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摘要：DPF作为柴油机尾气后处理技术的关键部分，国内外学者对其一直有大量研究。本文研究了在2500r/min、75%负荷下DPF对柴油机不同粒径的PM捕集效果，研究结果表明，随着试验时间的延长，DPF对柴油机PM的捕集率有所提高，且DPF对大粒径聚集态颗粒物的捕集率要高于对核态颗粒物的捕集率。
Abstract： DPF is a key part of diesel exhaust post-treatment technology， which has been studied extensively by domestic and foreign scholars. In this paper， the capture effect of DPF on PM of diesel engine with different particle sizes was studied under 2500 r/min and 75% load. The results show that， with the extension of test time， the capture rate of DPF on PM of diesel engine is improved， and the capture rate of DPF on large particle size aggregated particles is higher than that on nuclear particles.
关键词：柴油机微粒捕集器;颗粒物;捕集特性;柴油机
Key words： diesel particular filter （DPF）;particulate matter;capture feature;diesel
中图分类号：U664.121.3 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0059-02
0 引言
柴油机相对于汽油机具有油耗低、耐久性好、输出扭矩高、CO和HC的排放量较少等优点，但柴油机颗粒物（particulate matter，PM）的排放一直是制约柴油机发展的关键因素[1-2]。根据PM粒径的大小可将其分为直径50nm以内的核态微粒和直径50nm以上的聚集态微粒，并且将直径在100nm以下微粒定义为超细微粒[3]。PM中的微粒大多数都是纳米级的粒子，能够长期在空气中漂浮并被人体吸入体内，其中所含的苯等多环芳香烃具有强烈的致癌作用，给人的生命健康造成重大危害[4-5]。因此，降低PM的排放量是净化柴油机尾气的首要工作。
国内有众多学者对DPF的捕集特性做了较多研究。陈熊等[6]研究了DPF的捕集效率与发动机工况的关系，研究表明DPF的捕集效率随工况变化较大，急加减速阶段DPF的捕集效果变差。孙万臣等[7]研究了DPF对柴油机不同转速下的捕集特性，研究还指出DPF对相同粒径微粒的捕集效率与发动机转速和工况有关;中等转速、中小负荷下DPF对颗粒物的捕集效率较高，随着转速和负荷的增加，DPF的捕集效率有所下降。田晶等[8]研究了聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）/柴油混合燃料对柴油机颗粒物排放及DPF捕集特性，研究表明，PODE的加入使得柴油机PM的排放量减少，DPF对PM的捕集效果也有一定程度的减弱，但总的捕集效率仍能够保持在95%以上，对DPF的正常使用无太大影响。沈颖刚等[9]的研究表明，适当的PODE的掺入能在一定程度上延长催化型柴油机颗粒捕集器（catalytic diesel particular filter，CDPF）再生周期，同时保证CDPF的转化效率。张宗喜[10]研究了DPF/NTP的协同作用下DPF的捕集特性，研究指出，在不改变柴油机参数和DPF结构的前提下，在DPF中加入催化剂能够很好地提高DPF的捕集效果。而NTP与DPF的协同作用能够进一步改善DPF的捕集效果，这是因为NTP中的活性成分能够使DPF在低温条件下再生，从而NTP与DPF协同作用能更好地达到减排的目的。贾传德[11]研究了柴油机后加装DOC+DPF的捕集效果，试验结果表明，DOC的加入一方面可以使柴油机尾气中的HC和CO及PM中的可溶性有机物（SOF）被提前氧化氧化，另一方面可以很好地实现DPF的连续再生，增强了DPF对高转速、大工况下的颗粒物的捕集能力。
