装有DPF的轻型柴油车颗粒物排放特性的研究_徐月云
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关键词: 柴油机; 硫质量分数; 过滤效率; 粒径分布; 数量浓度; 质量浓度
A Study on the PM Em ission Characteristics of L ight D iese lV eh icle Equipped w ith DPF
Xu Yueyun1, L iM engliang2, Fang M aodong2 & H ou X ian jun1
[ 摘要 ] 利用电子低压冲击器, 研究了配装 DPF 的轻型柴 油车使 用不同 燃油时, DPF 前后 颗粒物 排放状 况以 及颗粒物数量浓度和质 量浓度在粒径上的分布。结果显示, 车 辆使用硫 质量分数高 的燃油时排 放的颗 粒物的 数量 和质量都比车辆使用硫 质量分数低的燃油时大, 但经 DPF过滤后 , 不论使用何种 燃油, 颗粒物的数 量和质量 都会大 幅减少, 尤其以粒径在 01 04Lm 以上的颗粒物更为明显, 车辆使用硫质量分数低的燃油时 DPF的过滤效 率比车辆使 用硫质量分数高的燃油 时高。
图 3 D PF 前后取样颗粒物的质量浓度
213 DPF过滤效率的分析 由图 2和图 3还可以看出, DPF 对于数量浓度
的峰值削减很明显。过滤之后, 颗粒物数量浓度的 峰值点向粒径更小的区间偏移。 DPF 对于数量浓度 比较集中的 0104~ 0130Lm 的区间, 颗粒物过滤 效 率达到 90% 以上; 对于质 量浓度集 中的粒 径大 于 1122Lm 的区间过滤也很有效, 整 体效率在 96% 以 上。进一步对 DPF 前后的颗粒物浓度求取差值, 然 后再将这个结果按照粒径分布, 结果见图 4, 可以更 直观而清晰地量化车辆使用不同燃油时的差异, 或 量化 DPF 的过滤效率。由图 4可见, 车辆使用 A 油 样时 DPF 的过滤效率在全粒径分布上比车辆使用 B 油样时 DPF 的低; DPF 对粒径大于 0104Lm 的颗粒 物的过滤 效率 在 98% 以 上, 而对 超 细 ( 粒径 小 于 0104Lm )颗粒物的过滤效果比较差, 尤其以车辆 使 用 A 油样时更为明显。
小于 0112Lm 的颗粒物, 车辆使用硫质量分数低的 燃油时的排放质量略高于车辆使用硫质量分数高的 燃油时的结果, 对于粒径大于 0112Lm 的大颗粒, 车 辆使用 A油样时发动机原机的排放量要远远大于车 辆使用 B油样的结果, 两者相差 31% 以上。经 DPF 过滤后, 车辆的颗粒物排放有了较大降低, 尤其以大 颗粒 ( 粒径大于 1122Lm ) 降低量最多; 颗粒物质 量 随粒径的分布趋势与 DPF 之前的结果相同。
试验序号 1 2
表 3 颗粒物排放结果汇总 mg /km
燃油种类
试验结果
国 Ô限值
A
91 40
60
B
61 09
表 4 颗粒物数量浓度与质量浓度比较
油样 A B
取样 位置
DP F 之前 DP F 之后 DP F 之前 DP F 之后
数量浓度 / 质量浓度 /
cm- 3
m g# m - 3
3109 @ 107 1190 @ 106 2171 @ 107
K eyw ord s: d iese l engine; su lfur m ass fraction; filtration effic iency; size d istr ibu tion; num ber concentration; m ass concentration
前言
柴油机的主要 排放物为 碳烟颗粒 物和氮氧 化 物。柴油机要满足严格的国 Ó和国 Ô排放法规, 颗 粒物特别是粒径小于 1Lm 的颗粒物成为控 制的重 点对象, 超细颗粒物具有很强的吸附力, 常粘附有致 癌物质 [ 1] 。颗粒捕集器 ( D PF )作为降低颗粒排放的 后处理装置, 能够大幅度地降低柴油车颗粒物排放, 但是 DPF的使用 , 除受柴油机本 身技术影响以外 ,
图 1 测试系统构成图
2 试验结果分析
211 排放结果分析 表 3为通过质量法计算得出试验车辆颗粒物的
