2010 商用车颗粒捕集器的品质标准和检验方法.pdf

2 0 1 0年第 2 期 国外内燃机 商用 车颗粒捕 集器 的品质标 准和检验方法【瑞士】Ma y e r A C R He e b N C z e r wi n s k i J Ul r i c h A Ka s p e r M J a u s s i F Le u t e r t G 摘要：为 了检验 柴 油颗粒捕 集器(DP F)，必须 开辟 新 的途 径。与 实 际使 用 不 同，就 颗 粒 的 正常 捕 集效果及 D P F的物理、化学性能而言，检验部件本身就是 最佳的方法，这样能保证以最少的费用达到 最高的效率，并且，允许 同时考虑到最坏的情况和二次排放。已经根据瑞士 S N R 2 7 7 2 0 5标准(其 中 规 定 了 VE RT检验 记 录卡)进行 这 方面 的深入 研 究。关 键词：商 用车 柴 油颗粒 捕 集器 品质 标 准 检验 方法 0前 言 减少 内燃 机 的 颗 粒(P M)排 放 是 防 止 空气 污 染 的首 要 目标 1 ，特 别 是 P M 的 温 室 效 应 明显 超 过 发 动机的二氧化碳(C O。)排放l_ 2 。仅改善新车 的 P M 排放是 不 够 的，为 了迅速 取得 效 果，必 须强 制 安 装 后 处理辅助装 置l_ 3 。但是，这种后处理辅助装置 面临 许多问题，如从 1 0 3 0 0 0 k w 各种不 同功率 的发动 机、完全不同的结 构设计、老化和使用时效的差异、不 同的排放水 平、各种 不 同 的用 途 等。因此，为 了确 保以低成本获得 良好 的降低 P M 排放的效果，提高 可靠 性，对 于 柴 油 颗 粒 捕 集 器(D P F)的检 验 和 投 产 鉴定 必须 要有 新 的思维 方式。制定解 决方 案时，必须 考虑 到 D P F载体 的基 本性 能：细微 P M 的过 滤 主要 取 决 于 P M 尺 寸 和 空 间速 度，而 与各 自发 动 机 的性 能 几 乎 无 关。因 此，D P F能 在 与发 动 机 和 使 用 情 况 无 关 的 条 件 下 检 验 其 物 理 和化 学 性 能。采 用 这种 方 法，能 进 行 不 同尺 寸 P M 的沉 积、老 化、二 次 排 放 和 最 坏 情 况 下 的 性 能 等 方 面 的基 础 试 验。凡 是 已 成 功 完 成 这 种 试 验 的 DP F系统在 每个 D P F上都 获得 了相似、良好 的 结 果。1 目标 设定 图 1表 明，较 大 的 P M，即 自然 存 在 的天 然 P M 沉积在 外 呼吸道 中，并 能在 最短 时 间 内通 过 Mu k u s Z i l i e n效应排出。但是，直径 2 0 0 n m 范 围 内，由撞 击 作用 而形 成 沉 淀 的 P M 占优 势，而 直 径 低 于 该范围的 P M 则扩散作用增长。撞击 因惯性 引起，而扩 散则 首先 取 决 于 P M 的 流 动性。因 1 0 0 n m 的 P M 扩 散 速 度 只 有 约 3 0 m s，因此，P M 在 穿 过 气 孔 时只能 移动 到离 壁面 1 g m 处，这 显示 出微小 穿 过 速度 和微 孔 组 织 的 重 要性。被 称 为“颗 粒 氧 化 催 化 器”的通道 式 组 织 根 据 其 本 身 的 特性 是 不 可 能 达 到 高 P M 沉淀效率的。但气孔也能做成 这样大 小，以 致在达到高沉淀效率之前，DP F载体组织上仅积聚 微量 的碳 烟 P M I生能 良好 的 D P F工 作 不 久 就 是 如 此，具 有较 大气 孔 的 D P F载 体 由此 可 以使用 很 长 时 间(图 5)。褂 娉 P M直径#m 拖曳速度(c mS。1 图 4 撞 击和扩散效果与 P M 尺寸和拖曳速度的关系嗍、槲 蟋 碳烟积聚量 g 。1)图 5 P M 沉淀率与碳烟 P M 积聚量和气孑 L 尺寸的关系 如果根本形成不 了滤渣，也就产生不 了原本应 有的 1层膜状分隔层，而仅在捕集器载体深部沉积 碳烟 P M。