文章1000-0925201--300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

1、文章编号:10000925(201*)*3*00*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)the effects of ash deposited in diesel particulate filter on the unregulated emissionswang haohao, ge yunshan, tan jianwei(school of mechanical engineering, beijing institute of technology, beijing 100081)abstract:

2、 in terms of doc (diesel oxidize catalyst) and cdpf (catalyst diesel particulate filter)diesel engine aftertreatment system, the effects of ash deposited in cdpf on the btex and carbonyl compounds emission characters were studied in this work. research results indicate that the tendency of the btex

3、emission before cdpf with ash is u shaped with the ash accumulation. meanwhile, the btex emission after cdpf with ash increases clearly compared with the btex emission before cdpf with ash in different working condition and the btex contents are also changed in different degrees. the total carbonyl

4、compounds emission before cdpf with ash increases obviously compared with the cdpf without ash. in addition, the total carbonyl compounds emission after cdpf with ash decreases obviously and the carbonyl compounds changes a lot in different working condition compared with the before cdpf with ash.摘

5、要:针对柴油机氧化性催化剂(diesel oxidize catalyst, doc)与柴油机颗粒捕集器(catalyst diesel particulate filter, cdpf)组合的后处理系统，研究了在cdpf中沉积灰分对柴油机排气中醛酮污染物类、苯系污染物的影响。 研究结果发现，对苯系污染物，随着沉积灰分的增加，cdpf前苯系污染物排放呈现u型变化趋势，在各个工况下， cdpf后排气中苯系污染物排放量与cdpf前相比均明显升高，苯系污染物各组分的排放量变化程度不同；存在灰 分时，cdpf前的醛酮类污染物排放量与新鲜状态相比有明显增加，但cdpf后醛酮类污染物排放量呈明显下降趋 势

6、，并且醛酮类污染物物种也发生了变化。关键词：灰分；柴油颗粒捕集器；非常规污染物排放；key words: ash； diesel particulate filter； unregulated emission;中图分类号:tk417文献标识码：a0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，特别是我国第六阶段排放标准的实施，如何 有效的减少柴油机颗粒物排放引起了广泛的关注。 柴油颗粒捕集器(diesel particulate filter, dpf)捕 集效率高达

7、99%以上，是最有效控制和减少柴油机 颗粒物排放的手段7】。随着颗粒物在dpf内不断 累积，会导致柴油机排气背压升高、油耗增加。 因此，必须对dpf定期进行再生，但是，与碳颗粒 不同，伴随碳颗粒进入dpf内的灰分不能燃烧，会 逐渐沉积在dpf孔道内。随着灰分在dpf内孔道 内的沉积，会导致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i*】、灰分的理化特性侃91、 灰分在dpf孔道内的分布特征的、灰分对dpf 性能的影响m i%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。柴油机氧化性催化剂(diesel oxidize catal

8、yst, doc) +cdpf是柴油机厂广泛采用的主流后处理系 统。对doc+cdpf后处理系统的研究主要集中在其 对排放以及老化后排放特点。zhang等采用转鼓 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，研究表明相较于新鲜 状态下，老化后co、thc排放分别降低到25.2%、 55.1%并且弱化了 no的氧化能力，颗粒的捕集效率 也明显下降o zhong等u51研究了装有doc+cdpf后 处理系统非道路机械的排放特点，发现pm、pn捕 集效率分别超过90%、99%。此外，shao等【、zhang 等17也分析了装有doc+cdpf后处理系统柴油机 的排放特

9、点。然而，对灰分存在下，doc+cdpf后 处理系统的排放特点鲜有报道。本课题组前期研究 了灰分存在条件下cdpf后处理系统排放特点a】， 发现灰分造成发动机排气中co、thc分别增加了 68.2%和91%,并且导致醛酮类污染物大幅增加。随着欧vii排放法规开始考虑对氨排放、醛类 等非常规污染物排放纳入监管范围3】，标准以外的 非常规污染物排放引起广泛关注。在这种背景条件 下，论文研究了 doc+cdpf后处理系统中cdpf不 同灰分含量下，柴油机排放的醛类、苯系物等非常 规污染物的排放特点。1试验方法论文研究用试验系统布置如图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