已有的研究表明，柴油机微粒捕集器（diesel particular filter，DPF）是目前公认的降低柴油机PM排放的最有效手段[12-13]。DPF最常见的结构为壁流式结构，采用圆柱形堇青石在轴向上形成许多细小的平行通道，每个通道均为只有一端堵塞的通孔结构，相邻两个通道封闭端不相邻。DPF的工作机理正是根据这个结构特点，使流入的尾气被迫通过过滤壁面流出，而尾气中的PM也将在此过程中沉积在过滤壁面上，最终达到净化尾气的目的。在现行的国六排放标准下，运用DPF降低柴油机颗粒物排放势在必行。
1 试验装置及方案
本试验采用YD480Q柴油机，其主要参数如表1所示。图1为DPF捕集PM的试验系统示意图，如图1所示，DPF捕集PM的试验系统主要由柴油机、DPF、EEPS3090发动机废气排放颗粒物粒径谱仪、稀释系统及计算机组成。试验所用DPF直径Φ144mm，高152mm，安装于柴油机排气管上，用于捕集尾气中的PM;在DPF前后端分别设置采样点1和采样点2，在两采样点位置安装管道，柴油机尾气经稀释系统稀释后通入EEPS3090发动机废气排放颗粒物粒径谱仪，在此对PM的粒径分布进行测取。试验时，柴油机恒定转速为2500r/min，负荷为75%，连续运转240min。 2 试验结果与分析
柴油机尾气中的PM主要是核态微粒和聚集态微粒。核态微粒主要是由缸内燃烧过程形成的未完全燃烧的碳核、发动机排气在稀释冷却过程中形成的挥发性碳氢化合物以及燃料中含硫化合物和部分金属化合物成核组成的;聚集态颗粒主要是由燃料或润滑油不完全氧化形成的碳烟粒子经过碰撞聚集作用，表面吸附凝结的烃类等挥发性物质形成的链状或团絮状聚集物[14-15]。
图2为DPF前后端PM的粒径分布图，DPF后端取试验开始后5min时刻和240min时刻，设置EEPS采样步长为0.1s，对所得数据取平均值作图2，图中dN为颗粒物的数量浓度，dp为颗粒物的粒径。由图2可见，DPF前端PM分布呈双峰状，峰值分别在9nm和120nm附近，而DPF后端均呈3峰状分布，峰值分别在9nm、32nm、128nm附近。DPF后端与前端对比可以看出，后端颗粒物浓度明显下降，且聚集态颗粒物下降更为明显。到240min时，大粒径的聚集态颗粒物数量几乎为0，说明DPF对聚集态颗粒物的捕集效果较为显著。
结合DPF的捕集原理及图2可知，PM在DPF孔道内沉积会使孔道直径减小，导致更多的PM被拦截而在孔道内沉积，从而提升了DPF对核态和聚集态颗粒的捕集效率。但值得注意的是，PM的沉积会导致排气背压增大，严重时影响发动机的正常运行。
3 试验结论
①柴油机废气经过DPF的捕集后，聚集态颗粒物的浓度显著降低，说明DPF对聚集态颗粒物的捕集效果较好。而相对于聚集态颗粒物，核态颗粒物的浓度变化较小，说明DPF对核态颗粒物的捕集效果较弱。
②DPF对颗粒物的捕集率随时间的延长而升高，且对核态颗粒物的捕集效果增长较为显著，说明DPF对颗粒物尤其是核態颗粒物的捕集并非瞬时性的，需要一定的时间作积累。
参考文献：
[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]赵航，王务林.车用柴油机后处理技术[M].北京：中国科学技术出版社，2010.
[3]李国良，孙万臣，谭满志，赖春杰，陈士宝，安普尊.GTL/柴油混合燃料发动机瞬态工况下微粒排放粒度分布特征[J].吉林大学学报（工学版），2011，41（06）：559-564.
[4]Zimmerman Naomi， Wang Jonathan M， Jeong Cheol-Heon， Wallace James S， Evans Greg J. Assessing the Climate Trade-Offs of Gasoline Direct Injection Engines.[J]. Environmental science & technology，2016，50（15）.
[5]Wong Chit Ming， Tsang Hilda， Lai Hak Kan， Thomas G Neil， Lam Kin Bong， Chan King Pan， Zheng Qishi， Ayres Jon G， Lee Siu Yin， Lam Tai Hing， Thach Thuan Quoc. Cancer Mortality Risks from Long-term Exposure to Ambient Fine Particle.[J]. Cancer epidemiology， biomarkers & prevention ： a publication of the American Association for Cancer Research， cosponsored by the American Society of Preventive Oncology，2016，25（5）.