那 么，P M 就会 在那里逐 渐形成 大 的聚 2 O 1 O年第 2 期 国外内燃机 积。因它们 的附着而使 阻力增大，能将 其分离，因 而深 长 筒 型 DP F随 着 P M 承 载 量 的 增 加 而 使 P M 沉 淀 率 减小，形 成 滤渣 的 壁 流 式 颗 粒 捕 集 器 的 P M 沉淀率却越来越 高，因此，D P F受其工 作原理 的限 制，决不可能表现 出随时间保持不变的性能。在加 载期间，P M 沉淀率 和压 力损 失是 变化 的，这意 味 着 DP F加载和未加载时的性能可能存在很 大的差 异，对 这种 性 能 必 须进 行 检 验。所 发 生 的储 存 和排 出过程，正如 在 部 分 流 式 颗 粒 捕 集 器 和所 谓“开 式 颗粒捕集器”中所观察到的一样，存 在随机性，并且 是 完全 无 法 控 制 的。碳 烟 P M 捕 集 的 沉 淀 特 性 取 决 于 P M 的 尺 寸，能 够 表 现 出完 全 不 同 的趋 势，正 如 图 6对 4种 例 子 所 进 行 的对 比那 样。图 中 的 贯 穿 率 是 指 穿 过 的颗 粒 数 与 进 入 的颗 粒 数 之 比，因 此，贯穿 率 一1 一沉 淀率。槲 钛 图 6 孔隙尺寸分别为 1 0 Wn N 2 0肿 的 2 种壁流式颗粒捕集器 和一种开式颗粒捕集器在再生和加载状态下的贯穿率特性 4 DP F载 体 组织 的化 学性能 DP F的载体组织 由其功能所决定，必须具有 足 够的表面积，以提供结合的机会和储存大量碳烟 P M 的能力(1 0 g L)。通过涂层或掺入添加剂增添了催 化作用，于是，形成了一种能转化发动机气态排放物 和合成 新物 质 的化学反 应 器。曾担忧 结 合 在 P M 上 的多环芳 香 烃(P AH)可 能被 氮 氧 化 物(NO -)硝 化，形成高致 变硝基 P AH，但这 种担忧未 被证实。可 是，无论是应用铜作为涂层，还是将其作为添加剂，都已观测到二氧化物 和呋喃 的形成，在燃油中氯浓 度较低(1 0 1 0 )的 情况 下，它 们 将 导 致 这些 有 毒 物质增加 3 4个数量级。这 些观 测结 果 表 明，D P F作 为潜 在 的化 学 反 应 器，必 须对是 否会 形成 有 害反 应物 进 行 检验，有 些 地 区 已由排放法 规对 此作 出 了规 定。这 些 物质 也 属 于 二次排放，但为了加速烧尽碳烟 P M，在 系统 中有针 对性 地 产生 了二 氧化氮(NO。)等 物质。5 DP F的再 生 过程 连续或不连续、被动或 主动地触发烧尽储存在 捕集 器 中的碳 烟 P M 被 称 为“再 生”。对 于 D P F系 统 的排放 取 向检验，重要 的是要 知 道，在再 生 过 程期 间是 否会 导 致 有 害 物 排 放 的 增 加。因此，必 须尽 可 能在实际的再生过程中对最重要 的有害物成分进行 动 态采 集，这种 情况 下 的法定 有 害 物排 放，必 须遵 循 欧洲 的相关 规定。6 灰 分和磨 损 微粒 的金 属氧化 P M 柴 油机，乃 至所 有 的发 动机 都 会 排 出 微 小 的 金 属 氧化 P M，它们很 难 溶 解，且 属 于 重要 的有 毒 碳 烟 颗粒，因它们呈现出较高的表面反应活性，故金属氧 化物 具有 重要 意义，但 至今 尚未 在 法 规 中反 映 出来。为确保在发动机实际运行时这些有害物不会排入大 气，在 DP F检验时要应用一种专 门针对 P M 尺寸的 金 属微 量分 析 法。7燃 油耗 若 D P F的背压高于所要替代 的消声器 压力损 失，则泵吸功 的提高将导致功率 降低和燃油耗升高。就商用车而言，若 D P F根据 VE R T准则设计的背压 肯定不超过 0 2 MP a _ 4 ，则这方 面的损失将保持在 2 以下。因为这样所 削减 的碳烟对地球温室效应 的影 响 比 C O 的影 响大得 多 2 。因此，由 D P F阻力 增 加 而引起 的 C O 排 放 略微增 加起 着次要 的作 用。8 目标冲 突 就 尽可 能减 少 P M 排 放 的 目标 而 言，它 需 要 满 足结构空间、背压、系统复杂程度、维护费用、投资成 本和运行成本等实际使用的要求。