柴油机颗粒后处理技术对颗粒物排放的影响

吉 喆 王燕军 谢 琼 原彩红 马永利 付云芳 马 冬 郝春晓 黄志辉

(1.中国环境科学研究院，北京 100012；2.北京交通运输职业学院，北京 102200)



柴油机颗粒后处理技术对颗粒物排放的影响

吉 喆1王燕军1谢 琼1原彩红1马永利2付云芳1马 冬1郝春晓1黄志辉1

(1.中国环境科学研究院，北京 100012；2.北京交通运输职业学院，北京 102200)

本文利用一台满足国Ⅲ排放标准的电控共轨柴油发动机，研究了氧化型催化转化器(DOC)、燃油催化剂型的壁流式颗粒捕集器(FBC-DPF)和带有DOC的壁流式颗粒捕集器(DOC+DPF)三种不同的柴油机颗粒物净化装置对柴油机颗粒物排放的影响，定量研究了不同转速和负荷下，这三种后处理装置前后颗粒物数量和质量的变化。研究显示：DOC对颗粒物的净化效率大约在20%～30%之间，FBC-DPF对颗粒物的净化效率大约在90%～98%之间，DOC+DPF对颗粒物的净化效率也超过了90%。结果表明壁流式的颗粒捕集器对柴油机颗粒物有较高的净化效果。

柴油机；后处理装置；颗粒物数量；颗粒物质量；排放

柴油车辆的排放问题越来越引起人们关注，在用柴油车排放的氮氧化物(NOX)和颗粒物(PM)对整个机动车污染物排放总量的贡献率非常大，机动车颗粒物(PM)的排放基本都是由在用柴油车产生的。以柴油为燃料的卡车和城市公交车排出的碳烟(PM)和氮氧化物(NOX)已成为影响我国空气质量的主要污染源之一[1]。

我国环保部门也不断出台和加严机动车排放法规[2]，以期对日益严重的汽车排放进行控制，并使我国的法规尽快与欧洲接轨。严格的排放标准促进了柴油机燃烧控制技术的进步和燃油喷射系统的电子化，自国III标准实施以来，各类柴油机电控装置得到了迅速发展。这些新技术的应用不仅有效降低了柴油机的气体排放和微粒排放总量，也导致了所排放的微粒性质的改变。例如，在对柴油机微粒排放总质量的降低的同时，却导致了超细微粒数量总量的增加[3]。从欧盟和我国第五阶段的轻型车排放标准[4]和欧盟第六阶段的重型车排放标准[5]开始，柴油机颗粒的数量浓度和总质量将一并成为法规控制的目标。为了使得柴油机的颗粒排放达到法规的要求，柴油机颗粒后处理装置的研究是国际上的热点之一[6]，开发了氧化型催化转化器(DOC)、颗粒物捕集器等不同的颗粒物净化装置。这些装置对柴油机颗粒的净化效果和颗粒物排放特征的影响也得到广泛的关注[7]，关于微粒数量浓度的研究在近几年也逐渐成为热门的研究课题[8]。由于我国柴油车排放控制技术同国外相比还存在较大差距，柴油车的排放水平与有害污染物的排放特征也不同，国内对不同柴油机颗粒物净化技术对我国柴油机颗粒排放的影响研究报道较少。因此，本文利用一台满足我国国三排放标准的电控柴油机，详细研究了装载不同颗粒物后处理装置后颗粒物质量和数量的变化规律，以期为柴油机和尾气后处理的匹配，开发满足我国国五和欧盟第六阶段的颗粒物排放控制目标提供借鉴经验。

1 实验方案设计

发动机台架测试系统包括发动机、测功机、排气分析系统(采用在线分析仪器测定气态污染物浓度)和颗粒物采集系统(包括空压机、压缩气净化装置、稀释通道、采样器和真空泵，用于柴油机颗粒物样品采集)等，同时利用热电偶来测量发动机排气、稀释通道进口和稀释通道出口的气体温度。 整个实验台架布置如图1所示。