[6]陈熊，李孟良，侯献军，徐月云.不同工况下DPF对柴油车颗粒物过滤特性的研究[J].汽车工程，2013，35（12）：1074-1077，1104.
[7]孙万臣，刘高，郭亮，杜家坤，肖森林，李国良.微粒捕集器对高压共轨柴油机超细微粒捕集特性[J].吉林大学学报（工学版），2016，46（01）：133-139.
[8]田晶，蔡忆昔，濮晓宇，顾林波，施蕴曦.掺混聚甲氧基二甲醚对柴油机排放的影响[J].中国环境科学，2018，38（01）：73-82.
[9]沈颖刚，张敬贤，陈贵升，杨杰，廖凭皓，李冰.聚甲氧基二甲醚掺混比对柴油机性能及柴油机氧化催化器+催化型柴油机颗粒捕集器后处理系统的影响[J].内燃机工程，2021，42（02）：38-46.
[10]张宗喜.柴油机燃用混合燃料及DPF/NTP减排研究[D].中国农业大学，2018.
[11]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[J].汽车实用技术，2021，46（03）：125-128.
[12]施蕴曦，蔡忆昔，朱磊，陈祎，赵闯，王为凯.柴油机颗粒过滤器工作过程中捕集颗粒物的试验研究[J].内燃机工程，2019，40（06）：24-29，35.
[13]孟忠伟，陈超，李路，吴辉，闫妍.DPF分区再生性能的试验研究[J].内燃机工程，2017，38（04）：47-52.
[14]孙万臣，张曙光，郭亮，王乔，范鲁艳，程鹏.煤基柴油及其混合燃料对发动机燃烧与排放的影响[J].内燃机学报，2018，36（05）：393-400.
[15]刘军恒，孙平，刘源，嵇乾，姚肖华，杨晨.PODE掺混比对高压共轨柴油机颗粒物物理特性的影响[J].西安交通大学学报，2017，51（12）：104-111.
Abstract： DPF is a key part of diesel exhaust post-treatment technology， which has been studied extensively by domestic and foreign scholars. In this paper， the capture effect of DPF on PM of diesel engine with different particle sizes was studied under 2500 r/min and 75% load. The results show that， with the extension of test time， the capture rate of DPF on PM of diesel engine is improved， and the capture rate of DPF on large particle size aggregated particles is higher than that on nuclear particles.
关键词：柴油机微粒捕集器;颗粒物;捕集特性;柴油机
Key words： diesel particular filter （DPF）;particulate matter;capture feature;diesel
中图分类号：U664.121.3 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0059-02
0 引言
柴油机相对于汽油机具有油耗低、耐久性好、输出扭矩高、CO和HC的排放量较少等优点，但柴油机颗粒物（particulate matter，PM）的排放一直是制约柴油机发展的关键因素[1-2]。根据PM粒径的大小可将其分为直径50nm以内的核态微粒和直径50nm以上的聚集态微粒，并且将直径在100nm以下微粒定义为超细微粒[3]。PM中的微粒大多数都是纳米级的粒子，能够长期在空气中漂浮并被人体吸入体内，其中所含的苯等多环芳香烃具有强烈的致癌作用，给人的生命健康造成重大危害[4-5]。因此，降低PM的排放量是净化柴油机尾气的首要工作。