为 了避免结构尺 寸过大，应适 当放大 D P F载体 的孔 隙直径，这样，D P F在相 同的压 力 损 失 下，能 以较 高 的废 气 流空 间 速度运行，并能明显减小外形尺寸，而且利于降低成 本。因此，这有助于撞击过程 的实施，也就是说较大 P M 的沉淀增 多，而较小 P M 的沉淀减少，P M 的沉 淀特性就发生了转变。假如 专门针对 P M 尺寸进行 P M 沉淀率分析，那么，D P F的这类薄弱之处只有在 检验 的时候 才能被 发 现。9 不恰 当的检验 方案 基于颗粒物质测量值，即用不 区分物质特性 的 总质 量来 评价 D P F的检验 方 案，有 可 能导 致 过 于粗 一5 O 一 国外内燃机 2 0 1 0年第 2 期 略的缺陷，因为 P M 不仅包括固体物质，而且也包括 冷凝物，特别是硫化物，其 中能冷凝非常多 的水分，这 样，用 D P F测定 的 P M 质量 有可 能 比不用 D P F得 出的 P M 质 量 大。检 验 方 法 也 不 恰 当，虽 然 这 种 方 法是以测量 固体物质质量为基础 的，但却不能作 出 P M 尺寸分 级 的结论。不推荐应用动态测量循 环，原 因是要获得有关 P M 尺寸分 布 的结 论 所 需 的 技 术 测 量 费 用 较 大，并 且，D P F的理论和实践经验表明，高效的 D P F载体 在动 态 和 静 态 行 驶 循 环 中 的 P M 沉 淀 情 况 是 相 同 的，而且，这种 P M 尺寸分布的结论对于部分流式颗 粒 捕集 器和所 谓“开 式 颗 粒 捕 集 器”是 不适 用 的，因 为其结构中的废气流速度要高得多。上 述这些 检 验 方 案 在 DP F本 身 的 检 验 前 都 要 进 行 1次预 调整，这将 会 引起误 导，因为 这些 检 验 方 案 不能反 映 出 D P F 的 P M 承 载状 况 对 P M 沉 淀 特 性 的影响，而这种影 响却对检验的真实性起着重要 的作用。同时，这 些 检 验 方 案 也无 法 明示 P M 的储 存 和排 放过程。而开式 和部 分 流式 颗 粒捕 集 器 在 预 调 整时 就被净 化 了，因此 较 容 易 评 价，原 则 上按 P M 尺寸分级的检验方案很合适。目前，这种检 验方案 已用于发动机空气滤清器、开式 颗粒捕集器和驾驶 室空气滤清器的检验。1 0 瑞 士 S N R 2 7 7 2 0 5标 准 的检验 方案 根 据 1 9 8 7年 世界卫 生组 织 的决定，呼 吸 的空气 中，柴油机碳烟 的规定 限值 为“元 素碳(E C)+有 机 碳(OC)2 0 0 u g m 。评 估 表 明，在 隧 道 施 工 现 场，如果不采取高效 的排气后处 理措施就无法达到 这一限值。此外，要求工作介 质将减少 P M 排放 的 措施 集 中到 减少肺 泡 可通 行尺 寸 范 围 内难 以溶 解 的 P M 上，并要避 免产生二次排放。根据这些预先提 出的要求，已按 1 9 9 8年规定 的任务，制定 了 VE R T 检验方 法。9年 后；这 种 检 验 方 法 最 终 被 纳 入 瑞 士 S NR 2 7 7 2 0 5国家 标 准 内燃 机 颗 粒 捕 集 器 试 验 方 法 。其 中涉 及 到一种 多级 检验 方 法，包 括过 滤 检验 VF T1、二 次排放 检验 VS E T、超过 2 0 0 0 h运行 的现 场 试验 VF T2及现 场试 验 D P F的试 验 台控制 V F T3 (图 7)。过滤试验在 I S O 8 1 7 8标准规定的静态工况 下进行 多点测 量：额定 转速 和最 大 扭 矩转 速，并 分别 在 全负 荷和 1 2负荷下 试验。重 要 的是在 最 大 流量 和最高废气温度下 的运行点应与 D P F系统最 大空 问流速 的设计点相 吻合。在每个运行 点上，在 P M 直径为 2 0 3 0 0 n m 的范 围 内，至少 要在 8 个 对 数 等 距离分级 的尺寸等级上测定 固体 P M 的浓度，因为 按 照 P MP 。