张宗喜,张凤强，张营华，李 昊

(1.山东建筑大学机电工程学院，山东 济南 250101；2.济南市技师学院，山东 济南 250115；3.高密市阚家镇人民政府，山东 潍坊 261513)

由于柴油机热效率高、燃油经济性好、输出功率及安全性好，被广泛应用于车辆、农业及工业领域[1-2]。然而伴随着公众环保意识提升及排放法规日趋严格，柴油机造成的污染问题受到广泛关注。截至2019年，尽管柴油车保有量仅占中国汽车保有量的9.1%，但柴油车排放的氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)分别占汽车排放总量的71.2%和99%以上[3]。研究发现，柴油机一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)排放分别比汽油机低95%和25%，NOx排放与汽油机差别不大，但PM排放是汽油机的几十倍[4-5]。NOx是柴油机尾气排放的主要成分，约占50%，其次是PM、CO与HC[6-7]。

降低柴油机排放的方法包括机内净化、使用代用燃料及后处理技术[8-9]。随着排放法规日趋严格，单纯通过提升燃油品质或机内净化技术已无法达到排放法规的要求，必须结合尾气后处理技术[10-11]。目前，柴油机尾气后处理技术主要包括：针对NOx的吸附催化还原、选择性催化还原、选择性非催化还原；针对PM的微粒捕集器(DPF)；针对HC、CO和可溶性有机成分的氧化催化技术；低温等离子体及低温等离子体辅助催化技术[2，7,12-14]等。

DPF在2000年被用于柴油机尾气处理，是目前控制柴油机PM排放最有效的手段，处理效率达到90%以上[7,15]。DPF在碰撞、截留、PM扩散和重力沉降等作用下将PM从排气中分离出来，沉积在捕集材料上，再通过再生技术将其燃烧或氧化。DPF由捕集材料及再生系统组成。DPF捕集材料应满足如下要求：较大的比表面积、捕集效率高、排气阻力小；热稳定性好、热膨胀系数小，能承受较高的热负荷；抗氧化性、耐热冲击性及抗腐蚀性好；机械强度高、抗振动性能好；质量轻；易于再生等。其中捕集效率高及排气阻力小是关键，而且两者是矛盾的关系，所以捕集材料的选择必须充分考虑两者的综合影响[12,16]。不同DPF捕集材料的捕集方式和捕集效率见表1[17]。

目前，应用较多的捕集材料是壁流式蜂窝陶瓷，占70%；其次是陶瓷纤维，占25%；烧结金属和其它材料只占5%[18]。堇青石是蜂窝陶瓷中应用最广泛的材料，但堇青石导热性能及受热均匀性较差，热容量低，

表1 不同DPF捕集材料的捕集方式和捕集效率

再生时易出现局部破坏；温度超过1 250 ℃后，堇青石材料会与碳烟颗粒发生反应，使自身逐渐被腐蚀[19]。与堇青石相比，泡沫陶瓷具有多孔结构且孔隙率大(可达80%～90%)、热应力较小、热稳定性好、热膨胀系数各向相同、能够增强材料的可塑性、具有较好的再生性能、生产工艺简单、价格便宜，是理想的DPF捕集材料[16,20-22]。但目前针对泡沫陶瓷DPF捕集效率及其对柴油机排放特性的影响的相关研究较少，鉴于此，作者以氧化锆泡沫陶瓷(ZFC)、碳化硅泡沫陶瓷(SFC)及氧化铝泡沫陶瓷(AFC)为DPF捕集材料，探究负荷特性下泡沫陶瓷DPF对柴油机排放特性的影响，尤其是甲醛、乙醛、VOCs等非常规排放的影响。