图1 发动机台架测试系统示意图

本文选用的柴油机为电控的高压共轨六缸涡轮增压发动机，满足国Ⅲ标准排放，发动机的主要参数如表1所示。

实验用柴油机氧化型催化转化器(DOC)尺寸规格为Φ143.8×152mm，孔隙为400目，载体为堇青石，催化剂为贵金属铂(Pt)，其正常工作温度范围为523～873K。DOC一般安装在排气系统中靠近发动机一侧，以便能尽快达到工作温度，它能够减少碳氢(HC)和一氧化碳(CO)的排放量，通常DOC对可溶性有机物质的转化效率较高，对柴油机尾气排放中的CO和HC的净化效率可达90%以上，对于柴油机颗粒排放中可溶性有机物部分也有较好的净化效果。

表1 实验发动机主要参数

主要采用的测试仪器如表2所示。

表2 主要测试仪器

燃油催化剂型(FBC)的壁流式颗粒捕集器(DPF)是一种利用燃油作为传递媒体的使用催化再生剂的颗粒物捕集器，简称燃油催化剂或燃油催化再生剂(FBC-DPF)。本次试验使用颗粒捕集器是由使用燃油添加剂二茂铁的FBC-DPF。本颗粒捕集器的核心是由碳化硅材料制作而成的可拆卸滤芯。

本文实验所研究的DOC+DPF颗粒物净化技术采用了以上介绍的DOC和DPF两个部件组合而成。此次实验选取北京市区内符合国Ⅳ标准的柴油。

2 实验研究

2.1 柴油机氧化型催化反应器(DOC)对颗粒排放的影响

本研究定量研究了发动机在不同转速和负荷下DOC产品对柴油机颗粒质量的净化效果。 图2和图3为发动机转速为1400r/min和1600r/min时，不同负荷工况下DOC前后颗粒物的质量排放。可以看出在上述绝大部分工况下，颗粒物排放随负荷的增加而增加。采用DOC后，排放颗粒物质量均有所降低，降低幅度约20%～30%左右。最大转化率出现在小负荷处，1400r/min在10%负荷处的颗粒转化率达到了73%，1600r/min在10%负荷处的颗粒转化率达到了68%。

图4为发动机在1600r/min转速下，不同各负荷DOC前后颗粒物粒径分布状况。可以看出，在小负荷和大负荷工况下，颗粒物数量浓度随负荷的增大而增大，其他负荷工况下，颗粒物数量分布均呈现单峰正态分布，粒径分布比例随负荷变化的规律也相似，小负荷工况时，粒径峰值处于粒径约为20nm的颗粒处，20%～90%负荷之间粒径峰值均处于粒径为72nm的颗粒物处。DOC对不同粒径颗粒物的转化效率在10%-40%左右。不同转速和负荷下DOC对颗粒物数量的净化效果也有类似的结果。

2.2 燃油催化剂型颗粒捕集器(FBC-DPF)对颗粒排放的影响

在1400r/min和2300r/min下，颗粒捕集器前后的颗粒物质量排放的变化如图5和图6所示。试验表明，采用FBC-DPF后，柴油机排放颗粒物质量大幅度下降，在1400r/min工况下，颗粒物质量的下降幅度在68%～93%之间；2300r/min工况下，颗粒物质量的下降幅度为94%～98%之间。研究结果显示，FBC-DPF的净化效率与柴油机工况无明显的规律性，大致的净化效率在70%～98%之间。

图7为发动机转速为1800r/min时，不同负荷下FBC-DPF前后颗粒物浓度的变化趋势。测试发现，在1800r/min下，颗粒物数量的峰值浓度随负荷的增大呈现先增大后减小再增大的趋势，在60%负荷处有一小转折，最大峰值浓度出现在80%负荷，最大峰值浓度为1.61×108个/cm3。从图7可以看出，在FBC-DPF后的排气微粒与FBC-DPF前的微粒的规律大致相同，成单峰正态分布，不同转速的粒径分布变化规律各有不同。试验表明，采用颗粒物数量排放大幅度下降，平均下降幅度为90%左右。其他转速不同负荷的测试结果表明，FBC-DPF对颗粒物数量的净化效率大致在90%～98%之间。

图4 1600r/min不同负荷下DOC前后颗粒物数量变化

图5 颗粒物质量排放变化(1400r/min)

图6 颗粒物质量排放(2300r/min)

图7 1800r/min不同负荷下FBC-DPF前后颗粒物数量变化

2.3 DOC+DPF 对颗粒排放的影响

图8 颗粒物质量排放变化(1800r/min)