10、污染物采样分析设备等。试验用发动机主要技 术参数见表1, doc和cdpf参数信息见表2o试 验用柴油为满足国六标准的市售。号柴油，其主要 理化特性分析结果见表3。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 中累积到一定量的灰分后，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。本文采用掺烧润滑油 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4o灰分累积使用工况为1600 r/min、40%负荷，2800 r/min、80

11、%负荷，在 1600 r/min、40%负荷工况下运行1.5 h后，调整发动机参 数，在2800 r/min 80%负荷工况下运行1 h,依次 重复运行，具体累积过程可参考文献18j,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 2.35g/l、10.80g/l、27.28g/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2000 r/min下三个不同负荷点， 负荷分别为40%、60%、80%o试验中，发动机首 先在采样工况点运行10分钟左右的时间，待发动机 进气温度、冷却液温度、润滑油温度及压力

12、等参数 稳定后，进行非常规污染物采样。非常规污染物中醛酮类污染物，采用美国skc 公司采样泵（型号：220-5000tc-s,采样流量范围： 0.5.5l/min）,美国 supelco 公司 lpdnphslo 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1.5l/min并保持 恒定，采样时间为10分钟。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 使用高效液相色谱仪（hplc, high-performance liquid chromatography, 美国 agilent, series 1200） 进行分析。使用tenax

13、ta （美国agilent）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，醛酮类和苯系物 采样时，各自使用独立采样泵进行采样。采样泵流 量设定为500 ml/min,采样时间为10分钟。使用 气相色谱-质谱联用分析仪（gc-ms, gas chromatography mass spectroscopy, 美 国 agilent 6890-59750 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:mz .c -（1）qt其中，

14、c一醛酮类污染物、苯系污染物的浓度， ng/l； m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一采样泵流量， l/min； t一采样时间，min； 溢度传斥器l!压力传恩那图1试验装置示意图表1试验用柴油机主要技术参数项目参数型式直列四缸四冲程冷却方式水冷供油系统高压共轨进气方式增压中冷，egr缸径（mm） x行程（mm）92x94压缩比16:1排量（l）2.499油轨/喷油额定压力（mpa）140/60怠速/最高转速（r/min）800/3600额定功率/转速(kw/rmin1)105/3600最大扭矩/转速(n-m/rmin-1)360/1600 2800

15、润滑方式压力、飞溅混合式润滑油容量6.5l满足的排放标准国iv2结果与讨论类型规格(mmxmm)目数/壁厚(cpsi/mm)体积 材质(l)doc143.8x127.0400/6堇青石2.06dpf143.8x152.4200/17sic2.47表3试验用柴油理化特性特性数值检验方法热值(mj/kg)42.87gb/t 384-81(88)20 °c密度(kg/m3)835.50sh/t0604-200020 °c粘度(mm2/s)5.06gb/t2655-88 顺流法碳含量(%)86.14sh/t0656-1988(2004)氢含量(%)13.86sh/t0656-198

16、8(2004)硫含量(mg/l)4.40sh/t0689-2000锌含量(%)0.0024icp-ms全元素扫描载体信息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物排放的影响见 图2,由于cdpf对苯系污染物的影响与柴油机转速 有关，在cdpf新鲜状态下，在cdpf后除甲苯 在各个工况下均略有小幅上升外，其它物质无明显 变化规律，与他人的研究结果类似a】。总体分析， 在新鲜状态下，cdpf后的苯系物浓度略有上升。当cdpf中的灰分沉积量达到2.35 g/l、10.80 g/l时，上述三种不同工况下，在cdpf前苯系物的 总量相比新鲜状态下均呈明显下降规律。但是当 cdp

