柴油機(jī)顆粒捕集器對國六重型柴油機(jī)固態(tài)顆粒物排放的影響

蘇盛

(廈門環(huán)境保護(hù)機(jī)動車污染控制技術(shù)中心，福建 廈門 361023)

0 前言

汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，我國汽車的產(chǎn)銷量持續(xù)大幅增長。2020年最新數(shù)據(jù)顯示，我國汽車保有量已達(dá)到2.81億輛[1]。汽車在為人們生產(chǎn)生活帶來便利的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的大氣污染問題。其中，顆粒物對于環(huán)境和人體的危害尤為突出[2]。近年來，大量研究表明，粒徑越小的顆粒物在人體內(nèi)的沉積率越高[3-5]。

早年間，受阻于分析探測技術(shù)的瓶頸，顆粒物分析儀無法對揮發(fā)態(tài)顆粒物(VPN)及粒徑為23 nm以下的固態(tài)顆粒物(SPN)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，現(xiàn)行排放法規(guī)僅針對粒徑為23 nm以上的SPN(以下簡稱“SPN 23”)進(jìn)行了限制。

隨著探測技術(shù)的迭代升級，最先進(jìn)的顆粒物分析技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)α綖?0 nm以上的SPN(以下簡稱“SPN 10”)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(UNECE)下設(shè)的顆粒測量項(xiàng)目(PMP)工作組早在2011年已經(jīng)開始SPN 10的研究[6]。

近年來，國內(nèi)對于機(jī)動車顆粒物的研究主要集中在SPN 23，對于SPN 10排放的研究較少[7-8]。選取1臺具有代表性的滿足國六排放法規(guī)的柴油機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，使用發(fā)動機(jī)排氣顆粒物粒徑譜儀(EEPS)分析柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)對包括揮發(fā)態(tài)、半揮發(fā)態(tài)、固態(tài)顆粒物在內(nèi)的總顆粒物排放的影響，探究現(xiàn)行DPF技術(shù)對未來SPN 10法規(guī)的有效性。

此外，搭建了現(xiàn)行國六排放法規(guī)允許的SPN稀釋采樣分析系統(tǒng)(以下簡稱“稀采系統(tǒng)”)和PMP工作組推薦的SPN直接采樣分析系統(tǒng)(以下簡稱“直采系統(tǒng)”)，研究DPF再生對SPN 10排放水平的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣車

該試驗(yàn)樣機(jī)排量為1.9 L，功率為75 kW，型式為直列4缸，采用機(jī)內(nèi)廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，后處理裝置配置有柴油機(jī)氧化催化器(DOC)、催化型柴油機(jī)顆粒過濾器(cDPF)、選擇性催化還原(SCR)裝置、氨逃逸催化器(ASC)。該試驗(yàn)樣機(jī)市場保有量大，具有典型代表性。

1.2 顆粒物采樣分析系統(tǒng)

將發(fā)動機(jī)置于底盤測功機(jī)運(yùn)行，使用顆粒物采樣分析系統(tǒng)進(jìn)行顆粒物的采樣及分析。顆粒物采樣分析系統(tǒng)有稀采系統(tǒng)和直采系統(tǒng)兩類。系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

(1)稀采系統(tǒng)是目前中國和歐洲排放法規(guī)推薦的SPN 23采樣分析系統(tǒng)，在全流定容稀釋系統(tǒng)(CVS)的稀釋通道中進(jìn)行混合排氣采集，分析設(shè)備包括：23 nm顆粒物分析儀APC PLUS(以下簡稱“SPN 23CVS”)、10 nm顆粒物分析儀TSI 3792(以下簡稱“SPN 10CVS”)。2套分析儀共用1套揮發(fā)性顆粒去除器(VPR)，該VPR內(nèi)置于SPN 23CVS中，試驗(yàn)采用蒸發(fā)管(ET)法。

(2)直采系統(tǒng)是UNECE下設(shè)的PMP工作組推薦的SPN 10采樣分析系統(tǒng)，在發(fā)動機(jī)后處理尾端直接進(jìn)行排氣采集，分析設(shè)備包括：10 nm顆粒物分析儀APC xApp 10(以下簡稱“SPN 10TP”)、23 nm顆粒物分析儀TSI 3790(以下簡稱“SPN 23TP”)。2套分析儀共用1套VPR，該VPR內(nèi)置于SPN 10TP中，試驗(yàn)采用催化去除(CS)法。