排放结果。从结果与法规限值比较看, 在使用两种 油样时的颗粒物排放结果都远远低于国 Ô限值, 取 得了很好的结果。但车 辆使用 B 油样时比使用 A 油样时的颗粒物排放减少了 35% 。为深入了解 在 使用不同燃油时的颗粒物排放差异, 表 4 给出了通 过 ELP I测试得到的全粒径颗粒物瞬时数量浓度和 质量浓度的平均结果。
原稿收到日期为 2009年 11月 25日, 修改稿收到日期为 2010年 3月 4日。
2010( V o .l 32) N o. 12
徐月云, 等: 装有 DPF 的轻型柴油车颗粒物排放特性的研究
# 1031#
1 试验设计
111 试验车辆 试验选用排放达到国 Ó标准的某柴油车辆, 车
辆行驶了 15 977km, 具体参数见表 1。用采用主被 动再生共存方式的某 在产 DPF 和排气系统 改造原 排气控制系统。
Байду номын сангаас
11 57
112 试验用油 试验随机抽取了市场上使用的 A、B 两种油样,
燃油主要指标见表 2。
表 2 燃油中主要指标及硫质量分数
燃油种类 A B
硫质量分数 /% 01 092 01 013
密度 / g# L- 1 8311 6 8311 5
十六烷值 53 52
113 试验方案及设备 在试验室测试、运行 NEDC工况, 除了用全流稀
(每级稀释系数均为 8, 共计为 8 @ 8), 其中第 1级稀 释空气加热到 190e , 第 2级稀释为常温 [ 3 - 5 ] 。测试 系统构成如 图 1 所示。 ELP I记录了从发动机点 火 到测试结束, 以及发动机在整个循环内的颗粒排放 情况。对 ELP I采集数据进行平均运算处理, 可以得 出每次测试结果平均数量浓度和平均质量浓度。
# 1032#
汽车工程
2010年 (第 32卷 )第 12期
的。硫在燃烧后, 一部分会生成 SO x 和硫酸盐。由 于 A 油样的硫质量分数高于 B 油样, 所以 A 油样生 成的硫酸盐将会增多, 成核的数目也大大增加。尾 气中的水雾和其他气态成分会凝集在这些核周围, 形成颗粒物, 因此硫质量分数高的燃油产生的颗粒 物也会增多。
图 2为车辆使用不同燃油时, 在 DPF 前后取样 的颗粒物数量浓度。由图 2 可见, 车辆不论使用何 种燃油, 颗粒物粒径都主要集中在 0104~ 0130Lm, 占颗粒物总数的 80% 以上; 车辆使用 A 油样时颗粒 物数量的峰值为粒径 是 0120Lm 的颗粒, 而 车辆在 使用 B 油样时的峰值为粒径是 0112Lm 的颗粒, 说 明车辆在使用硫质量分数高的燃油时, 颗粒物排放 的峰值向大粒径的颗粒物偏移; 在粒径范围为 0104 ~ 0112Lm, 车辆使用 B 油样时排放的颗粒物的数量 浓度比车辆使用 A 油样时的高, 说明车辆使用硫质 量分数较低的燃油时, 细小颗粒物的排放数量会有 所增加, 但大颗粒的数量会减少, 这与上面的推断吻 合; 颗粒物经过 DPF 过滤之后数量上有很大程度的 减少, 尤其以粒径在 0104 ~ 0130Lm 之间的微粒 数 量减少得最多。
11School of Au tomotive Eng ineering, W uhan Un iversity of T echnology, W uhan 430070; 21Ch ina Au tom otive T echnology& R esearch C en ter, Tianjin 300162
11 79 @ 103 491 5
11 18 @ 103
4138 @ 105
211 4
数量浓 度减少
931 86%
981 38%
质量浓 度减少
971 23%
981 19%
由表 4可见, 车辆使用 A 油样时的颗粒物排放 的数量浓度和质量浓 度都比车辆使用 B 油样时 的 高。但 DPF 之前的平均结果差异较小; DPF 之后的 结果差异较大。主要原因是由 于燃油中 的硫造 成
2010年 ( 第 32卷 )第 12期
汽车工程 A utomo tive Eng inee ring
2010( V o.l 32) N o. 12
2010212
装有 DPF的轻型柴油车颗粒物排放特性的研究
徐月云 1, 李孟良2, 方茂东 2, 侯献军 1
( 11 武汉理工大学汽车工程学院, 武汉 430070; 21 中国汽车技术研究中心, 天津 300162)
