DOC+DPF对柴油机颗粒物排放特性的影响研究*

贾传德，李贵麒，张强，李宁

DOC+DPF对柴油机颗粒物排放特性的影响研究*

贾传德，李贵麒，张强，李宁

（广西理工职业技术学院，广西 崇左 532200）

以某型高压共轨柴油机为研究对象，研究试验样机加装DOC＋DPF 后处理装置对其颗粒排放特性的影响。结果表明：试验样机连接DOC＋DPF后，颗粒物排放显著降低，在中高转速下，转化率平均在97%以上；在中低转速DOC+DPF对积聚态颗粒净化效率高于核模态颗粒，在1030rpm下，颗粒物总数量下降89%，总质量下降33%；在1200rpm下，颗粒物总数量下降96%，总质量下降77%。在1030rpm和1600rpm除了70%负荷外，DOC+DPF前的NO2/NOX比值都高于DOC+DPF后的，DOC+DPF后的NO2/NOX比值随负荷增加先减小后增加。

DOC+DPF；颗粒排放；数量浓度；NO2/NOX

引言

柴油机在动力性、经济性方面具有突出优势，但随着排放法规的日益严格，柴油机NOX和PM排放问题一直是控制的难点。从国Ⅳ排放法规以后，重型柴油车仅仅通过缸内净化技术难以满足法规要求，后处理装置成了柴油车不可或缺的一部分[1]。在重型柴油机国六和欧六排放法规中对PM和PN都做出了明确的限值规定。非道路移动机械国四排放标准于2020年12月1日正式实施，对微粒排放也做出了具体限制。

DOC与DPF联用可以实现DPF被动连续再生，由于其结构紧凑，又不需要复杂的控制系统并且在降低颗粒排放方面效果明显，成为微粒排放控制的重要技术路径。李磊研究DOC和DPF在颗粒氧化过程中的微观特性[2]，沈颖刚通过台架试验研究了DOC+DPF前后尾气排放特性和再生性能稳定性，及对发动机的动力性、经济性的影响评价[3]，方奕栋研究燃用混合燃料时，DOC＋DPF 后处理装置对其排气颗粒理化特性的影响[4]，楼狄明对柴油公交车安装DOC、DOC+ CDPF前后气态物的排放特性进行研究，探寻两种后处理装置对柴油机气态物排放的影响[5]。本文通过对一台CA6DF3型号高压共轨柴油机进行台架试验，研究DOC+DPF对微粒排放特性的影响。

1 试验装置及试验方法

本试验所采用的发动机及后处理装置参数见下表1和表2。

1.1 发动机参数

表1 试验发动机参数

1.2 后处理器参数

表2 试验后处理器参数

1.3 试验方案

试验方案如图1所示，排气测试系统采用奥地利AVL公司生产的AMA4000排气分析仪，可以同时测量HC、CO、NOX和CO2等多种气体成分。排气颗粒物数量浓度分布采用芬兰Detaki公司的ELPI（低压静电冲击式采样器）进行测量。试验分别测试了发动机怠速，1030rpm，1200rpm，1400 rpm，1600rpm，1800rpm和2000rpm不同负荷下常规污染物以及颗粒物排放，并对测试结果进行处理与分析。

图1 柴油机台架试验系统示意图

2 结果分析

2.1 颗粒物粒径分布

图2是不同转速和负荷下，DOC+DPF前后颗粒物数量浓度粒径分布图，DOC+DPF前颗粒物数量浓度粒径分布基本呈单峰正态分布。在同一转速下，DOC+DPF前颗粒物数量浓度峰值随负荷增加而增大，颗粒物数量浓度峰值对应的粒径随负荷增加而增大。因为随着负荷增加，循环喷油量增加，空燃比变小，燃料燃烧不充分，造成颗粒物生成量增加，尤其是大直径颗粒的数量增加[6]。

在1030rpm，DOC+DPF前颗粒物数量浓度峰值粒径出现在75nm附近，峰值数量浓度为106，且峰值数量浓度随负荷增加而增大。负荷为30%，转速为1030rpm、1400rpm、1800rpm时，颗粒物数量浓度峰值数量级分别为106、107、108，即负荷相同转速增加时，DOC+DPF前颗粒物数量浓度增加，峰值粒径基本相同为70-80nm。

不同负荷下颗粒物数量浓度经过DOC+DPF后都有明显降低，DOC+DPF前的颗粒多为积聚态，经DOC+DPF后颗粒物多为核模态。在1030rpm，DOC+DPF后颗粒物数量浓度峰值的粒径约为40nm，峰值数量浓度为105。这说明在该转速DOC+DPF对大粒径积聚态颗粒的净化效果比核模态颗粒明显。主要是因为积聚态颗粒物中的有机成分被DOC（氧化催化器）所氧化，使颗粒物粒径变小；另外在DOC中部分NO被氧化生成NO2，NO2对颗粒物也具有氧化颗粒的作用，使颗粒物粒径变小。尾气经过颗粒捕集器中，颗粒捕集器对大粒径颗粒物的捕集效率更高，从而对大粒径积聚态颗粒产生较好的净化效果。

2.2 数量浓度

图3是不同工况下DOC+DPF前后颗粒总数量浓度的对比情况，颗粒的总数量浓度是将粒径分布曲线对粒径进行积分得到的。从图3中可以看出：除1400rpm转速外，对比各转速颗粒物数量浓度整体呈现随转速升高而增大，同一转速下，随负荷增加数量浓度无明显规律。原排颗粒数量浓度最大的工况是1400rpm转速，50%负荷，颗粒物浓度值约为1.8×108/cm3。

