郑 烨 李新令 许 朕 乔信起 黄 震

（上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室 上海 200240）

引言

随着柴油机颗粒排放法规的日益严苛，各种颗粒净化技术在柴油机的排放控制领域得到了广泛应用。目前，DPF被普遍认为是去除效率最高的颗粒捕集装置，因此具有最大的市场占有率。然而，DPF由于自身壁流式的结构特点，在经过一段时间的使用后，容易被截留在内部的颗粒堵塞气路，引起排气背压的升高，造成发动机性能恶化、油耗升高，因此DPF必须定期进行再生[1]。POC作为一种折中的技术装置，尽管去除效率不如DPF，但它能较好地解决排气背压升高过快的问题，降低装置的再生频率，提高发动机的燃料经济性[2-5]。本文分别比较了不同氧化催化型后处理净化装置（DOC、POC和DPF）在不同工况条件下对常规气体排放以及颗粒的去除转化效率，为实现柴油机颗粒物的达标排放提供参考。

1 试验装置与方法

1.1 试验发动机和颗粒稀释系统

试验用发动机为一台四缸、废气涡轮增压、高压共轨直喷式柴油机作为原型机，进行了一系列的结构调整和改造。该发动机的主要特征参数如表1所示，本试验所用燃油为市售国IV标准的0#柴油，其中硫含量为47 mg/kg。在发动机排气管上安排了3个采样点，第一个采样点设置在距离发动机排气道出口近1 m处，用以连接两级稀释系统，后2个采样点则分别用于连接气体分析仪和烟度计。稀释通道与排气管的连接管道通过电加热温度控制在190°C，以避免挥发性碳氢成分在连接管壁面上凝结，两级稀释通道稀释温度设置为室温。在二级稀释通道末端设置一出气口用于连接颗粒分析仪器——SMPS，进行颗粒粒径分布测试。两级稀释通道的颗粒采样口均安装了温度传感器，以检测滤膜采样器和SMPS的入口温度，同时，利用气体分析仪分别测定排气、一级稀释、二级稀释管路内和空气背景中的CO2浓度，用以计算各级稀释比。在本次试验中，由于不同发动机工况，两级稀释通道的总稀释比在67.5～89.6之间变化。

表1 发动机主要参数

试验用DOC、POC和DPF装置的结构参数如表2所示，其中DOC、POC和DPF载体结构分别为流通型、半流通型和壁流式结构，其中DOC为金属载体，DPF为堇青石材料，POC为金属泡沫载体，内部集成了DOC功能，气流以中心向四周辐射的流动方式。

表2 各颗粒捕集装置的结构尺寸

1.2 试验工况

在不同的转速和负荷水平下考察了各颗粒捕集装置的净化效率，选择在1 450 r/min和1 820 r/min 2个转速下依次对5%、25%、50%和75%的负荷水平进行了测试，采用单次喷油，喷油时刻固定在0°CA ATDC，喷油压力为80 MPa。在不同工况条件下分别比较各装置对油耗、压降、气体、烟度和颗粒排放等的影响。

2 试验结果与分析

2.1 油耗和压降

图1为2 h活化阶段结束后不同颗粒捕集装置对于各工况条件下油耗和压差的影响情况。如图1所示，发动机装备了颗粒捕集装置后，油耗相较于原机（未配备任何装置，w/o Device）均略有上升，总体上呈现DPF>POC>DOC>w/o Device的变化规律，这是由于不同装置带来的额外压差（排气压力损失）引起的。如图1所示，在相同负荷下装置两端的压差以DPF>POC>DOC>w/o Device的顺序递减。压差越大表明装置内的气流阻力越大，发动机需要额外地做功以补偿这部分的排气损失，从而导致油耗量的增加。此外，从图中可以发现，该部分压差随着发动机负荷和转速的提高逐渐上升。这是由于负荷和转速的提高增加了单位时间内的排气量，对于工作容积一定的颗粒捕集装置，排气处理量的增加将导致其流动阻力升高，流通性变差。相对于壁流式的DPF，流通式、半流通式的装置结构能有效地降低排气阻力，从试验结果来看，POC和DOC两端的压差仅在高转速、大负荷工况下才有所上升，而在低负荷工况下，排气阻力能始终维持在较低的水平。

2.2 气体和烟度排放

图2、图3分别为各装置在不同工况下的CO、HC、烟度、NOx和NO/NO2测试结果。对比各装置的CO和HC排放结果发现，在测试工况范围内，DPF能实现对CO和HC的“近零”排放，DOC和POC也仅在5%的负荷水平下对CO去除效率较低，而3种装置对HC的去除效率在整个工况范围内都能维持在较高的水平。由于测试的颗粒捕集装置内均涂覆有Pt催化剂，有助于排气中的CO和HC再被氧化去除[6]。