释系统收集排气颗粒物质量外, 也运用电子低压冲 击 器 ( e lectrica l low pressure im pactor, ELP I) 测 量 DPF 上下游的颗粒物在粒径上的分布排放浓度。试 验分别使用 A 油样和 B油样各测试一次。
试验以底盘 测功机和 ELP I为主体, 利用 ELP I 比较 DPF 上下游的颗粒物的数量浓度和质量浓度。 ELP I能实时测量尾气颗粒物的排放, 可分 12 个等 级记录不同直径段上粒子的瞬态数量浓度和质量浓 度, 粒子粒径范围为 01007~ 10Lm, 所记录的颗粒直 径为空气动力学直径, 通过后处理反映不同粒径段 上的数量和质量的分布趋势; 其响应时间为 2s, 采样 频率设为 1H z。抽取的尾气进入分析系统, 稀释后 的混合气 流量 为 10L /m in。配设 一个 两级 稀释 器
[ Ab stract] Using electronic low pressure im pactor ( ELP I) , the particulate m atter ( PM ) em ission and its size distribu tion of bo th num ber concentration and m ass concentration in diese l veh icle w ith diese l particulate filter ( DPF) when using d ifferent fue ls, and before and after DPF are studied respectively. The resu lts show that both num ber and m ass o f PM em ission w hen vehicle using h igh su lfur content fuel are m ore than that when veh ic le using low sulfur content fue.l But after DPF bo th num ber and m ass o f PM greatly reduce, in part icu lar for PM w ith a size larger than 0104 Lm no m atter w h ich fuel is used. The efficiency o f DPF w hen veh icle using low sulfur content fuel is h igher than that when veh icle using h igh su lfur content fue.l
表 1 试验车辆参数
项目
数值
发动机型式
四冲程直列直喷
总质量 /kg 整备质量 /kg 额定功率 / kW 行驶里程 / km
3 300 2 125
85 15 977
额定转速 / r# m in- 1 排量 /L
最高速度 /km# h- 1
3 500 21 4 170
DPF CPS I
200
D PF通道直径 /mm
由表 4还可看到, 车辆使用 B 油样时 DPF 颗粒 物数量浓度和质量浓度的减少比例都比车辆使用 A 油样时高。对比 DPF 之前取样时的结果还可发现: 两者质量浓度相差 34% , 与表 3结果相近, 而两者数 量浓度相差仅 12% , 这是由于车辆使用硫质量分数 高的燃油时颗粒物的粒径有变大的趋势, 即细小颗 粒物 (粒径在 0104~ 0112Lm ) 的数 量会有所减少, 但大颗粒 (粒径大于 0112Lm )的数量会有所增加。 212 各级颗粒物分析 21211 颗粒物数量浓度比较
燃油中硫质量分数也是影响其控制颗粒物排放的关 键因 素 [ 2] 。 当前 国 内 柴 油 中硫 质 量 分 数 普 遍 在 0108% 以上, 预计在 2010年底才会在国内供应质量 分数在 01035% 或以下的国 Ó燃油, 目前, 只有在北 京地区才 有硫质 量分数 为 01005% 的 国 Ô标准 燃 油。如何应对这种使用环境, 燃油中含硫水平对配 置 DPF 的柴油车颗粒物排放性能有多大影响, 国内 外均有一些研究。本文中以某装有 DPF 的轻型 柴 油车为研究对象, 深入研究了其燃用两种典型硫质 量分数柴油时车辆的颗粒物排放特性。
