譚丕強，阮謹元，胡志遠，樓狄明

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

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2015129

DOC+POC對發(fā)動機燃用柴油與B20排放顆粒的凈化性能研究*

譚丕強，阮謹元，胡志遠，樓狄明

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

對一臺車用高壓共軌直噴式柴油機，分別燃用純柴油和B20燃料，在未加裝后處理裝置的原機和加裝柴油機氧化催化器與顆粒氧化催化轉化器(DOC+POC)后處理裝置的兩種狀態(tài)下，利用EEPS顆粒粒徑譜儀，測試其排氣顆粒數量排放及其粒徑分布。結果表明：未加裝后處理裝置時，燃用B20燃料的核態(tài)顆粒數量排放略高于柴油；而聚集態(tài)顆粒的數量排放則低于柴油；加裝DOC+POC后處理裝置后，排氣顆粒數量排放明顯下降，顆粒凈化效率存在兩個較高的峰值，一個在粒徑10nm附近的核態(tài)顆粒區(qū)域，另一個在粒徑300nm附近的聚集態(tài)顆粒區(qū)域。燃用B20燃料時，總的來說排氣顆粒數量排放低于柴油，DOC+POC對多數工況下顆粒的凈化效率明顯高于柴油。

柴油機；生物柴油；顆粒排放；柴油機氧化催化器；顆粒氧化催化轉化器

前言

顆粒物是汽車柴油機的主要污染物之一，危害人體健康。隨著柴油機技術的進步和汽車排放法規(guī)的日益嚴格，柴油機的顆粒數量排放及其粒徑分布逐漸受到重視，2011年實行的歐Ⅴ第二階段排放法規(guī)開始限定顆粒數量排放。研究表明：柴油機排放的顆粒中，粒徑小于50nm的納米級顆粒數量比例可占90%以上，更容易被人體吸入，且毒性更強，危害更大[1]。

生物柴油作為一種可再生車用替代燃料已得到世界各國的廣泛重視，隨著生產技術逐漸發(fā)展和成熟，清潔的生物柴油在歐美等國家和地區(qū)已投入規(guī)模化應用，大多采用與石化柴油混合使用的方法，對解決石油能源短缺具有重要意義。但研究表明[2-3]：發(fā)動機燃用生物柴油通常會引起排放的顆粒數量增加，須對此進行有效控制。

采用后處理裝置控制顆粒排放是車用柴油機技術的發(fā)展趨勢，研究后處理裝置對柴油機顆粒數量及其粒徑分布等排放特性的影響規(guī)律，對于采用后處理裝置控制柴油機顆粒數量排放具有十分重要的意義。

在柴油機諸多顆粒后處理裝置中，顆粒氧化催化轉化器(POC)是一種較為典型的柴油機排氣后處理裝置，它可以捕集并氧化部分顆粒。其結構是使廢氣通過一個多褶皺而不堵塞的通道，通過與柴油機氧化催化轉化器(DOC)的配合使用(以下簡稱DOC+POC)，可以在降低90%以上CO和HC排放的同時，降低部分顆粒[4]。雖然顆粒捕集器(DPF)的顆粒凈化效率更高，但與DPF相比，POC具有低背壓、油耗影響小、成本低、無須復雜的標定過程等優(yōu)點[5]。

目前，針對發(fā)動機使用生物柴油可能引起的排氣顆粒數量增加的問題，采用DPF進行顆粒凈化的研究較多[6]，而對于生物柴油發(fā)動機采用POC進行顆粒凈化的研究則鮮見報道。

