dpf對(duì)柴油發(fā)電機(jī)顆粒物的捕集效果分析
dpf作為柴油發(fā)電機(jī)尾氣后處理技術(shù)的關(guān)鍵部分，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其一直有大量研究。康明斯公司在本文中介紹了在1500rpm且柴油發(fā)電機(jī)組在75%負(fù)荷下dpf對(duì)不同粒徑的pm捕集效果，研究結(jié)果表明，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，dpf對(duì)柴油發(fā)電機(jī)pm的捕集率有所提高，且dpf對(duì)大粒徑聚集態(tài)顆粒物的捕集率要高于對(duì)核態(tài)顆粒物的捕集率。
柴油發(fā)電機(jī)相對(duì)于汽油機(jī)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(yōu)點(diǎn)，但柴油發(fā)電機(jī)顆粒物（particulate matter，pm）的排放一直是制約柴油發(fā)電機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素。根據(jù)pm粒徑的大小可將其分為直徑50nm以內(nèi)的核態(tài)微粒和直徑50nm以上的聚集態(tài)微粒，并且將直徑在100nm以下微粒定義為超細(xì)微粒[3]。pm中的微粒大多數(shù)都是納米級(jí)的粒子，能夠長(zhǎng)期在空氣中漂浮并被人體吸入體內(nèi)，其中所含的苯等多環(huán)芳香烴具有強(qiáng)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(fā)電機(jī)尾氣的首要工作。
圖1 柴油機(jī)顆粒物成長(zhǎng)過(guò)程圖
國(guó)內(nèi)有眾多學(xué)者對(duì)dpf的捕集特性做了較多研究表明，柴油發(fā)電機(jī)微粒捕集器（diesel particular filter，dpf）是目前公認(rèn)的降低柴油發(fā)電機(jī)pm排放的最有效手段。dpf最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)為壁流式結(jié)構(gòu)，采用圓柱形堇青石在軸向上形成許多細(xì)小的平行通道，每個(gè)通道均為只有一端堵塞的通孔結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)通道封閉端不相鄰。dpf的工作機(jī)理正是根據(jù)這個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使流入的尾氣被迫通過(guò)過(guò)濾壁面流出，而尾氣中的pm也將在此過(guò)程中沉積在過(guò)濾壁面上，最終達(dá)到凈化尾氣的目的。在現(xiàn)行的國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)下，運(yùn)用dpf降低柴油發(fā)電機(jī)顆粒物排放勢(shì)在必行。
1、試驗(yàn)裝置及方案
本試驗(yàn)采用康明斯4b系列柴油發(fā)電機(jī)，dpf捕集pm的試驗(yàn)系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機(jī)、dpf、eeps3090發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放顆粒物粒徑譜儀、稀釋系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)組成。試驗(yàn)所用dpf直徑φ144mm，高152mm，安裝于柴油發(fā)電機(jī)排氣管上，用于捕集尾氣中的pm；在dpf前后端分別設(shè)置采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)2，在兩采樣點(diǎn)位置安裝管道，柴油發(fā)電機(jī)尾氣經(jīng)稀釋系統(tǒng)稀釋后通入eeps3090發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，在此對(duì)pm的粒徑分布進(jìn)行測(cè)取。試驗(yàn)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)恒定轉(zhuǎn)速為2500r/min，負(fù)荷為75%，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)240min。
圖2 柴油機(jī)顆粒物實(shí)驗(yàn)裝置
2 、試驗(yàn)結(jié)果與分析
柴油發(fā)電機(jī)尾氣中的pm主要是核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒。核態(tài)微粒主要是由缸內(nèi)燃燒過(guò)程形成的未完全燃燒的碳核、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在稀釋冷卻過(guò)程中形成的揮發(fā)性碳?xì)浠衔镆约叭剂现泻蚧衔锖筒糠纸饘倩衔锍珊私M成的；聚集態(tài)顆粒主要是由燃料或潤(rùn)滑油不完全氧化形成的碳煙粒子經(jīng)過(guò)碰撞聚集作用，表面吸附凝結(jié)的烴類等揮發(fā)性物質(zhì)形成的鏈狀或團(tuán)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(yàn)開始后5min時(shí)刻和240min時(shí)刻，設(shè)置eeps采樣步長(zhǎng)為0.1s，對(duì)所得數(shù)據(jù)取平均值作圖2，圖中dn為顆粒物的數(shù)量濃度，dp為顆粒物的粒徑。由圖3可見(jiàn)，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(duì)比可以看出，后端顆粒物濃度明顯下降，且聚集態(tài)顆粒物下降更為明顯。到240min時(shí)，大粒徑的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量幾乎為0，說(shuō)明dpf對(duì)聚集態(tài)顆粒物的捕集效果較為顯著。
結(jié)合dpf的捕集原理及圖3可知，pm在dpf孔道內(nèi)沉積會(huì)使孔道直徑減小，導(dǎo)致更多的pm被攔截而在孔道內(nèi)沉積，從而提升了dpf對(duì)核態(tài)和聚集態(tài)顆粒的捕集效率。但值得注意的是，pm的沉積會(huì)導(dǎo)致排氣背壓增大，嚴(yán)重時(shí)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。
圖3 dpf前后端粒徑分布圖
3、 試驗(yàn)結(jié)論
① 柴油發(fā)電機(jī)廢氣經(jīng)過(guò)dpf的捕集后，聚集態(tài)顆粒物的濃度顯著降低，說(shuō)明dpf對(duì)聚集態(tài)顆粒物的捕集效果較好。而相對(duì)于聚集態(tài)顆粒物，核態(tài)顆粒物的濃度變化較小，說(shuō)明dpf對(duì)核態(tài)顆粒物的捕集效果較弱。
② dpf對(duì)顆粒物的捕集率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，且對(duì)核態(tài)顆粒物的捕集效果增長(zhǎng)較為顯著，說(shuō)明dpf對(duì)顆粒物尤其是核態(tài)顆粒物的捕集并非瞬時(shí)性的，需要一定的時(shí)間作積累。

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