图3 不同转速和负荷DOC+DPF前后颗粒总数量浓度

在各个不同的工况下，颗粒物的数量浓度经过DOC+ DPF系统处理后明显降低，在1030rpm、1200rpm、1400rpm、1600rpm、1800rpm五个转速下颗粒物数量的平均净化效率分别约为89%、96%、97%、99.5%、99.5%，在1600rpm和1800rpm下，DOC+DPF后颗粒物数量基本实现完全净化。即在中高转速区域，DOC+DPF对颗粒物数量的净化效率更好，主要是因为随转速增加燃烧生成的积聚态颗粒物占比高，积聚态颗粒物易于被DPF捕集[2]。同时转速增加，排温升高，高温有利于DPF再生[4]。

2.3 质量浓度

如图4是不同工况下DOC+DPF前后颗粒总质量浓度的对比情况，从图中可以得出，原排中除1400rpm外，总体呈现出颗粒物的质量浓度随转速升高而增加。在同一转速下，随负荷增加颗粒物的质量浓度增加。这是因为随转速增加，柴油机负荷加大，喷油量增加，空燃比降低，燃烧不充分，产生的颗粒物质量也提高。怠速工况质量浓度也较高，是因为怠速时空燃比低，温度低，颗粒物生成多。排气经过DOC + DPF后颗粒物质量明显降低，在怠速1030rpm、1200rpm、1400rpm、1600rpm、1800rpm转速的颗粒物质量减排率分别约为38%、33%、77%、96%、98%、97%，可见在中高转速颗粒物质量减排效果更佳。

2.4 DOC+DPF前后NO2/NOX排放特性

图5中工况点1-7分别代表10%-70%负荷，NO2/NOX表示的是排气中NO2与NOX的体积百分浓度比。从图5可以看出DOC+DPF前的NO2/NOX比值随负荷增加而减小，是因为DOC+DPF前NO2排放是原排，主要与柴油机燃烧规律和NO2的生成机理有关，由于柴油机在低转速小负荷时燃烧室内存在很多低温区域，燃烧生成NO2被冷流体淬冷的区域狠大，NO2被保留下来，因此在小负荷时NO2/NOX比值较高，随负荷增加该比值下降。

图5 DOC+DPF前后NO2/NOX 排放特性

根据图5，还可以看出DOC+DPF后的NO2/NOX比值随负荷增加先减小后增加。主要是因为NO2具有强氧化性，根据前期研究，尾气中的NO在氧化催化器中被氧化为NO2，与原排中的NO2一起，在DPF中氧化微粒成分，主要发生NO2+C→CO+NO的反应，该反应在250℃左右即可进行，NO2被消耗，因此DOC+DPF后的NO2/NOX比值降低。但当温度大于400℃，该反应化学平衡趋于产生NO2，不能使DPF微粒起燃，因此随着负荷增加，发动机排温增加，DOC+DPF后的NO2/NOX比值开始上升。

在1030rpm转速下，各工况除了70%负荷外，DOC+DPF前的NO2/NOX比值都高于DOC+DPF后的，即原机尾气中的NO2经过后处理器DOC+DPF反应后，NO2/NOX比值会降低，转速为1600rpm时也具有类似的特性。

3 结论

尾气经过DOC+DPF后颗粒物排放显著降低，在中高转速下，转化率平均在97%以上；粒径分布基本仍呈单峰正态分布，数量浓度显著降低；在中低转速DOC+DPF对积聚态颗粒净化效率高于核模态颗粒。

在1030rpm下，颗粒物总数量下降89%，总质量下降33%；在1200rpm下，颗粒物总数量下降96%，总质量下降77%；其余工况，总质量与总数量均下降96%以上。

除了70%负荷外，DOC+DPF前的NO2/NOX比值都高于DOC+DPF后的，DOC+DPF后的NO2/NOX比值随负荷增加先减小后增加。

[1] 帅石金,刘世宇,马骁,张俊,王国仰,果泽先,蔡开源,肖建华.重型柴油车满足近零排放法规的技术分析[J].汽车安全与节能学报, 2019,10(01):16-31.

[2] 李磊.DOC与DPF对柴油机排放颗粒微观特性影响的研究[D].河南科技大学,2014.

[3] 沈颖刚,廖凭皓,陈春林,彭益源,向亦华,陈贵升.柴油机加装柴油机氧化催化器和催化型颗粒捕集器装置性能评定试验研究[J].内燃机工程,2020,41(04):17-26.

[4] 方奕栋,楼狄明,胡志远,谭丕强.DOC+DPF对生物柴油发动机排气颗粒理化特性的影响[J].内燃机学报,2016, 34(02):142-146.

[5] 楼狄明,刘影,谭丕强,胡志远.DOC/DOC+CDPF对重型柴油车气态物排放的影响[J].汽车技术,2016(10):22-26.

[6] 李新令,黄震,王嘉松,吴君华.柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究[J].内燃机学报,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

U473.9

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1671-7988(2021)03-125-04

贾传德（1987-），男，硕士，讲师，研究方向：柴油机燃烧与排放控制技术。

2018年度广西高校中青年教师基础能力提升项目“用流体仿真方法研究DOC+DPF技术对柴油机微粒排放的影响 ”（项目编号2018KY1233）。