图1 不同工况下各装置对比油耗和装置前后端压差的影响

图2 各后处理装置在不同工况条件下的CO和烟度排放值

图3 各后处理装置在不同工况条件下的NOx和NO/NO2的变化情况

对于DOC、POC而言，由于排气在装置内的停留时间较短，因而在低负荷下CO的转化缺乏足够的反应速度和反应时间，导致效率下降，而DPF由于壁流式的结构，既保证了排气在装置内的反应时间，也增强了壁面对CO等气体的吸附效果，因此能始终对CO保持较高的去除效率。而当负荷进一步升高（达到50%和75%），POC出口的CO浓度略有增加。这可能是由于当排气温度上升达到400℃后，沉积在POC装置内的颗粒开始发生“被动”再生，出现了如下的反应[5，7]：

因此部分CO可能经由反应R1和R3产生后随着排气被带出装置，导致CO排放浓度略有升高。

对于各工况的烟度水平而言，3种装置对于碳烟颗粒的去除效果差别明显。传统的DOC技术对于排气烟度的降低效果不甚理想。这是由于烟度水平与排气颗粒中的碳烟（Soot）浓度直接相关，由于DOC对于颗粒的去除主要以降低颗粒中的SOF组分来实现，而对于颗粒Soot部分的净化效果有限。

从NOx的排放结果来看，发动机在装备后处理装置以后，NOx排放量均略高于原机，而在3种装置之中，DPF对NOx排放量的提升效果又相对较强。这可能是由于在相同工况下，各装置使循环喷油量增加，从而有助于提高缸内的燃烧温度，导致NOx生成量的增加。各装置对于NO/NO2比例的影响作用更为显著。从原机的结果来看，NO/NO2比值较大，排气中的NOx主要以NO的形式存在，且该比值随着负荷的增加而上升。Shudo等人[8]认为在发动机缸内NO向NO2的转化主要通过如下反应进行：

其中HO2作为燃烧过程的一种中间产物，其生成量与缸内的氧气含量呈正相关，因此随着负荷的增加，缸内氧浓度逐渐下降，从而减少了HO2的生成量，使NO向NO2转化的效率降低，NO/NO2比值上升。而当排气系统引入颗粒捕集装置后，排气中的NO容易在催化剂的作用下经反应R6被氧化成NO2，从而使NO2/NO比值进一步升高。

2.3 颗粒去除效率

分别在不同工况下对各装置下游的颗粒粒径分布进行了测定。如图4所示，DPF在测试工况范围内始终保持对颗粒的高效去除，对颗粒总体的质量和数量去除率均达到99%以上。而从表3中可以发现，除1 820 r/min、5%负荷率的工况外，DOC对于积聚态颗粒数量的去除效率仅维持在10%～30%的水平，因而其对颗粒质量的去除率也较低。而POC对于积聚态颗粒数量的去除效率可达到60%～75%，而对于颗粒总体质量的平均去除率可达到66%。同时，DOC和POC对于核模态颗粒的去除效率受工况变化的影响较大，随着负荷的增加呈现逐渐下降的趋势。

图4 不同工况条件下各装置下游的颗粒粒径分布比较

表3 各测试条件相应的颗粒数量和质量去除效率

从表3中还可以发现，随着发动机负荷水平提高，DOC对于核模态颗粒的去除率尤为显著，在1450 r/min、75%负荷率的工况下甚至出现了负增长。造成这一现象的原因除了以上因素的影响外，装置内部在高温下进行的化学转化也可能发挥了重要的作用。Kittelson等人[9]认为随着负荷的增加，在低负荷状态下排气中的部分硫分在装置的催化剂涂层内被存储下来，而随着排气温度的升高，这部分先前存储下来的硫分开始以SO2的形式进行释放，并在装置内先经过氧化形成SO3，再与排气中的H2O结合形成H2SO4，从而为VOF提供了更多的成核核心，导致出口的核模态颗粒浓度反而有所增加。

3 结论

1）单独使用DOC仅能实现10%～20%颗粒质量去除率，且对颗粒数量去除同样不十分显著，某些高负荷工况下，由于尾气中SO2的催化氧化会产生SO3组分，从而在排气稀释过程中发生均相成核作用，引起核模态粒子（＜50 nm）排放增加。

2）DOC结合POC能够实现核模态粒子和积聚模态粒子的有效去除，核模态粒子去除率达到80%～95%，而积聚模态的去除率为60%～76%，总颗粒质量去除率达到65%～75%。

3）DPF能够实现颗粒高效去除，颗粒数量和质量去除率均达到99%以上，DPF会引起尾气NO2的升高，需要进一步将NO2消耗去除。