據此，本文中通過發(fā)動機臺架試驗，研究發(fā)動機燃用柴油和生物柴油的排氣顆粒數量，以及加裝DOC+POC后柴油機顆粒數量的排放特性。

1 研究方案

1.1 試驗發(fā)動機與測試設備

試驗發(fā)動機為一臺滿足國V排放法規(guī)的高壓共軌直噴式柴油機，其主要參數如表1所示。

表1 試驗柴油機主要參數

采用AVL-PUMA全自動發(fā)動機試驗臺架，利用美國TSI公司EEPS3090顆粒粒徑譜儀測試并分析發(fā)動機的顆粒數量排放特性。顆粒粒徑測試范圍為5.6～560nm，測試頻率為10Hz，搭配TSI的MD19旋轉盤稀釋器，控制排氣采樣稀釋比為250倍。

1.2 試驗燃料

本試驗使用的燃料為滬V柴油和B20燃料(由體積比為20%的生物柴油和80%的滬V柴油摻混而成)，兩種燃料的理化特性如表2所示。

表2 試驗燃料的主要理化性質

由表2可見，滬V柴油類似于歐V標準的柴油，本文中用的滬V柴油硫含量極低，沒有檢出；而B20燃料，采用的生物柴油原料為餐飲廢棄油脂，在生產制造生物柴油的過程中，由于生產工藝的原因，該生物柴油中含有硫，從而導致B20燃料里含有極少量的硫。

1.3 試驗后處理裝置

DOC+POC后處理裝置的主要參數如表3所示。試驗中，試驗樣機未加裝后處理裝置的狀態(tài)定義為原機，以作為參照。

表3 DOC、POC后處理裝置的主要技術參數

1.4 試驗方案

發(fā)動機在使用不同燃料、配合不同后處理裝置的情況下進行臺架試驗。具體組合方案如表4所示。

試驗工況包括外特性工況和負荷特性工況，外特性工況的轉速范圍為800～2 200r/min；負荷特性工況轉速為最大轉矩轉速1 400r/min。在上述試驗工況下，研究發(fā)動機燃用柴油及B20燃料、加裝DOC+POC后處理裝置前后的動力性與經濟性和排氣顆粒數量排放的粒徑分布特性的變化。

表4 試驗組合方案

2 試驗結果與討論

2.1 動力性和經濟性

圖1和圖2分別為外特性工況下柴油機的功率和燃油消耗率。由圖可見：燃用B20燃料時的燃油消耗率略高于柴油，功率低于柴油；加裝后處理裝置后的油耗高于原機，功率也有所下降。油耗上升幅度在1.5%以下，功率降幅在2.0%左右，總體幅度較小，可見DOC+POC后處理裝置對發(fā)動機動力性、經濟性的影響不明顯。

2.2 顆粒數量排放的粒徑分布

本文中以最大轉矩轉速1 400r/min負荷特性下顆粒數量排放的粒徑分布作為研究對象。圖3各圖分別為不同負荷下，4種方案的柴油機排氣顆粒數量粒徑分布。

由圖3未加裝后處理裝置時的原機方案一和方案二可以看出：

(1) 未加裝后處理裝置時，柴油機燃用純柴油和B20燃料在不同負荷下的排氣顆粒數量隨粒徑變化均呈雙峰對數分布形態(tài)，其中核態(tài)顆粒數量峰值粒徑在10nm附近，聚集態(tài)顆粒數量峰值粒徑在50～60nm范圍內，這與大部分柴油機顆粒排放研究的結果一致[7]；

(2) 柴油機燃用B20燃料的核態(tài)顆粒數量排放略高于柴油，低負荷時這種差距較為明顯，這是因為B20燃料黏度較高，霧化性稍差，且本文的B20燃料由于生產工藝造成其硫含量稍高，從而形成了較多的以硫酸鹽和可溶性有機組分SOF為主體的核態(tài)顆粒，但隨著負荷的上升，差距逐漸減小，75%，100%負荷下二者的核態(tài)顆粒數量基本相同，這是因為B20燃料含氧成分開始發(fā)揮作用，燃燒更充分，較低負荷時生成的SOF有所減少，形成的核態(tài)顆粒隨之減少，與柴油趨于同一水平；

