DPF對柴油發電機顆粒物的捕集效果分析
發布時間：2025-04-02 點擊：40
dpf對柴油發電機顆粒物的捕集效果分析
dpf作為柴油發電機尾氣后處理技術的關鍵部分，國內外學者對其一直有大量研究?？得魉构驹诒疚闹薪榻B了在1500rpm且柴油發電機組在75%負荷下dpf對不同粒徑的pm捕集效果，研究結果表明，隨著試驗時間的延長，dpf對柴油發電機pm的捕集率有所提高，且dpf對大粒徑聚集態顆粒物的捕集率要高于對核態顆粒物的捕集率。
柴油發電機相對于汽油機具有油耗低、耐久性好、輸出扭矩高、co和hc的排放量較少等優點，但柴油發電機顆粒物（particulate matter，pm）的排放一直是制約柴油發電機發展的關鍵因素。根據pm粒徑的大小可將其分為直徑50nm以內的核態微粒和直徑50nm以上的聚集態微粒，并且將直徑在100nm以下微粒定義為超細微粒[3]。pm中的微粒大多數都是納米級的粒子，能夠長期在空氣中漂浮并被人體吸入體內，其中所含的苯等多環芳香烴具有強烈的致癌作用，給人的生命健康造成重大危害。因此，降低pm的排放量是凈化柴油發電機尾氣的首要工作。
圖1 柴油機顆粒物成長過程圖
國內有眾多學者對dpf的捕集特性做了較多研究表明，柴油發電機微粒捕集器（diesel particular filter，dpf）是目前公認的降低柴油發電機pm排放的最有效手段。dpf最常見的結構為壁流式結構，采用圓柱形堇青石在軸向上形成許多細小的平行通道，每個通道均為只有一端堵塞的通孔結構，相鄰兩個通道封閉端不相鄰。dpf的工作機理正是根據這個結構特點，使流入的尾氣被迫通過過濾壁面流出，而尾氣中的pm也將在此過程中沉積在過濾壁面上，最終達到凈化尾氣的目的。在現行的國六排放標準下，運用dpf降低柴油發電機顆粒物排放勢在必行。
1、試驗裝置及方案
本試驗采用康明斯4b系列柴油發電機，dpf捕集pm的試驗系統主要由柴油發電機、dpf、eeps3090發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀、稀釋系統及計算機組成。試驗所用dpf直徑φ144mm，高152mm，安裝于柴油發電機排氣管上，用于捕集尾氣中的pm；在dpf前后端分別設置采樣點1和采樣點2，在兩采樣點位置安裝管道，柴油發電機尾氣經稀釋系統稀釋后通入eeps3090發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，在此對pm的粒徑分布進行測取。試驗時，柴油發電機恒定轉速為2500r/min，負荷為75%，連續運轉240min。
圖2 柴油機顆粒物實驗裝置
2 、試驗結果與分析
柴油發電機尾氣中的pm主要是核態微粒和聚集態微粒。核態微粒主要是由缸內燃燒過程形成的未完全燃燒的碳核、發動機排氣在稀釋冷卻過程中形成的揮發性碳氫化合物以及燃料中含硫化合物和部分金屬化合物成核組成的；聚集態顆粒主要是由燃料或潤滑油不完全氧化形成的碳煙粒子經過碰撞聚集作用，表面吸附凝結的烴類等揮發性物質形成的鏈狀或團絮狀聚集物。
圖3為dpf前后端pm的粒徑分布圖，dpf后端取試驗開始后5min時刻和240min時刻，設置eeps采樣步長為0.1s，對所得數據取平均值作圖2，圖中dn為顆粒物的數量濃度，dp為顆粒物的粒徑。由圖3可見，dpf前端pm分布呈雙峰狀，峰值分別在9nm和120nm附近，而dpf后端均呈3峰狀分布，峰值分別在9nm、32nm、128nm附近。dpf后端與前端對比可以看出，后端顆粒物濃度明顯下降，且聚集態顆粒物下降更為明顯。到240min時，大粒徑的聚集態顆粒物數量幾乎為0，說明dpf對聚集態顆粒物的捕集效果較為顯著。
結合dpf的捕集原理及圖3可知，pm在dpf孔道內沉積會使孔道直徑減小，導致更多的pm被攔截而在孔道內沉積，從而提升了dpf對核態和聚集態顆粒的捕集效率。但值得注意的是，pm的沉積會導致排氣背壓增大，嚴重時影響發動機的正常運行。
圖3 dpf前后端粒徑分布圖
3、 試驗結論
① 柴油發電機廢氣經過dpf的捕集后，聚集態顆粒物的濃度顯著降低，說明dpf對聚集態顆粒物的捕集效果較好。而相對于聚集態顆粒物，核態顆粒物的濃度變化較小，說明dpf對核態顆粒物的捕集效果較弱。
② dpf對顆粒物的捕集率隨時間的延長而升高，且對核態顆粒物的捕集效果增長較為顯著，說明dpf對顆粒物尤其是核態顆粒物的捕集并非瞬時性的，需要一定的時間作積累。