规 定，该 尺 寸 范 围 的 P M 被 定 义 为“固 体 物质”，而试 验样 品是 在 3 0 0 C下加 热 的。VE R T：DP F 合格试验 I VF T l：过滤试验 I S O 8 1 7 8 试验循环+瞬态工况+再生限值9 7 (2 0-3 0 0 n m)l VS E T：二次排放试验 I S O 8 1 7 8 试验循环，无有毒 反应 产物 l VF T 2：现场试验 2 0 0 0 h 运行，背压 0 2 MP a l VF T 3：控制试验 I S O 8 1 7 8 试验循环，无老化 B AF U S UV A：DP F 说 明书 www b a f u a d mi nc n 质 量控制 l 验 收试验 烟度、噪声、背压 A KP F 数据库ww w a k p t o 唱 l 产品的一致性(C O P)厂 家的质量 管理 I 使用适应性0 UC 主管部 门统计学产品控制 二次开发 图 7 VE R T产 品合格试验和现场控制 过 滤性 能的测 试 采 用 供 货 状 态 下 的 DP F，并 在 再 生之 后，按 在发 动机上 的碳 烟 P M 承载 量来 测 定。此 外，还 要补 充测 试 1 个 断 面上 的平 均温 度，以确定 NO 的形 成特性，以及按 自由加 速方 法进 行试 验，即 通过测量 P M 数量瞬态采集沉淀率。为进行 比较，也按传统方法采集 P M，而在针对 工作 场 所 进 行 测 量 的 情况 下，还 要 按 德 国工程 师 协 会 VD I 一 2 4 6 5标 准规 定 的方 法，采集基 本 碳含 量。此 外，还要 补充 应用 P AS和 D C测量方 法，这些测 量方 法用富克斯表面积同样可作 出废气 中微细 P M 含量 的精 确 结 论，并 且 是 瞬 态 的。通 常 在 各 种 情 况 下，P A S、DC和专 门针对 尺寸 的 P M 分 析 都 能获 得有 关 沉淀率的非常好 的相互关 系结果。按基本碳含量来 评判，大多会显示出至多 1 的不 良值，这能用这种 方法 众所 周知 的 系统缺 陷来 解 释，反 之，由 P M 物质 测定 的沉淀率则分散度较大，且没有规律，因此在评 价 时不予 考虑。过 滤检验 VF T1还 包 括 再 生 试 验，进 行 这 种 试 验 是为 了检验 再 生期 间产生 有害 物质 的危 险(图 8)。为此，超出平衡点后将扭矩分成若干个等级，在最大 废 气 流量 下 进 行 扭矩 分级 试 验，以便 能 检 验高 再 生 速度 阶段 的性 能。为 了进行 二 次 排 放 采 集，整 个 I S O 8 1 7 8 C1循 环是 不 间断 连 续 进 行 的，这 样 在 2 0 0 mi n取 样 时 间 内能收集 到足够 的试验样品量，以用 于有毒微量物 质 的分 析。这 些 试 验 样 品 不 稀 释 地 从 废 气 中 被 取 出，而试 样数 量 根 据 废 气 流 量 调 整。废 气 流 入 1套 2 0 1 0年第 2 期 国外内燃机 时间t mi n 图 8再生循环 透明的取样设备，该设备包 括冷却器、冷凝物 沉淀 器、过滤 器和 2级 吸收器 单元(图 9)。图 9 二次 成分 的取样 试样 至少 要进 行 P AH、硝基 P AH、二 氧 化 物 和 呋喃含 量 的分 析，若 怀 疑 还 会 形 成 其 他 物 质，那 么，这种 分 析就可 能还 要进 一 步深 化。这 些 二 次排 放 的 试 验研 究 不 仅 揭 示 了 不利 的影 响，而且 还 带 来 了许 多信息：在 DP F中不仅沉淀 了固体 P M，而且可减少 9 5 具有 高致 癌性 的 P AH。在超 过 2 0 0 0 h的现 场耐 久运行 试 验 VF T2中，不断 地记 录 D P F 背 压 和 捕 集 器 前 温 度。对 这 些 记 录仪 数 据 分 析 之后，可 提 供该 试 验 期 间 的一 些 重 要 结论，由此能得 出所试验的再生 系统是否在可靠地 发挥作用。