1 试验

1.1 试验系统

试验用柴油机是一台卧式单缸四冲程水冷柴油机，主要技术参数见表2，试验用柴油物性参数见表3。

表2 柴油机的主要技术参数

表3 柴油的物性参数

柴油机性能测试系统[23]主要由柴油机、动力测试系统、排放测试系统及稀释系统组成。通过MGA5/Various Plus型便携式烟气分析仪测量柴油机CO、NO、NOx等常规气体排放；柴油机尾气经过稀释系统稀释后在滞留室充分混合，然后进行PM2.5、甲醛、乙醛及VOCs排放采样；甲醛、乙醛及VOCs采用深圳吉达安科技有限公司研制的JK40-IV3型便携式多功能高精度三合一检测报警仪检测。

1.2 DPF体积设计及捕集材料物性参数

DPF的体积与柴油机排量有关，应至少等于柴油机的排量，甚至是柴油机排量的2倍，以保证将气体流动阻力限制在合理水平[24-25]。试验用柴油机的排量为1.039 L，因此设计DPF的体积为1.19 L，为柴油机排量的1.13倍。

DPF捕集材料选用ZFC、SFC 和AFC，其物性参数见表4。

表4 DPF捕集材料的物性参数

1.3 试验方法

试验用柴油机为拖拉机用柴油机，属于非道路机械用柴油机，因此其性能测试参照GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》标准，使柴油机转速稳定在1 200 r·min-1(最大输出扭矩转速)，调节柴油机负荷百分比分别为100%、75%、50%和25%，分别以ZFC、SFC、AFC为DPF捕集材料，探究泡沫陶瓷DPF对柴油机负荷特性下排放特性的影响。

2 结果与讨论

2.1 泡沫陶瓷DPF对柴油机常规排放影响分析

2.1.1 CO比排放

试验用柴油机安装3种类型的DPF后负荷特性下CO比排放如图1所示。

图1 安装DPF后负荷特性下柴油机的CO比排放Fig.1 Specific emission of CO of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

从图1可知，负荷百分比大于50%时，安装DPF后的CO比排放较未安装时增加，且增幅随负荷百分比的增加先增大后减小；在负荷百分比增至75%时，CO比排放增幅最大，安装ZFC、SFC和AFC捕集器后分别增加56.09%、50.60%和32.71%；在负荷百分比为100%时，CO比排放增幅最小，安装ZFC、SFC和AFC捕集器后分别增加0.75%、12.93%和4.59%；负荷百分比为75%、安装ZFC捕集器时，CO比排放最多，为12.77 g·kW-1·h-1；负荷百分比为25%、安装AFC捕集器时，CO比排放最少，为5.37 g·kW-1·h-1。这是因为，高速、低负荷百分比时有效燃油消耗率较高，循环供油量较多，安装DPF后，使排气背压升高，气缸内残余废气体积增大，混合气浓度增加，燃烧恶化，CO比排放增加；负荷百分比增加时，柴油机有效燃油消耗率降低，混合气浓度降低，混合气在气缸内燃烧状况得到改善，CO比排放减少。

宁智等[26]研究DPF对YC6108柴油机排放性能影响时发现，安装DPF后、油门开度为100%时，柴油机CO排放增加70%。裴小娜等[27]研究燃油催化DPF对柴油机性能影响时发现，安装DPF后柴油机CO排放减少2.82%。Zhong等[15]研究DPF对国Ⅱ非道路机械用柴油机排放特性影响时发现，安装DPF后CO比排放减少90%，这主要是由于其所用DPF具有催化氧化作用，将CO氧化为CO2所致。本试验用柴油机安装DPF后CO比排放增加还可能是由于所用DPF体积较小，造成排气不畅，背压上升过快，使可燃混合气在气缸内的燃烧恶化。

2.1.2 NO比排放

试验用柴油机安装3种类型的DPF后负荷特性下NO比排放如图2所示。

图2 安装DPF后负荷特性下柴油机的NO比排放Fig.2 Specific emission of NO of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

