颗粒捕集器中沉积灰分对柴油机非常规污染物排放影响研究

2021-06-17王浩浩葛蕴珊谭建伟

内燃机工程 2021年3期

王浩浩，葛蕴珊，谭建伟

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

0 概述

柴油机颗粒物(particulate matter, PM)排放约占机动车颗粒物排放总量的90%以上，严重影响着人类健康和生活环境。随着机动车排放标准的不断升级，特别是中国第六阶段排放标准实施后，如何有效地减少柴油机颗粒物排放引起了广泛的关注。柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter， DPF)捕集效

率高达99%以上，是最有效的控制柴油机颗粒物排放的手段[1-3]。颗粒物在DPF内不断累积会导致柴油机排气背压升高及油耗增加[4]，因此必须对DPF定期进行再生。但伴随碳颗粒进入DPF内的灰分不能燃烧，逐渐沉积在DPF孔道内，导致DPF的捕集效率、再生温度平衡点等性能发生改变。国内外研究学者对DPF内沉积灰分的来源及化学组分[5-7]、灰分的理化特性[8-9]、灰分在DPF孔道内的分布特征[10-11]、灰分对DPF性能的影响[12-13]等方面进行了广泛且深入的研究并获得了丰富的研究成果。

柴油机氧化催化器(diesel oxidize catalyst， DOC)+催化型DPF(catalyst DPF, CDPF)是柴油机厂广泛采用的后处理系统。对DOC+CDPF后处理系统的研究主要集中在排放特性及老化后的排放特点上。文献[14]中采用转鼓测试方法对比了装有DOC+CDPF后处理系统老化前后城市公交车的排放特点，研究表明相比于新鲜状态，催化器老化后CO、THC的减排效果分别降低到25.2%、55.1%，NO的氧化能力下降，颗粒的捕集效率也明显下降。文献[15]中对装有DOC+CDPF后处理系统非道路机械的排放特点展开研究，发现PM、颗粒数(particulate number,PN)捕集效率分别超过90%、99%。此外，文献[16-17]中也分析了装有DOC+CDPF后处理系统的柴油机的排放特点。然而，灰分存在下DOC+CDPF后处理系统的排放特点鲜见报道。文献[18]中研究了灰分存在条件下CDPF后处理系统排放特点，发现灰分造成发动机排气中CO、THC分别增加了68.2%和91.0%，并且导致醛酮类污染物大幅增加。

随着欧Ⅶ排放法规开始考虑将氨排放、醛类等非常规污染物排放纳入监管范围[19]，非常规污染物排放引起广泛关注。在这种背景下，研究了DOC+CDPF后处理系统中CDPF不同灰分含量下，柴油机排放的醛酮类、苯系物等非常规污染物的排放特点。本文研究结果对改善柴油机性能、降低污染物排放具有一定参考意义。

1 试验方法

试验系统布置见图1，主要仪器设备包括柴油机、交流电力测功机、后处理装置和非常规污染物采样分析设备等。图中，HPLC为高效液相色谱仪(high-performance liquid chromatography)，GC-MC为气相色谱-质谱联用分析仪(gas chromatography mass spectroscopy)。试验用发动机主要技术参数见表1，DOC和CDPF参数信息见表2。试验用柴油为满足国六标准的市售0号柴油，其主要理化特性分析结果见表3。

图1 试验装置示意图

表1 试验用柴油机主要技术参数

表2 DOC及DPF参数

表3 试验用柴油理化特性

首先在新鲜状态DOC+CDPF后处理系统前后采集排气中的非常规排气污染物；然后拆下DOC，在试验台架上进行CDPF灰分累积试验；当CDPF中累积一定量的灰分后，重新安装上DOC再次测量DOC+CDPF后处理系统前后排气中的非常规污染物；如此反复进行试验。本研究中采用掺烧润滑油加速加载的方法进行灰分累积试验，所用润滑油的主要理化特性见表4。灰分累积使用工况为1 600 r/min、40%负荷，2 800 r/min、80%负荷。在1 600 r/min、40%负荷工况下运行1.5 h后，调整发动机参数，在2 800 r/min、80%负荷工况下运行1.0 h，依次重复运行，具体累积过程可参考文献[18]，在此不做赘述。为研究CDPF灰分沉积量对非常规污染物的影响，试验研究中CDPF累积到的灰分分别为2.35 g/L、10.80 g/L、27.28 g/L，分别代表低中高含量灰分，标记为灰分1、灰分2、灰分3。非常规污染物采样工况为转速2 000 r/min下40%、60%、80%负荷点。试验中，发动机首先在采样工况点运行约10 min，待发动机进气温度、冷却液温度、润滑油温度及压力等参数稳定后，进行非常规污染物采样。

表4 试验用润滑油理化特性

采用美国SKC公司采样泵(型号220-5000TC-S，采样流量范围0.5～5.0 L/min)和美国Supelco公司LpDNPHS10型硅胶采样管对稀释后排气中的醛酮物质进行吸附采样。采样时，采样泵的流量调节至1.5 L/min并保持恒定，采样时间为10 min。为保证采样精度，采样前使用校准流量计对采样泵进行校准。所采集样品使用HPLC(美国Agilent公司Series 1200)进行分析。