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dpf作為柴油發電機尾氣后處理技術的關鍵部分，國內外學者對其一直有大量研究?？得魉构驹诒疚闹薪榻B了在1500rpm且柴油發電機組在75%負荷下dpf對不同粒徑的pm捕集效果，研究結果表明，隨著試驗時間的延長，dpf對柴油發電機pm的捕集率有所提高，且dpf對大粒徑聚集態顆粒物的捕集率要高于對核態顆粒物的捕集率。
柴油發電機相對于汽油機具有油耗低、耐久性好、輸出扭矩高、co和hc的排放量較少等優點，但柴油發電機顆粒物（particulate matter，pm）的排放一直是制約柴油發電機發展的關鍵因素。根據pm粒徑的大小可將其分為直徑50nm以內的核態微粒和直徑50nm以上的聚集態微粒，并且將直徑在100nm以下微粒定義為超細微粒[3]。pm中的微粒大多數都是納米級的粒子，能夠長期在空氣中漂浮并被人體吸入體內，其中所含的苯等多環芳香烴具有強烈的致癌作用，給人的生命健康造成重大危害。因此，降低pm的排放量是凈化柴油發電機尾氣的首要工作。
圖1 柴油機顆粒物成長過程圖
國內有眾多學者對dpf的捕集特性做了較多研究表明，柴油發電機微粒捕集器（diesel particular filter，dpf）是目前公認的降低柴油發電機pm排放的最有效手段。dpf最常見的結構為壁流式結構，采用圓柱形堇青石在軸向上形成許多細小的平行通道，每個通道均為只有一端堵塞的通孔結構，相鄰兩個通道封閉端不相鄰。dpf的工作機理正是根據這個結構特點，使流入的尾氣被迫通過過濾壁面流出，而尾氣中的pm也將在此過程中沉積在過濾壁面上，最終達到凈化尾氣的目的。在現行的國六排放標準下，運用dpf降低柴油發電機顆粒物排放勢在必行。
1、試驗裝置及方案
本試驗采用康明斯4b系列柴油發電機，dpf捕集pm的試驗系統主要由柴油發電機、dpf、eeps3090發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀、稀釋系統及計算機組成。試驗所用dpf直徑φ144mm，高152mm，安裝于柴油發電機排氣管上，用于捕集尾氣中的pm；在dpf前后端分別設置采樣點1和采樣點2，在兩采樣點位置安裝管道，柴油發電機尾氣經稀釋系統稀釋后通入eeps3090發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，在此對pm的粒徑分布進行測取。試驗時，柴油發電機恒定轉速為2500r/min，負荷為75%，連續運轉240min。
圖2 柴油機顆粒物實驗裝置
2 、試驗結果與分析
柴油發電機尾氣中的pm主要是核態微粒和聚集態微粒。核態微粒主要是由缸內燃燒過程形成的未完全燃燒的碳核、發動機排氣在稀釋冷卻過程中形成的揮發性碳氫化合物以及燃料中含硫化合物和部分金屬化合物成核組成的；聚集態顆粒主要是由燃料或潤滑油不完全氧化形成的碳煙粒子經過碰撞聚集作用，表面吸附凝結的烴類等揮發性物質形成的鏈狀或團絮狀聚集物。
圖3為dpf前后端pm的粒徑分布圖，dpf后端取試驗開始后5min時刻和240min時刻，設置eeps采樣步長為0.1s，對所得數據取平均值作圖2，圖中dn為顆粒物的數量濃度，dp為顆粒物的粒徑。由圖3可見，dpf前端pm分布呈雙峰狀，峰值分別在9nm和120nm附近，而dpf后端均呈3峰狀分布，峰值分別在9nm、32nm、128nm附近。dpf后端與前端對比可以看出，后端顆粒物濃度明顯下降，且聚集態顆粒物下降更為明顯。到240min時，大粒徑的聚集態顆粒物數量幾乎為0，說明dpf對聚集態顆粒物的捕集效果較為顯著。
結合dpf的捕集原理及圖3可知，pm在dpf孔道內沉積會使孔道直徑減小，導致更多的pm被攔截而在孔道內沉積，從而提升了dpf對核態和聚集態顆粒的捕集效率。但值得注意的是，pm的沉積會導致排氣背壓增大，嚴重時影響發動機的正常運行。
圖3 dpf前后端粒徑分布圖
3、 試驗結論
① 柴油發電機廢氣經過dpf的捕集后，聚集態顆粒物的濃度顯著降低，說明dpf對聚集態顆粒物的捕集效果較好。而相對于聚集態顆粒物，核態顆粒物的濃度變化較小，說明dpf對核態顆粒物的捕集效果較弱。
② dpf對顆粒物的捕集率隨時間的延長而升高，且對核態顆粒物的捕集效果增長較為顯著，說明dpf對顆粒物尤其是核態顆粒物的捕集并非瞬時性的，需要一定的時間作積累。
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