(3) 柴油機燃用柴油的聚集態(tài)顆粒數量大于B20燃料，且在200nm粒徑以上范圍內差距顯著，這是由于B20燃料含氧，有利于局部過濃混合區(qū)域的擴散燃燒，并會促進已形成的碳煙顆粒的氧化，導致以碳煙顆粒為主體的聚集態(tài)顆粒數量減少。

由圖3加裝DOC+POC后處理裝置的方案三和方案四可以看出：與原機相比，加裝DOC+POC后，在不同負荷下各粒徑范圍內柴油機排氣顆粒數量均明顯下降，不論是燃用柴油還是B20燃料，結果類似。排氣顆粒數量排放的粒徑分布仍呈雙峰對數形態(tài)，但核態(tài)顆粒峰值已不再明顯，這涉及到DOC+POC對顆粒的凈化效率問題，會在2.3節(jié)中詳述。

2.3 后處理裝置對不同粒徑顆粒的凈化效率

圖4為1 400r/min不同負荷下，DOC+POC對柴油機燃用柴油及B20燃料時不同粒徑顆粒的凈化效率。由圖4可以看出：

(1) DOC+POC對柴油機燃用柴油和B20燃料的顆粒數量凈化效率隨粒徑的變化趨勢基本相同，隨顆粒粒徑變化，存在兩個凈化效率較高的峰值，一個在粒徑10nm附近的核態(tài)顆粒區(qū)域，另一個在粒徑300nm附近的聚集態(tài)顆粒區(qū)域，粒徑在6nm以下時凈化效率較低，因為粒徑6nm以下不含SOF成分的核態(tài)顆粒比例較高，大部分是硫酸鹽類物質，DOC+POC對這部分顆粒數量凈化效果較差，而粒徑在10nm附近時凈化效率高，主要是因為粒徑10nm附近的核態(tài)顆粒中SOF含量較高[8]，DOC+POC對這部分顆粒的凈化效果很好，之后凈化效率隨著粒徑增大而下降，在90～100nm粒徑范圍內達到極小值，接著凈化效率又隨著粒徑增大而上升，大概在粒徑300nm附近凈化效率出現(xiàn)另一個高峰，這得益于POC內部結構對大粒徑顆粒的攔截機制[9]；

(2) 在10%負荷下，與柴油相比，柴油機燃用B20燃料時，全粒徑范圍內DOC+POC對顆粒的凈化效率略低，這是由于生物柴油黏度高，霧化性稍差，10%負荷下的低溫易導致較多的SOF，且排溫不高，后處理裝置對其凈化效果較差[10]。

在25%，50%和75%負荷時，DOC+POC對柴油機燃用B20燃料時粒徑100nm以下顆粒凈化效率明顯高于柴油，粒徑100nm以上B20燃料的顆粒凈化效率出現(xiàn)了低于柴油的情況，這表明運行工況、燃料特性、后處理裝置對顆粒排放有復雜影響。

在100%全負荷時，柴油機燃用B20燃料時，DOC+POC對絕大多數粒徑顆粒的凈化效率比柴油要高。除了在粒徑100nm附近，柴油和B20燃料的顆粒凈化效率接近，其他粒徑下B20燃料的顆粒凈化效率明顯高于柴油。

2.4 排氣顆粒總數量

2.4.1 外特性

圖5為外特性下4種方案的柴油機排氣顆?？倲盗俊?/p>

由圖5可見：隨著轉速增加，柴油機排氣顆粒總數量呈持續(xù)上升趨勢；原機燃用B20燃料的排氣顆粒總數量明顯高于柴油；而加裝DOC+POC后，在800～1 800r/min，柴油機燃用B20燃料的排氣顆?？倲盗糠炊陀诓裼?，表明了二者排氣顆粒總數量凈化效果的差異。