A Study on the PM Em ission Characteristics of L ight D iese lV eh icle Equipped w ith DPF
Xu Yueyun1, L iM engliang2, Fang M aodong2 & H ou X ian jun1
[ 摘要 ] 利用电子低压冲击器, 研究了配装 DPF 的轻型柴 油车使 用不同 燃油时, DPF 前后 颗粒物 排放状 况以 及颗粒物数量浓度和质 量浓度在粒径上的分布。结果显示, 车 辆使用硫 质量分数高 的燃油时排 放的颗 粒物的 数量 和质量都比车辆使用硫 质量分数低的燃油时大, 但经 DPF过滤后 , 不论使用何种 燃油, 颗粒物的数 量和质量 都会大 幅减少, 尤其以粒径在 01 04Lm 以上的颗粒物更为明显, 车辆使用硫质量分数低的燃油时 DPF的过滤效 率比车辆使 用硫质量分数高的燃油 时高。
图 3 D PF 前后取样颗粒物的质量浓度
213 DPF过滤效率的分析 由图 2和图 3还可以看出, DPF 对于数量浓度
的峰值削减很明显。过滤之后, 颗粒物数量浓度的 峰值点向粒径更小的区间偏移。 DPF 对于数量浓度 比较集中的 0104~ 0130Lm 的区间, 颗粒物过滤 效 率达到 90% 以上; 对于质 量浓度集 中的粒 径大 于 1122Lm 的区间过滤也很有效, 整 体效率在 96% 以 上。进一步对 DPF 前后的颗粒物浓度求取差值, 然 后再将这个结果按照粒径分布, 结果见图 4, 可以更 直观而清晰地量化车辆使用不同燃油时的差异, 或 量化 DPF 的过滤效率。由图 4可见, 车辆使用 A 油 样时 DPF 的过滤效率在全粒径分布上比车辆使用 B 油样时 DPF 的低; DPF 对粒径大于 0104Lm 的颗粒 物的过滤 效率 在 98% 以 上, 而对 超 细 ( 粒径 小 于 0104Lm )颗粒物的过滤效果比较差, 尤其以车辆 使 用 A 油样时更为明显。
小于 0112Lm 的颗粒物, 车辆使用硫质量分数低的 燃油时的排放质量略高于车辆使用硫质量分数高的 燃油时的结果, 对于粒径大于 0112Lm 的大颗粒, 车 辆使用 A油样时发动机原机的排放量要远远大于车 辆使用 B油样的结果, 两者相差 31% 以上。经 DPF 过滤后, 车辆的颗粒物排放有了较大降低, 尤其以大 颗粒 ( 粒径大于 1122Lm ) 降低量最多; 颗粒物质 量 随粒径的分布趋势与 DPF 之前的结果相同。
试验序号 1 2
表 3 颗粒物排放结果汇总 mg /km
燃油种类
试验结果
国 Ô限值
A
91 40
60
B
61 09
表 4 颗粒物数量浓度与质量浓度比较
油样 A B
取样 位置
DP F 之前 DP F 之后 DP F 之前 DP F 之后
数量浓度 / 质量浓度 /
cm- 3
m g# m - 3
3109 @ 107 1190 @ 106 2171 @ 107
K eyw ord s: d iese l engine; su lfur m ass fraction; filtration effic iency; size d istr ibu tion; num ber concentration; m ass concentration
前言
柴油机的主要 排放物为 碳烟颗粒 物和氮氧 化 物。柴油机要满足严格的国 Ó和国 Ô排放法规, 颗 粒物特别是粒径小于 1Lm 的颗粒物成为控 制的重 点对象, 超细颗粒物具有很强的吸附力, 常粘附有致 癌物质 [ 1] 。颗粒捕集器 ( D PF )作为降低颗粒排放的 后处理装置, 能够大幅度地降低柴油车颗粒物排放, 但是 DPF的使用 , 除受柴油机本 身技术影响以外 ,
图 1 测试系统构成图
2 试验结果分析
211 排放结果分析 表 3为通过质量法计算得出试验车辆颗粒物的
排放结果。从结果与法规限值比较看, 在使用两种 油样时的颗粒物排放结果都远远低于国 Ô限值, 取 得了很好的结果。但车 辆使用 B 油样时比使用 A 油样时的颗粒物排放减少了 35% 。为深入了解 在 使用不同燃油时的颗粒物排放差异, 表 4 给出了通 过 ELP I测试得到的全粒径颗粒物瞬时数量浓度和 质量浓度的平均结果。