从图2可知，安装DPF后，NO比排放随负荷百分比增加呈减少趋势，但与未安装DPF相比，NO比排放增加；在负荷百分比为100%时，安装ZFC、SFC和AFC捕集器后NO比排放增幅最大，分别增加59.08%、83.20%和88.05%；在负荷百分比为75%时，安装ZFC、SFC和AFC捕集器后NO比排放分别增加40.62%、48.77%和45.92%，增幅较小；负荷百分比为100%、安装ZFC捕集器时，NO比排放最少，为3.27 g·kW-1·h-1。这是因为，安装DPF后使排气背压升高，导致排气不畅，燃烧室内残余气体增多，影响可燃混合气的燃烧；排气背压升高类似于热废气再循环，使气缸内混合气氧气含量减少，可燃混合气的热容量增加，可抑制NO的生成；但是由于残余废气增加造成近期终了时温度升高，有利于NO生成。安装DPF后柴油机NO排放受到以上几种因素的影响，本试验柴油机在低速、大负荷下运转，安装DPF造成的温度升高占主导地位，导致NO比排放增加。PM在DPF内沉积加剧上述影响。

2.1.3 NOx比排放

试验用柴油机安装3种类型的DPF后NOx比排放如图3所示。

图3 安装DPF后负荷特性下柴油机的NOx比排放Fig.3 NOx specific emission of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

从图3可知，安装DPF后，NOx比排放随负荷百分比的增加而减少，但与未安装DPF相比，NOx比排放增加；在负荷百分比为100%时，安装ZFC、SFC和AFC捕集器后NOx比排放增幅最大，分别增加58.89%、82.56%和87.57%；在负荷百分比为75%时，安装ZFC、SFC和AFC捕集器后NOx比排放分别增加39.53%、47.64%和44.99%，增幅较小；负荷百分比为100%、安装ZFC捕集器时，NOx比排放最少，为5.02 g·kW-1·h-1。柴油机NOx排放主要由NO和NO2组成，其中主要是NO，NO排放占85%～95%[28]。因此，NOx比排放的增加主要是由于NO排放的增加导致的。

宁智等[26]研究发现，安装DPF后、油门开度为100%时，柴油机NOx排放增加5.00%。裴小娜等[27]研究发现，燃油催化DPF时，安装DPF后柴油机NOx排放增加2.20%。Zhong等[15]在非道路机械用柴油机上安装DPF，发现DPF对柴油机NOx排放影响不大。

2.2 泡沫陶瓷DPF对柴油机非常规排放影响分析

2.2.1 甲醛比排放

试验用柴油机安装3种类型的DPF后甲醛比排放如图4所示。

图4 安装DPF后负荷特性下柴油机的甲醛比排放Fig.4 Specific emission of formaldehyde of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

从图4可知，安装DPF后，甲醛比排放随柴油机负荷百分比的增加而增加。与未安装DPF相比，安装ZFC捕集器后甲醛比排放增加9.87%～39.28%，在负荷百分比为75%时增加9.87%，在负荷百分比为100%时增加39.28%。与未安装DPF相比，安装SFC捕集器后甲醛比排放减少，在负荷百分比为100%时减幅最大(13.72%)，负荷百分比为75%时减幅最小(0.45%)。与未安装DPF相比，安装AFC捕集器后甲醛比排放减少，在负荷百分比为50%时减幅最大(35.82%)，负荷百分比为100%时减幅最小(17.97%)。可以推断，安装AFC捕集器对甲醛的减排效果较好，负荷百分比为25%时甲醛比排放最少，为131.5 mg·kW-1·h-1。安装AFC捕集器后甲醛比排放减少与Al2O3的催化特性有一定关系，研究表明Al2O3可以用于甲醛的催化氧化[29]。

2.2.2 乙醛比排放

试验用柴油机安装3种类型的DPF后乙醛比排放如图5所示。

图5 安装DPF后负荷特性下柴油机的乙醛比排放Fig.5 Specific emission of acetaldehyde of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

