DPF对柴油发电机颗粒物的捕集效果分析
发布时间：2025-04-02 点击：38
dpf对柴油发电机颗粒物的捕集效果分析
dpf作为柴油发电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。康明斯公司在本文中介绍了在1500rpm且柴油发电机组在75%负荷下dpf对不同粒径的pm捕集效果，研究结果表明，随着试验时间的延长，dpf对柴油发电机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。
柴油发电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，但柴油发电机颗粒物（particulate matter，pm）的排放一直是制约柴油发电机发展的关键因素。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。因此，降低pm的排放量是净化柴油发电机尾气的首要工作。
图1 柴油机颗粒物成长过程图
国内有众多学者对dpf的捕集特性做了较多研究表明，柴油发电机微粒捕集器（diesel particular filter，dpf）是目前公认的降低柴油发电机pm排放的最有效手段。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降低柴油发电机颗粒物排放势在必行。
1、试验装置及方案
本试验采用康明斯4b系列柴油发电机，dpf捕集pm的试验系统主要由柴油发电机、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，安装于柴油发电机排气管上，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，柴油发电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，柴油发电机恒定转速为2500r/min，负荷为75%，连续运转240min。
图2 柴油机颗粒物实验装置
2 、试验结果与分析
柴油发电机尾气中的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。
图3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3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3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。
图3 dpf前后端粒径分布图
3、 试验结论
① 柴油发电机废气经过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。
② dpf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。
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柴油发电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，但柴油发电机颗粒物（particulate matter，pm）的排放一直是制约柴油发电机发展的关键因素。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。因此，降低pm的排放量是净化柴油发电机尾气的首要工作。
图1 柴油机颗粒物成长过程图
国内有众多学者对dpf的捕集特性做了较多研究表明，柴油发电机微粒捕集器（diesel particular filter，dpf）是目前公认的降低柴油发电机pm排放的最有效手段。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降低柴油发电机颗粒物排放势在必行。
1、试验装置及方案
本试验采用康明斯4b系列柴油发电机，dpf捕集pm的试验系统主要由柴油发电机、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，安装于柴油发电机排气管上，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，柴油发电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，柴油发电机恒定转速为2500r/min，负荷为75%，连续运转240min。
图2 柴油机颗粒物实验装置
2 、试验结果与分析
柴油发电机尾气中的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。
图3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3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3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。
图3 dpf前后端粒径分布图
3、 试验结论
① 柴油发电机废气经过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。
② dpf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。
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