此外，在CVS通道中增加了EEPS，用來分析DPF對與包含揮發(fā)態(tài)、半揮發(fā)態(tài)、固態(tài)顆粒物在內(nèi)的總顆粒物的排放影響。

SPN 23設(shè)備截止粒徑的計(jì)數(shù)率在50%以上，滿足重型柴油機(jī)國六排放法規(guī)要求，SPN 10設(shè)備截止粒徑的計(jì)數(shù)率在65%以上，滿足PMP工作組技術(shù)要求。系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 顆粒物采樣分析系統(tǒng)布置圖

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行國六排放法規(guī)規(guī)定的世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)熱啟動工況，使用EEPS研究DPF對于總顆粒物排放的影響。此外，控制試驗(yàn)樣機(jī)維持穩(wěn)態(tài)工況(轉(zhuǎn)速1 800 r/min、扭矩208 N·m)運(yùn)行以觸發(fā)DPF再生，通過稀采系統(tǒng)和直采系統(tǒng)研究DPF再生對SPN 10排放水平的影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

直采系統(tǒng)、稀采系統(tǒng)的SPN計(jì)算方法參照《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 17691—2018)。

2 結(jié)果與分析

2.1 DPF對顆粒物粒徑分布的影響

使用EEPS測量分析試驗(yàn)樣機(jī)在WHTC熱啟動工況下的瞬時(shí)排放，研究經(jīng)過DPF前后的總顆粒物粒徑分布，結(jié)果如圖2所示。

圖2 WHTC熱啟動工況下總顆粒物粒徑分布

由圖2可以看出：DPF前，排氣顆粒物的粒徑分布范圍較廣(10～200 nm)；經(jīng)過DPF后，排氣顆粒物的粒徑主要集中在40～60 nm。這表明DPF對小于40 nm的超細(xì)顆粒物和大于60 nm的大顆粒物均有很高的過濾效果。未來在污染物限值法規(guī)要求不變的情況下，DPF技術(shù)可以較好地應(yīng)對SPN 23切換至SPN 10帶來的影響。

DPF的過濾體通過擴(kuò)散沉淀、線性攔截、慣性沉淀、重力沉降和靜電吸附等方式對顆粒物進(jìn)行捕集[9-10]。DPF過濾機(jī)理如圖3所示。對于粒徑小于50 nm的顆粒物，顆粒物在不規(guī)則布朗運(yùn)動時(shí)易沉淀在DPF濾芯材料上，因此擴(kuò)散沉淀是DPF的主要過濾機(jī)制；對粒徑大于100 nm的顆粒物，在氣流方向上的線性攔截是DPF的主要過濾機(jī)制；對粒徑更大的顆粒物，由于慣性較大，DPF的過濾效率相對較低。圖4展示了DPF對不同粒徑顆粒物的過濾效率。由圖3、圖4可以看出：基于擴(kuò)散沉淀和線性攔截為主的過濾機(jī)理與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，DPF對10～23 nm的SPN的過濾效率不低于對SPN 23的過濾效率。

圖3 DPF過濾機(jī)理

圖4 DPF對不同粒徑顆粒物的過濾效率

2.2 DPF再生對顆粒物排放的影響

對試驗(yàn)樣機(jī)控制進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況(轉(zhuǎn)速1 800 r/min、扭矩208 N·m)再生；同時(shí)，使用稀采系統(tǒng)、直采系統(tǒng)進(jìn)行采樣分析，研究主動再生階段的SPN排放特性。再生過程中直采系統(tǒng)和稀采系統(tǒng)測量得到的SPN瞬態(tài)過程如圖5所示。

圖5 再生過程SPN的變化情況

試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行230 s左右，觸發(fā)缸內(nèi)后噴，為DPF再生工況做升溫準(zhǔn)備。稀采系統(tǒng)的SPN 10采樣結(jié)果和直采系統(tǒng)的SPN 23采樣結(jié)果基本一致且接近于零，這表明DPF能夠高效地過濾DPF再生前缸內(nèi)后噴所產(chǎn)生的SPN 10。