从图5可知，安装DPF后，乙醛比排放随负荷百分比的增加而增加。与未安装DPF相比，安装ZFC捕集器后，负荷百分比小于75%时乙醛比排放增加，负荷百分比为25%和50%时分别增加30.02%和24.74%；负荷百分比为75%和100%时，乙醛比排放分别减少4.37%和5.36%。与未安装DPF相比，安装SFC和AFC捕集器后，负荷百分比为75%时乙醛比排放减幅最大，分别为20.99%和20.71%。安装AFC捕集器后乙醛比排放减少与Al2O3的催化作用有关，研究表明Al2O3可以用于乙醛的催化氧化[30-31]。

2.2.3 VOCs比排放

试验用柴油机安装3种类型的DPF后VOCs比排放如图6所示。

图6 安装DPF后负荷特性下柴油机的VOCs比排放Fig.6 Specific emission of VOCs of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

从图6可知，与未安装DPF相比，安装ZFC捕集器后，仅在负荷百分比为100%时VOCs比排放增加3.03%，在其它负荷百分比下VOCs比排放均减少，最大减幅为9.03%。与未安装DPF相比，安装SFC和AFC捕集器后，VOCs比排放均减少，最大减幅分别为13.49%和22.08%，表明安装AFC捕集器的减排效果更好。由于Al2O3可作为催化剂在高温下参与VOCs的氧化，因此安装AFC捕集器可有效降低柴油机VOCs排放[32-33]。

2.3 泡沫陶瓷DPF对柴油机PM2.5排放影响分析

试验用柴油机安装3种类型的DPF后PM2.5比排放如图7所示。

图7 安装DPF后负荷特性下柴油机的PM2.5比排放Fig.7 Specific emission of PM2.5 of diesel engine with installation of DPF under load characteristics

从图7可知，与未安装DPF相比，安装3种类型的DPF后，柴油机的PM2.5比排放均减少。其中，安装ZFC捕集器后，PM2.5比排放减幅为24.67%～76.41%；安装SFC捕集器后，PM2.5减排效果较明显，可减少PM2.5比排放91%以上，最大减幅可达到94.55%；安装AFC捕集器后，PM2.5比排放减幅为23.26%～66.62%，在负荷百分比为25%、50%、75%、100%时的PM2.5比排放减幅分别为29.86%、23.26%、27.99%、66.62%。可见AFC捕集器对PM2.5减排效果较差。泡沫陶瓷DPF降低柴油机PM2.5比排放的原因包括：泡沫陶瓷为多孔结构，孔道曲折，比表面积大，通过过滤、碰撞、截留、扩散和重力沉降捕集PM2.5；柴油机排气中的NO2可以与PM2.5发生反应使PM2.5比排放减少。

Zhong等[15]以壁流式蜂窝陶瓷DPF处理非道路机械用柴油机PM2.5排放，发现PM2.5排放减少90%以上。Pilar等[34]利用壁流式蜂窝陶瓷DPF处理柴油机PM2.5排放并进行DPF再生，发现DPF减排率大于75%。本试验所用SFC捕集器的PM2.5减排效果更好。

3 结论

分别以ZFC、SFC及AFC为DPF捕集材料，探究负荷特性下泡沫陶瓷DPF对柴油机排放特性的影响，结果表明：(1)安装ZFC、SFC和AFC捕集器后CO比排放分别最多增加56.09%、50.60%和32.71%；NO比排放分别最多增加59.08%、83.20%和88.05%；NOx比排放分别最多增加58.89%、82.56%和87.57%。(2)安装SFC和AFC捕集器后，甲醛比排放分别最多可减少13.72%和35.82%；乙醛比排放分别最多可减少20.99%和20.71%；VOCs比排放分别最多可减少13.49%和22.08%。安装ZFC捕集器后，甲醛比排放增加；低负荷百分比时乙醛比排放增加，负荷百分比大于75%时乙醛比排放减少；负荷百分比小于100%时VOCs比排放减少，负荷百分比为100%时VOCs比排放增加。(3)安装ZFC、SFC和AFC捕集器可有效降低柴油机PM2.5比排放，SFC捕集器的减排效果最好，PM2.5比排放减少91%以上；安装ZFC和AFC捕集器后PM2.5比排放分别最多可减少76.41%和66.62%。