国内有众多学者对DPF的捕集特性做了较多研究。陈熊等[6]研究了DPF的捕集效率与发动机工况的关系，研究表明DPF的捕集效率随工况变化较大，急加减速阶段DPF的捕集效果变差。孙万臣等[7]研究了DPF对柴油机不同转速下的捕集特性，研究还指出DPF对相同粒径微粒的捕集效率与发动机转速和工况有关;中等转速、中小负荷下DPF对颗粒物的捕集效率较高，随着转速和负荷的增加，DPF的捕集效率有所下降。田晶等[8]研究了聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers，PODE）/柴油混合燃料对柴油机颗粒物排放及DPF捕集特性，研究表明，PODE的加入使得柴油机PM的排放量减少，DPF对PM的捕集效果也有一定程度的减弱，但总的捕集效率仍能够保持在95%以上，对DPF的正常使用无太大影响。沈颖刚等[9]的研究表明，适当的PODE的掺入能在一定程度上延长催化型柴油机颗粒捕集器（catalytic diesel particular filter，CDPF）再生周期，同时保证CDPF的转化效率。张宗喜[10]研究了DPF/NTP的协同作用下DPF的捕集特性，研究指出，在不改变柴油机参数和DPF结构的前提下，在DPF中加入催化剂能够很好地提高DPF的捕集效果。而NTP与DPF的协同作用能够进一步改善DPF的捕集效果，这是因为NTP中的活性成分能够使DPF在低温条件下再生，从而NTP与DPF协同作用能更好地达到减排的目的。贾传德[11]研究了柴油机后加装DOC+DPF的捕集效果，试验结果表明，DOC的加入一方面可以使柴油机尾气中的HC和CO及PM中的可溶性有机物（SOF）被提前氧化氧化，另一方面可以很好地实现DPF的连续再生，增强了DPF对高转速、大工况下的颗粒物的捕集能力。
已有的研究表明，柴油机微粒捕集器（diesel particular filter，DPF）是目前公认的降低柴油机PM排放的最有效手段[12-13]。DPF最常见的结构为壁流式结构，采用圆柱形堇青石在轴向上形成许多细小的平行通道，每个通道均为只有一端堵塞的通孔结构，相邻两个通道封闭端不相邻。DPF的工作机理正是根据这个结构特点，使流入的尾气被迫通过过滤壁面流出，而尾气中的PM也将在此过程中沉积在过滤壁面上，最终达到净化尾气的目的。在现行的国六排放标准下，运用DPF降低柴油机颗粒物排放势在必行。
1 试验装置及方案
本试验采用YD480Q柴油机，其主要参数如表1所示。图1为DPF捕集PM的试验系统示意图，如图1所示，DPF捕集PM的试验系统主要由柴油机、DPF、EEPS3090发动机废气排放颗粒物粒径谱仪、稀释系统及计算机组成。试验所用DPF直径Φ144mm，高152mm，安装于柴油机排气管上，用于捕集尾气中的PM;在DPF前后端分别设置采样点1和采样点2，在两采样点位置安装管道，柴油机尾气经稀释系统稀释后通入EEPS3090发动机废气排放颗粒物粒径谱仪，在此对PM的粒径分布进行测取。试验时，柴油机恒定转速为2500r/min，负荷为75%，连续运转240min。 2 试验结果与分析
柴油机尾气中的PM主要是核态微粒和聚集态微粒。核态微粒主要是由缸内燃烧过程形成的未完全燃烧的碳核、发动机排气在稀释冷却过程中形成的挥发性碳氢化合物以及燃料中含硫化合物和部分金属化合物成核组成的;聚集态颗粒主要是由燃料或润滑油不完全氧化形成的碳烟粒子经过碰撞聚集作用，表面吸附凝结的烃类等挥发性物质形成的链状或团絮状聚集物[14-15]。
图2为DPF前后端PM的粒径分布图，DPF后端取试验开始后5min时刻和240min时刻，设置EEPS采样步长为0.1s，对所得数据取平均值作图2，图中dN为颗粒物的数量浓度，dp为颗粒物的粒径。由图2可见，DPF前端PM分布呈双峰状，峰值分别在9nm和120nm附近，而DPF后端均呈3峰状分布，峰值分别在9nm、32nm、128nm附近。DPF后端与前端对比可以看出，后端颗粒物浓度明显下降，且聚集态颗粒物下降更为明显。到240min时，大粒径的聚集态颗粒物数量几乎为0，说明DPF对聚集态颗粒物的捕集效果较为显著。
结合DPF的捕集原理及图2可知，PM在DPF孔道内沉积会使孔道直径减小，导致更多的PM被拦截而在孔道内沉积，从而提升了DPF对核态和聚集态颗粒的捕集效率。但值得注意的是，PM的沉积会导致排气背压增大，严重时影响发动机的正常运行。
3 试验结论
①柴油机废气经过DPF的捕集后，聚集态颗粒物的浓度显著降低，说明DPF对聚集态颗粒物的捕集效果较好。而相对于聚集态颗粒物，核态颗粒物的浓度变化较小，说明DPF对核态颗粒物的捕集效果较弱。
②DPF对颗粒物的捕集率随时间的延长而升高，且对核态颗粒物的捕集效果增长较为显著，说明DPF对颗粒物尤其是核態颗粒物的捕集并非瞬时性的，需要一定的时间作积累。
参考文献：
[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]赵航，王务林.车用柴油机后处理技术[M].北京：中国科学技术出版社，2010.