原稿收到日期为 2009年 11月 25日, 修改稿收到日期为 2010年 3月 4日。
2010( V o .l 32) N o. 12
徐月云, 等: 装有 DPF 的轻型柴油车颗粒物排放特性的研究
# 1031#
1 试验设计
111 试验车辆 试验选用排放达到国 Ó标准的某柴油车辆, 车
辆行驶了 15 977km, 具体参数见表 1。用采用主被 动再生共存方式的某 在产 DPF 和排气系统 改造原 排气控制系统。
Байду номын сангаас
11 57
112 试验用油 试验随机抽取了市场上使用的 A、B 两种油样,
燃油主要指标见表 2。
表 2 燃油中主要指标及硫质量分数
燃油种类 A B
硫质量分数 /% 01 092 01 013
密度 / g# L- 1 8311 6 8311 5
十六烷值 53 52
113 试验方案及设备 在试验室测试、运行 NEDC工况, 除了用全流稀
(每级稀释系数均为 8, 共计为 8 @ 8), 其中第 1级稀 释空气加热到 190e , 第 2级稀释为常温 [ 3 - 5 ] 。测试 系统构成如 图 1 所示。 ELP I记录了从发动机点 火 到测试结束, 以及发动机在整个循环内的颗粒排放 情况。对 ELP I采集数据进行平均运算处理, 可以得 出每次测试结果平均数量浓度和平均质量浓度。
# 1032#
汽车工程
2010年 (第 32卷 )第 12期
的。硫在燃烧后, 一部分会生成 SO x 和硫酸盐。由 于 A 油样的硫质量分数高于 B 油样, 所以 A 油样生 成的硫酸盐将会增多, 成核的数目也大大增加。尾 气中的水雾和其他气态成分会凝集在这些核周围, 形成颗粒物, 因此硫质量分数高的燃油产生的颗粒 物也会增多。
图 2为车辆使用不同燃油时, 在 DPF 前后取样 的颗粒物数量浓度。由图 2 可见, 车辆不论使用何 种燃油, 颗粒物粒径都主要集中在 0104~ 0130Lm, 占颗粒物总数的 80% 以上; 车辆使用 A 油样时颗粒 物数量的峰值为粒径 是 0120Lm 的颗粒, 而 车辆在 使用 B 油样时的峰值为粒径是 0112Lm 的颗粒, 说 明车辆在使用硫质量分数高的燃油时, 颗粒物排放 的峰值向大粒径的颗粒物偏移; 在粒径范围为 0104 ~ 0112Lm, 车辆使用 B 油样时排放的颗粒物的数量 浓度比车辆使用 A 油样时的高, 说明车辆使用硫质 量分数较低的燃油时, 细小颗粒物的排放数量会有 所增加, 但大颗粒的数量会减少, 这与上面的推断吻 合; 颗粒物经过 DPF 过滤之后数量上有很大程度的 减少, 尤其以粒径在 0104 ~ 0130Lm 之间的微粒 数 量减少得最多。
11School of Au tomotive Eng ineering, W uhan Un iversity of T echnology, W uhan 430070; 21Ch ina Au tom otive T echnology& R esearch C en ter, Tianjin 300162
11 79 @ 103 491 5
11 18 @ 103
4138 @ 105
211 4
数量浓 度减少
931 86%
981 38%
质量浓 度减少
971 23%
981 19%
由表 4可见, 车辆使用 A 油样时的颗粒物排放 的数量浓度和质量浓 度都比车辆使用 B 油样时 的 高。但 DPF 之前的平均结果差异较小; DPF 之后的 结果差异较大。主要原因是由 于燃油中 的硫造 成
2010年 ( 第 32卷 )第 12期
汽车工程 A utomo tive Eng inee ring
2010( V o.l 32) N o. 12
2010212
装有 DPF的轻型柴油车颗粒物排放特性的研究
徐月云 1, 李孟良2, 方茂东 2, 侯献军 1
( 11 武汉理工大学汽车工程学院, 武汉 430070; 21 中国汽车技术研究中心, 天津 300162)