試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行480 s左右，DPF進(jìn)入再生工況，后處理出口溫度高于入口溫度，DPF內(nèi)部溫度約為600 ℃，DPF中累積的炭煙與O2發(fā)生氧化反應(yīng)。隨后，稀采系統(tǒng)的SPN 10采樣結(jié)果和直采系統(tǒng)的SPN 23采樣結(jié)果均顯著升高且較為接近，這表明DPF再生過程中會產(chǎn)生大量SPN 23。

需要注意的是，試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行700 s后，SPN 23CVS與SPN 10TP、SPN 23TP采樣結(jié)果保持相同的下降趨勢，而SPN 10CVS采樣結(jié)果則呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢。推測主要原因?yàn)?00 ℃以下時(shí)，排氣中存在大量碳?xì)浠衔?HC)，雖然部分HC與O2發(fā)生反應(yīng)，但是仍有大量HC在CVS稀釋后快速冷凝，形成揮發(fā)態(tài)和半揮發(fā)態(tài)顆粒物，高濃度的揮發(fā)態(tài)和半揮發(fā)態(tài)顆粒物在稀采系統(tǒng)中不能被完全去除，導(dǎo)致在ET末端形成10 nm以下二次成形顆粒物，導(dǎo)致SPN 10CVS探測到大量SPN 10。GIECHASKIEL等[11]研究發(fā)現(xiàn)，針對粒徑為30 nm的可揮發(fā)態(tài)顆粒物，在其每立方厘米數(shù)量大于107的情況下，揮發(fā)態(tài)化合物在ET末端可再成核，形成核態(tài)顆粒物，從而影響23 nm以下超細(xì)SPN的測量結(jié)果。這也表明未來隨著SPN 10法規(guī)的推出，對于VPR裝置的揮發(fā)態(tài)顆粒物去除能力要求進(jìn)一步提升，現(xiàn)行法規(guī)允許的ET技術(shù)已經(jīng)無法滿足需求，而CS技術(shù)即使在高揮發(fā)態(tài)顆粒物排放的情況下仍然能保證較高的去除效率。

試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行820 s后，噴油停止，后處理入口溫度快速下降，稀采系統(tǒng)的SPN 10采樣結(jié)果和直采系統(tǒng)的SPN 23采樣結(jié)果快速下降，900 s后趨于平穩(wěn)，SPN 10和SPN 23排放結(jié)果趨于一致，但整體高于再生前的排放水平。這是由于DPF完成再生后，先后還要經(jīng)歷深層過濾和濾餅過濾階段，深層過濾的效率隨炭載量的增加而提升，在濾餅過濾階段達(dá)到穩(wěn)定最大值[12-13]。DPF再生后，在濾餅還沒有大量形成之前，其對于SPN 10的攔截效率較低。

3 結(jié)論

選取1臺滿足國六排放法規(guī)的柴油機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，使用EEPS測量了DPF前后的顆粒物粒徑分布情況。結(jié)果表明：DPF對小于40 nm的超細(xì)顆粒物和大于60 nm的大顆粒物均有很好的過濾效果。未來在污染物限值法規(guī)要求不變的情況下，DPF技術(shù)可以較好地應(yīng)對SPN 23切換至SPN 10帶來的影響。

搭建了現(xiàn)行國六排放法規(guī)允許的SPN稀采系統(tǒng)及PMP工作組推薦的SPN直采系統(tǒng)，研究DPF再生對SPN 10排放水平的影響。結(jié)果表明：

(1)再生前，DPF對缸內(nèi)后噴所產(chǎn)生的SPN 10有較高的過濾效率。

(2)再生過程中產(chǎn)生的顆粒物以SPN 23為主。

(3)DPF再生后，在DPF中的濾餅還未大量形成前，其對于SPN 10的攔截效率較低。

(4)未來隨著SPN 10法規(guī)的推出，對于VPR的揮發(fā)態(tài)顆粒物去除能力要求進(jìn)一步提升，ET法已經(jīng)不能夠滿足需求，CS法由于其在高濃度揮發(fā)態(tài)、半揮發(fā)態(tài)顆粒物排放下仍能保證較好的去除效果，會被越來越廣泛地加以應(yīng)用。