圖6給出了外特性下后處理裝置對排氣顆?？倲盗康膬艋省?/p>

由圖6可以看出：外特性下DOC+POC對燃用柴油的排氣顆?？倲盗績艋蕿?%～38%，1 400r/min下凈化效率最高，平均凈化效率為21%；而對燃用B20燃料的排氣顆粒總數量凈化效率為32%～75%，800r/min下最高，平均凈化效率為55%，遠高于柴油。這是因為燃用B20的排氣顆粒中SOF成分較多，而DOC+POC對SOF的凈化效果很好?？傮w來說，低轉速時對排氣顆粒的凈化效率較高，高轉速時較低。這主要是因為隨著轉速上升，排氣流速增加，后處理裝置中的反應時間變短[11]。

2.4.2 負荷特性

圖7為在最大轉矩轉速1 400r/min時不同負荷下，4種方案的柴油機排氣顆?？倲盗俊?/p>

由圖7可見：隨著負荷上升，柴油機排氣顆?？倲盗砍食掷m(xù)上升趨勢；原機燃用B20燃料的排氣顆?？倲盗棵黠@高于柴油；而加裝DOC+POC后，低負荷下柴油機燃用B20燃料的排氣顆粒總數量略高于柴油，中高負荷下低于柴油。

圖8給出了在最大轉矩轉速1 400r/min時不同負荷下，DOC+POC后處理裝置對柴油機排氣顆?？倲盗康膬艋?。

由圖8可以看出：柴油機燃用柴油時DOC+POC在5個不同負荷下的排氣顆?？倲盗績艋?，由低負荷到高負荷依次為47%，36%，30%，45%和38%，平均凈化效率為39%；10%負荷下燃油霧化不好，燃燒產生的顆粒中SOF成分較多[12]，凈化效率較高；隨著負荷上升到25%和50%，燃燒狀況有所改善，SOF含量下降，且排氣溫度不夠高，所以凈化效率較低[9]；75%負荷下排氣溫度的上升起了主導作用，凈化效率回升；100%負荷下，燃燒產生的顆粒大幅度增加但SOF含量進一步下降，導致DOC+POC的低效率[13]。

就B20燃料而言，DOC+POC在柴油機5個不同負荷下的凈化效率，隨著負荷的上升先增加后下降，分別為40%，45%，70%，63%和57%，平均凈化效率為55%。在中低負荷下燃燒產生的顆粒中SOF成分都比較多，所以隨著負荷上升排溫對后處理器的凈化效率起了主導作用；高負荷下由于燃燒狀況的改善和生物柴油的高含氧量，顆粒中SOF含量大大降低，影響了凈化效率。

3 結論

(1) 未加裝后處理裝置時，B20燃料的核態(tài)顆粒數量大于柴油，低負荷時這種差距比較明顯。柴油的聚集態(tài)顆粒數量大于B20燃料，在200nm粒徑以上范圍內差距較為顯著。

(2) 加裝DOC+POC后，不論是燃用柴油還是B20燃料，柴油機不同負荷下各粒徑范圍內排氣顆粒數量排放均明顯下降，而總的來說B20燃料的排氣顆粒數量排放低于柴油。

(3) DOC+POC對柴油機燃用柴油和B20燃料的顆粒數量凈化效率隨粒徑的變化趨勢基本相同。顆粒凈化效率存在兩個較高的峰值，一個在粒徑10nm附近的核態(tài)顆粒區(qū)域；另一個在粒徑300nm附近的聚集態(tài)顆粒區(qū)域。燃用B20燃料時，DOC+POC對多數工況的粒徑100nm以下顆粒凈化效率明顯高于柴油。

(4) 加裝DOC+POC對柴油機燃用柴油的排氣顆?？倲盗康钠骄鶅艋剩馓匦韵聻?1%，1 400r/min負荷特性下為39%；而對B20燃料的排氣顆?？倲盗康钠骄鶅艋?，外特性下為55%，1 400r/min負荷特性下為55%。

[1] 譚丕強,樓狄明,胡志遠.發(fā)動機燃用生物柴油的核態(tài)顆粒排放[J].工程熱物理學報,2010,31(7):1231-1234.