使用美国Agilent公司Tenax TA采样管对稀释排气中的苯系物进行采样。采样前，需对采样管进行老化处理。使用的采样泵与采集醛酮物质采样泵型号相同，但为避免样品间的污染，醛酮类物质和苯系物采样时各自使用独立采样泵进行采样。苯系物采样泵流量设定为500 mL/min，采样时间为10 min。使用GC-MS(美国Agilent公司6890-5975C)对稀释后排气中的苯系物进行分析，具体采样和分析过程参见文献[20-21]，不再赘述。

醛酮类污染物、苯系污染物浓度计算公式如下：

(1)

式中，c为醛酮类污染物、苯系污染物的浓度，ng/L；m为由HPLC、GC-MS分析测得的醛酮类污染物和苯系污染物的质量，ng；q为采样泵流量，L/min；t为采样时间，min。

2 结果与讨论

2.1 灰分对排气中苯系污染物的影响研究

不同工况下灰分对排气中苯系污染物排放的影响见图2。CDPF对苯系污染物的影响与柴油机转速有关[13]，在CDPF新鲜状态下，CDPF后除甲苯浓度在各个工况下相对CDPF前略有上升外，其他物质无明显变化规律，与文献[18]中的研究结果类似。总体分析，在新鲜状态下，CDPF后的苯系物浓度略有上升。

图2 不同工况下灰分对苯系物排放的影响

当CDPF中的灰分沉积量达到2.35 g/L、10.80 g/L 时，三种工况下 CDPF前苯系污染物的总量相比新鲜状态下均呈明显下降规律，但当CDPF中灰分沉积量达到27.28 g/L时，CDPF前苯系物的总排放量与新鲜状态相比明显增加。CDPF中灰分的不断增加会导致排气背压不断增加，在中低灰分量时，排气背压的上升能在一定程度上抑制苯系物的生成；但在大量灰分存在时排气背压增加，柴油机泵气损失增大，为保持有效功率不变，柴油机指示功率增加，供油量增大导致实际空燃比下降，混合气有变浓趋势，局部不完全燃烧加剧，导致苯、二甲苯等芳香烃排放增加[22]，排气中苯系污染物排放升高。由此，随着CDPF中灰分的逐渐累积，CDPF前排气中的苯系污染物排放呈U形趋势。

当CDPF中的灰分沉积量分别达到2.35 g/L、10.80 g/L、27.28 g/L时，在不同工况下，CDPF后的苯系物排放量比CDPF前均有明显升高。其主要原因分析如下：(1) 在CDPF和灰分的作用下，醛酮类污染物进一步被氧化；(2) CDPF和灰分对排气颗粒物有氧化作用；(3) 少量润滑油及未完全燃烧的柴油成分在燃烧过程的进一步分解有助于苯系物的形成[23]。沉积了灰分后，不同工况下CDPF后的苯系物排放比CDPF前有所升高，但灰分为2.35 g/L、10.80 g/L时，CDPF后的苯系物排放相比新鲜状态CDPF变化不大甚至略低，而当灰分沉积量达到27.28 g/L时，CDPF后的苯系物排放明显高于新鲜状态。这表明当灰分沉积量达到一定程度时，排气背压增加导致缸内燃烧状况的变化会影响到苯系物的排放，因此当CDPF灰分沉积达到一定量时，应及时进行清灰处理。

随着CDPF中灰分的增加，苯系物的组分也会发生变化，特别在2 000 r/min、40%负荷，2 000 r/min、60%负荷工况下，当CDPF中的灰分达到27.28 g/L时，CDPF前后苯系物中甲苯、二甲苯(邻、间、对)排放量分别是新鲜CDPF前、后排放量的二倍左右。这与CDPF对苯系物具有较高的催化活性[24]，且灰分也具备一定的催化能力有关。由于CDPF对不同类别苯系物的催化活性不同[25]，在CDPF后苯、苯乙烯排放量几乎没有变化。

2.2 灰分对排气中醛酮类污染物的影响研究

图3为在不同工况下，灰分对醛酮类污染物排放的影响。由于在HPLC分析过程中不能将丙烯醛和丙酮分离开，因此文中将其作为一个整体进行分析。甲基苯甲醛、丁烯醛、环己酮、己醛、丁烯醛、戊醛排放未能在试验中测出。根据试验结果，在三种工况下，无论CDPF中有无灰分沉积，排气中CDPF后醛酮类污染物排放均主要以甲醛、乙醛为主，与以前相关报道[23]类似。

图3 不同工况下灰分对醛酮类污染物排放的影响

在新鲜状态下，CDPF本身对醛酮污染物具有氧化作用，能够降低醛酮的排放[24]。与CDPF前相比，CDPF后醛酮类污染物明显降低，并且组分类别未发生变化。

在CDPF灰分达到2.35 g/L、10.80 g/L、27.28 g/L 时，除27.28 g/L灰分下2 000 r/min、40%负荷工况外，三种不同工况下CDPF前醛酮类污染物总量相比新鲜状态有明显上升。这与CDPF内灰分沉积后排气背压上升，导致缸内燃烧状况变化有关。异常点的出现可能与试验采样过程、分析过程的偏差有关。在各工况下，灰分量增加时，与CDPF前相比，CDPF后醛酮类污染物排放量均明显下降，特别是甲醛、乙醛的排放量。

相比新鲜状态，随着CDPF中累积灰分的增加，CDPF后醛酮类污染物物种发生明显改变，并检测到CDPF前未被检测到的物质。这表明，灰分的存在能够改变排气中醛酮类污染物的组分。