在1800r/min和2300r/min下该发动机排放的颗粒物质量变化随负荷的变化趋势如图8、9所示。由于采用DOC+DPF后排放颗粒物质量较低，为了明显的展现DOC+DPF对颗粒物排放的影响，采用对数坐标处理。结果显示，在不同的转速和负荷条件下，采用DOC+DPF颗粒物净化技术后，颗粒物的质量均大幅度下降，幅度超过90%。

图9颗粒物质量排放(2300r/min)

图10列出了在1800r/min不同负荷下，DPF+DOC前后的微粒粒径分布的负荷特性图。从图中可以看出，在DPF-DOC前的排气微粒粒径除10%负荷处，其他负荷微粒粒径成单峰正态分布，且微粒粒径分布随负荷增加而增大，在80%负荷处有所降低，峰值出现在粒径为72nm颗粒物处。最大峰值浓度出现在70%负荷处，最大峰值浓度为1.6×108个/cm3。在DPF-DOC后，所排放的微粒的数量随着负荷的增加先增大后减小。除了10%负荷时峰值出现在粒径为20nm颗粒物处，其他峰值出现粒径为72nm颗粒物处。1400r/min、1800r/min和2300r/min转速下DOC+DPF技术对颗粒物数量的去除率分别为89%、96%和99%。

图10 1800r/min不同负荷下DOC+DPF前后颗粒物数量变化

3 结 论

利用DOC、FBC-DPF和DOC+DPF三种不同颗粒物净化技术对柴油机颗粒物排放的影响研究表明：

(1)DOC对颗粒物质量的净化效率大约在20%～30%之间，对颗粒物数量的净化效率大约在10%～40%左右；

(2)FBC-DPF对颗粒物质量的净化效率大约在70%～98%之间，对颗粒物数量的净化效率在90%～98%之间；

(3)DOC+DPF对颗粒物质量的净化效率大于90%，对颗粒物数量的净化效率在89%-99%之间。

[1]张勇，张春玲等.柴油机尾气处理装置(DPF)的试验研究[J].山东建筑大学学报，2009，24(1)：26-30.

[2]国家环境保护总局.GB17691—2005.车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法[S].北京：中国标准出版社，2005.

[3]I.S.Abdul-Khalek，D.B.Kittelson，B.R.Graskow，Q.Wei F.Brear，Diesel Exhaust Particle Size：Measurement Issues and Trends，SAE Paper 980525.

[4]环境保护部.GB18352.5—2005.轻型汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)[S].北京：中国环境科学出版社，2013.

[5]谷雪景.移动源国家大气污染物排放标准体系演变及发展方向研究[J].环境保护，2013，17：48-50.

[6]Jennifer Kain.Retrofit Overview.Connecticut Diesel Emissions Control Technologies Forum[J].August17，2005.

[7]I.S.Abdul-Khalek，D.B.Kittelson，B.R.Graskow，Q.Wei F.Brear，Diesel Exhaust Particle Size：Measurement Issues and Trends，SAE Paper 980525.

[8]吕平，刘宪，曹晖，刘嘉.硫含量对柴油车颗粒物排放和净化装置颗粒物净化效率影响的试验研究[J].北京汽车，2008(3)：1-3.

Effects of after Treatment Technologies on Diesel Engine Particulate Emissions

JI Zhe1WANG Yanjun1XIE Qiong1YUAQN Caihong1MA Yongli2FU Yunfang1MA Dong1HAO Chunxiao1HUANG Zhihui1

(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing China 100012；2.Beijing Vocational College of Transportation，Beijing 102200)

The reduction efficiencies of particulates of three after treatment devices：a diesel oxidation catalyst (DOC)，a fuel borne additive wall-flow particulate filter (FBC-DPF) and a wall flow particulate filter with DOC was studies on an electronic control common rail diesel engine.The particulate matter and numbers before and after the devices was measured under the different speeds and loads.

diesel engine；after treatment devices；particulate number；particulate mass；emissions

吉喆，硕士，工程师，主要从事机动车污染防治技术研究工作

王燕军，博士，正高级工程师，主要从事机动车污染污染防治理论与政策研究

X83

A

1673-288X(2016)06-0073-04

项目资助：科技部科技支撑计划项目“京津冀区域大气污染物动态排放特征及更新机制研究(2014BAC23B02)”、“京津冀区域重点领域大气污染防治技术与示范(2014BCA23B04)”

引用文献格式：吉 喆 等.柴油机颗粒后处理技术对颗粒物排放的影响[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：73-76.