[3]李国良，孙万臣，谭满志，赖春杰，陈士宝，安普尊.GTL/柴油混合燃料发动机瞬态工况下微粒排放粒度分布特征[J].吉林大学学报（工学版），2011，41（06）：559-564.
[4]Zimmerman Naomi， Wang Jonathan M， Jeong Cheol-Heon， Wallace James S， Evans Greg J. Assessing the Climate Trade-Offs of Gasoline Direct Injection Engines.[J]. Environmental science & technology，2016，50（15）.
[5]Wong Chit Ming， Tsang Hilda， Lai Hak Kan， Thomas G Neil， Lam Kin Bong， Chan King Pan， Zheng Qishi， Ayres Jon G， Lee Siu Yin， Lam Tai Hing， Thach Thuan Quoc. Cancer Mortality Risks from Long-term Exposure to Ambient Fine Particle.[J]. Cancer epidemiology， biomarkers & prevention ： a publication of the American Association for Cancer Research， cosponsored by the American Society of Preventive Oncology，2016，25（5）.
[6]陈熊，李孟良，侯献军，徐月云.不同工况下DPF对柴油车颗粒物过滤特性的研究[J].汽车工程，2013，35（12）：1074-1077，1104.
[7]孙万臣，刘高，郭亮，杜家坤，肖森林，李国良.微粒捕集器对高压共轨柴油机超细微粒捕集特性[J].吉林大学学报（工学版），2016，46（01）：133-139.
[8]田晶，蔡忆昔，濮晓宇，顾林波，施蕴曦.掺混聚甲氧基二甲醚对柴油机排放的影响[J].中国环境科学，2018，38（01）：73-82.
[9]沈颖刚，张敬贤，陈贵升，杨杰，廖凭皓，李冰.聚甲氧基二甲醚掺混比对柴油机性能及柴油机氧化催化器+催化型柴油机颗粒捕集器后处理系统的影响[J].内燃机工程，2021，42（02）：38-46.
[10]张宗喜.柴油机燃用混合燃料及DPF/NTP减排研究[D].中国农业大学，2018.
[11]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[J].汽车实用技术，2021，46（03）：125-128.
[12]施蕴曦，蔡忆昔，朱磊，陈祎，赵闯，王为凯.柴油机颗粒过滤器工作过程中捕集颗粒物的试验研究[J].内燃机工程，2019，40（06）：24-29，35.
[13]孟忠伟，陈超，李路，吴辉，闫妍.DPF分区再生性能的试验研究[J].内燃机工程，2017，38（04）：47-52.
[14]孙万臣，张曙光，郭亮，王乔，范鲁艳，程鹏.煤基柴油及其混合燃料对发动机燃烧与排放的影响[J].内燃机学报，2018，36（05）：393-400.
[15]刘军恒，孙平，刘源，嵇乾，姚肖华，杨晨.PODE掺混比对高压共轨柴油机颗粒物物理特性的影响[J].西安交通大学学报，2017，51（12）：104-111.