最后 的 VF T3试 验项 目基 本上 是依 照 VF T1 试 验记 录来进 行 的。1 1 评 价现代 DP F的评 判值 评价 现代 DP F的评判 值都 处 于正 常 的技 术状 态(图 1 0)。虽 然 当 前 生 效 的 规 范 只 要 求 达 到 9 7 ，但图 1 0表明，许多 D P F都超过 了 9 9 9。当 然，在 其他 情 况 下，不 是 所 有 的 D P F都 能 达 到 这 样 的水平，但即使仅达到 9 5 ，在通常情况下，也 已呈 现 出明显 的“储存 和 排 出”症状。1 0 0 9967 9 5 ；年份 2 00 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 图 1 0 D P F的 V E R T检验结果，沉淀率基于 2 0 0 0 h 耐久运转结束后 的颗粒数 参 考 文 献 1 W i c hma nn H E，U a Ge s un d h e i t l i c h e wi r k un g e n y o n f e i n s t a u b rM e c o me d 2 0 0 2，I S BN 3-6 0 9 1 6 1 0 5 1 2 J a c o bs o n M ZCo n t r o l o f f o s s i l f u e l p a r t i c l a t e b l a c k c a r b o n a n d or g a n i c ma t t e r J J o u r n a l o f Ge o p h y s i c a l R e s e a r c h，2 0 0 2(4)3 Ma y e r A，e t a 1 Re l i a b i l i t y o f DP F-s y s t e ms C S AE P a p e r 2 0 0 4 0 1 一 O 07 6 4 B a f u s u v a f i l t e r l i s t e c h 0 6 0 7 一 d OL www u mwe l t s c h we i z 5 Or e n s t e i n A J c P r o c e e d i n g s o f t h e P n e u mo c o n i o s i s C o n f e r e n c e，J o h a n n e s b ur g，1 9 5 9 6 Hi n d s W C Ae r o s o l t e c h n o l o g y M J o h n Wi l e y S o n s 1 9 8 2，I S BN 0 4 7 1-0 87 2 6 2 7 Ob e r d 6 r s t e r Ex t r a p u l mo na r y e f f e c t s o f i n h a l e d n a n o s i z e d pa r t i c l e s R 9 E TH c o n f e r e n c e，2 0 0 5 8 Ai r q u a l i t y g u i d e l i n e s f o r Eu r o p e S WHO Re g i o n a l Of f i c e f o r E u r op e，Eu r o p e a n S e r i e s，No 2 3，1 9 8 7 9 Ka s p e r MT h e n u mb e r c o n c e n t r a t i o n o f n o n v o l a t i l e p a r t i c l e s C S AE P a p e r 2 0 0 4 0 1 09 6 0 1 0 S i e g ma n n KS o o t f o r ma t i o n i n f l a me s G J Ae r o s o l S c i e 3 1，Su p p 1 1 范明强译 自 MT Z，2 0 0 9，7 0(1)(收稿 日期：2 0 0 9 0 8 一 l O)城 市，让 生 活 更 美 好!