后顆?？倲?shù)量濃度的對比情況，顆粒的總數(shù)量濃度是將粒徑分布曲線對粒徑進行積分得到的。從圖3中可以看出：除1400rpm轉速外，對比各轉速顆粒物數(shù)量濃度整體呈現(xiàn)隨轉速升高而增大，同一轉速下，隨負荷增加數(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轉速，50%負荷，顆粒物濃度值約為1.8×108/cm3。

圖3 不同轉速和負荷DOC+DPF前后顆?？倲?shù)量濃度

在各個不同的工況下，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五個轉速下顆粒物數(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)量基本實現(xiàn)完全凈化。即在中高轉速區(qū)域，DOC+DPF對顆粒物數(shù)量的凈化效率更好，主要是因為隨轉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]。同時轉速增加，排溫升高，高溫有利于DPF再生[4]。

2.3 質量濃度

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

2.4 DOC+DPF前后NO2/NOX排放特性

圖5中工況點1-7分別代表10%-70%負荷，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比值隨負荷增加而減小，是因為DOC+DPF前NO2排放是原排，主要與柴油機燃燒規(guī)律和NO2的生成機理有關，由于柴油機在低轉速小負荷時燃燒室內存在很多低溫區(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，因此在小負荷時NO2/NOX比值較高，隨負荷增加該比值下降。

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比值隨負荷增加先減小后增加。主要是因為NO2具有強氧化性，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，該反應在250℃左右即可進行，NO2被消耗，因此DOC+DPF后的NO2/NOX比值降低。但當溫度大于400℃，該反應化學平衡趨于產生NO2，不能使DPF微粒起燃，因此隨著負荷增加，發(fā)動機排溫增加，DOC+DPF后的NO2/NOX比值開始上升。

在1030rpm轉速下，各工況除了70%負荷外，DOC+DPF前的NO2/NOX比值都高于DOC+DPF后的，即原機尾氣中的NO2經(jīng)過后處理器DOC+DPF反應后，NO2/NOX比值會降低，轉速為1600rpm時也具有類似的特性。

3 結論

尾氣經(jīng)過DOC+DPF后顆粒物排放顯著降低，在中高轉速下，轉化率平均在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；在中低轉速DOC+DPF對積聚態(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%，總質量下降33%；在1200rpm下，顆粒物總數(shù)量下降96%，總質量下降77%；其余工況，總質量與總數(shù)量均下降96%以上。

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

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

[2] 李磊.DOC與DPF對柴油機排放顆粒微觀特性影響的研究[D].河南科技大學,2014.

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

[4] 方奕棟,樓狄明,胡志遠,譚丕強.DOC+DPF對生物柴油發(fā)動機排氣顆粒理化特性的影響[J].內燃機學報,2016, 34(02):142-146.

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

[6] 李新令,黃震,王嘉松,吳君華.柴油機排氣顆粒濃度和粒徑分布特征試驗研究[J].內燃機學報,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

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1671-7988(2021)03-125-04

賈傳德（1987-），男，碩士，講師，研究方向：柴油機燃燒與排放控制技術。

2018年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目“用流體仿真方法研究DOC+DPF技術對柴油機微粒排放的影響 ”（項目編號2018KY1233）。