释系统收集排气颗粒物质量外, 也运用电子低压冲 击 器 ( e lectrica l low pressure im pactor, ELP I) 测 量 DPF 上下游的颗粒物在粒径上的分布排放浓度。试 验分别使用 A 油样和 B油样各测试一次。
试验以底盘 测功机和 ELP I为主体, 利用 ELP I 比较 DPF 上下游的颗粒物的数量浓度和质量浓度。 ELP I能实时测量尾气颗粒物的排放, 可分 12 个等 级记录不同直径段上粒子的瞬态数量浓度和质量浓 度, 粒子粒径范围为 01007~ 10Lm, 所记录的颗粒直 径为空气动力学直径, 通过后处理反映不同粒径段 上的数量和质量的分布趋势; 其响应时间为 2s, 采样 频率设为 1H z。抽取的尾气进入分析系统, 稀释后 的混合气 流量 为 10L /m in。配设 一个 两级 稀释 器
[ Ab stract] Using electronic low pressure im pactor ( ELP I) , the particulate m atter ( PM ) em ission and its size distribu tion of bo th num ber concentration and m ass concentration in diese l veh icle w ith diese l particulate filter ( DPF) when using d ifferent fue ls, and before and after DPF are studied respectively. The resu lts show that both num ber and m ass o f PM em ission w hen vehicle using h igh su lfur content fuel are m ore than that when veh ic le using low sulfur content fue.l But after DPF bo th num ber and m ass o f PM greatly reduce, in part icu lar for PM w ith a size larger than 0104 Lm no m atter w h ich fuel is used. The efficiency o f DPF w hen veh icle using low sulfur content fuel is h igher than that when veh icle using h igh su lfur content fue.l
表 1 试验车辆参数
项目
数值
发动机型式
四冲程直列直喷
总质量 /kg 整备质量 /kg 额定功率 / kW 行驶里程 / km
3 300 2 125
85 15 977
额定转速 / r# m in- 1 排量 /L
最高速度 /km# h- 1
3 500 21 4 170
DPF CPS I
200
D PF通道直径 /mm
由表 4还可看到, 车辆使用 B 油样时 DPF 颗粒 物数量浓度和质量浓度的减少比例都比车辆使用 A 油样时高。对比 DPF 之前取样时的结果还可发现: 两者质量浓度相差 34% , 与表 3结果相近, 而两者数 量浓度相差仅 12% , 这是由于车辆使用硫质量分数 高的燃油时颗粒物的粒径有变大的趋势, 即细小颗 粒物 (粒径在 0104~ 0112Lm ) 的数 量会有所减少, 但大颗粒 (粒径大于 0112Lm )的数量会有所增加。 212 各级颗粒物分析 21211 颗粒物数量浓度比较
燃油中硫质量分数也是影响其控制颗粒物排放的关 键因 素 [ 2] 。 当前 国 内 柴 油 中硫 质 量 分 数 普 遍 在 0108% 以上, 预计在 2010年底才会在国内供应质量 分数在 01035% 或以下的国 Ó燃油, 目前, 只有在北 京地区才 有硫质 量分数 为 01005% 的 国 Ô标准 燃 油。如何应对这种使用环境, 燃油中含硫水平对配 置 DPF 的柴油车颗粒物排放性能有多大影响, 国内 外均有一些研究。本文中以某装有 DPF 的轻型 柴 油车为研究对象, 深入研究了其燃用两种典型硫质 量分数柴油时车辆的颗粒物排放特性。