17、f中灰分沉积达到27.28 g/l时，cdpf前苯系物 的总排放量与新鲜状态相比有明显增加。随着cdpf 中灰分的不断增加会导致排气背压不断增加，因此, 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，柴油机泵气损失加大，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、二甲苯等芳香慌排放增加122,排气中 苯系物排放升高，因此导致随着cdpf中灰分的逐 渐累积，cdpf前排气中的苯系物排放呈u型趋势。特性检验方法数值20 °c密度(kg/m3)sh/t0604

18、-2000858.1040 °c粘度(mm2/s)gb/t2655-88 顺流法72.78碳含量(%)sh/t0656-1988(2004)83.99氢含量(%)sh/t0656-1988(2004)13.85硫酸盐灰分(%)gb/t2433-20011.92钙含量(%)icp-ms全元素扫描0.47锌含量(%)0.13表4试验用润滑油理化特性当cdpf中的灰分沉积量分别达到2.35 g/l、10.80 g/l、27.28g/l时,在不同工况下，cdpf后排 气中苯系物排放量比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)

19、 cdpf和灰分对排气 颗粒物的氧化作用；3)少量润滑油以及未完全燃烧 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123】。尽管在沉积了灰分后，不同工况下cdpf 后的苯系物排放比cdpf前有所升高，当灰分达到 2.35 g/l、10.80 g/l时，cdpf后的苯系物排放与 cdpf在新鲜状态下变化不大，甚至略低，但当灰分 沉积量达到27.28g/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表2 doc/dpf参数镁含量(%)0.0019硫含量(%)0.41磷含量(%)0.12硅含量(%)0.00031钳

20、含量(%)0.00021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。图2不同工况下灰分对苯系物排放影响a） 2000 r/min>40%负荷；b） 2000 r/min、60%负荷；c） 2000 r/min、80%负 荷；z z i o(qmu)翅炭随着cdpf中灰分的增加，苯系物中各组分量 也出现不同程度的变化，特别在2000 r/min> 40% 负荷，2000 r/min> 60%负荷工况下，当cdpf中的 灰分达到27.28 g/l时，苯系物中甲苯、二甲苯（邻、 间、对）排放量几乎是新鲜cdpf前、后排放量的 二倍左右。这与cdpf对

21、苯系物具有较高的催化活 性124】，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125,在 cdpf后苯、苯乙烯排放量儿乎没有变化。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，排气中醛酮类污染物 排放主要以甲醛、乙醛为主，与以前相关报道类似 23。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

22、酮的排放24, cdpf后与cdpf 前相比，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，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（除27.28g/l灰分，2000 r/min> 40%负荷工况外）。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，灰分量不同时，cdpf后醛酮类 污染物排放量相比cdpf前均明显下降，特别是甲 醛、乙醛排放。相比新鲜状态，cdpf后的醛酮类污染物排放

23、, 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，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。100002 (qau)狭炭(x)(x)o()4 3 2 (qau)遂媛图3不同工况下灰分对醛酮类污染物排放影响a) 2000r/min、40%负荷;b) 2000 r/min% 60%负荷;c) 2000 i7min、80%负荷；3结论(1) 随着cdpf中灰分沉积量的不断增加， cdpf前排气中的苯系物排放呈现u型趋势，不同 工况下cdpf后排气中苯系物排放与cdpf前相比, 均明显升高，不同苯系物组分，变化规律不完全一 致。

24、(2) cdpf沉积灰分后，cdpf前的醛酮类污染 物的总量与新鲜状态相比明显增加ocdpf后的醛酮 类污染物排量与cdpf前相比均呈明显下降趋势， 检测到的醛酮类污染物物种也发生了明显变化，检 出了在cdpf前未能被检测到的物质。参考文献：i gao j, ma c, xing s, et al a review of fundamental factors affecting diesel pm oxidation behaviors j. science china-technological sciences, 2018, 61(3): 330-345. wang h h, ge y

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