[2] Yao D, Lou D, Hu Z, et al. Laboratory Investigation on Emission Characteristics of a Diesel Car Fuelled with Biodiesel Blends[C]. SAE Paper 2012-01-1063.

[3] 譚丕強,周舟,胡志遠,等.柴油轎車燃用生物柴油的排放特性[J].汽車工程,2012,34(5):428-432.

[4] Murtonen T, Aakko-Saksa P, Kuronen M, et al. Emissions with Heavy-duty Diesel Engines and Vehicles Using FAME, HVO and GTL Fuels with and Without DOC+POC Aftertreatment[C]. SAE Paper 2009-01-2693.

[5] 姚笛,樓狄明,譚丕強,等.基于生物柴油發(fā)動機的不同后處理裝置顆粒物數量排放特性[J].內燃機工程,2014,35(1):8-12,19.

[6] Lu J, Ku Y, Liao C. The Effects of Biodiesel on the Performance and the Durability of Diesel Engine Active-DPF[C]. SAE Paper 2012-01-1089.

[7] Tan P, Hu Z, Lou D, et al. Particle Number and Size Distribution from a Diesel Engine with Jatropha Biodiesel Fuel[C]. SAE Paper 2009-01-2726.

[8] Liu Z, Ge Y, Tan J, et al. Impacts of Continuously Regenerating Trap and Particle Oxidation Catalyst on the NO2and Particulate Matter Emissions Emitted from Diesel Engine[J]. Journal of Environmental Sciences,2012,24(4):624-631.

[9] Kinnunen T, Matilainen P, Scheder D, et al. Particle Oxidation Catalyst (POC?)-from Diesel To GDI-Studies on Particulate Number and Mass Efficiency[C]. SAE Paper 2012-01-0845.

[10] Vaaraslahti K, Ristimaki J, Virtanen A, et al. Effect of Oxidation Catalysts on Diesel Soot Particles[J]. Environmental Science & Technology,2006,40(15):4776-4781.

[11] Karjalainen P, Heikkila J, Ronkko T, et al. Effect of Exhaust Flow Conditions and External Cooling on the Performance of the Particle Oxidation Catalyst (POC)[C]. SAE Paper 2010-01-2158.

[12] 覃軍,劉海峰,堯命發(fā),等.生物含氧燃料成分對柴油機性能影響的試驗研究[J].內燃機學報,2007,25(3):281-287.

[13] Lehtoranta K, Matilainen P, Kinnunen T, et al. Diesel Particle Emission Reduction by a Particle Oxidation Catalyst[C]. SAE Paper 2009-01-2705.

A Study on the Purification Performance of DOC+POC for Exhaust Particles Emittedfrom a Diesel Engine Fueled with Pure Diesel and Biodiesel Diesel

Tan Piqiang, Ruan Jinyuan, Hu Zhiyuan & Lou Diming

SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804

The exhaust particle number emission and its size distribution of a high-pressure common rail direct injection automotive diesel engine fueled with pure diesel and biodiesel B20, with and without diesel oxidation catalyst and particle oxidation catalyst (DOC+POC) are measured respectively by using EEPS spectrometer. The results show that the number emission of nucleation mode particles of original engine fueled with B20 is higher than that with pure diesel, while the situation for accumulation mode particles is just the opposite. With DOC+POC added, exhaust particle number emission obviously reduces and there are two peaks for particle purification efficiency (at around the particle size of 10nm and 300nm respectively), and by and large, the particle number emission for B20 is lower than that for diesel and the particle purification efficiency for B20 is higher than that for diesel in most working conditions.

diesel engine; biodiesel; particle emission; DOC; POC

*國家自然科學基金(50906062)和國家863計劃項目(2012AA111717)資助。

原稿收到日期為2014年12月19日，修改稿收到日期為2015年3月4日。