陳東東，張翠平，張瑞亮

(太原理工大學(xué)車(chē)輛工程系，山西 太原 030024)

0 引 言

隨著礦產(chǎn)采集技術(shù)越來(lái)越成熟，井下無(wú)軌輔助運(yùn)輸車(chē)輛因具有效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性高等特點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，礦用防爆無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛將會(huì)成為未來(lái)礦井下的必需品[1]。但由于井下工作特殊條件的限制，對(duì)無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力總成的排放性能有一定的特殊要求。MT990-2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中規(guī)定，排氣未經(jīng)稀釋CO和NOx排放濃度不應(yīng)超過(guò)0.1%和0.08%[2]。

盡管防爆柴油機(jī)先進(jìn)技術(shù)不斷向前發(fā)展，但單純的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)或使用清潔替代燃料很難滿足礦用防爆柴油機(jī)的排放要求，因此，需要借助機(jī)外凈化措施即加裝后處理設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)防爆柴油機(jī)的排放控制[3]。最近幾年，氧化型催化轉(zhuǎn)換器（DOC）和催化型顆粒捕集器（CDPF）技術(shù)越來(lái)越成熟，為防爆柴油機(jī)的尾氣凈化帶來(lái)了新的方法，采用DOC+CDPF的后處理技術(shù)可以顯著降低排放水平[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量關(guān)于DOC+CDPF對(duì)普通柴油機(jī)排放性能的影響的研究，DOC+CDPF+SCR耦合設(shè)備可以使重型柴油機(jī)排放物PM和NOx滿足國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)[5]，NOx基于壁流式的DPF設(shè)備溫度低于450 ℃時(shí)也可以發(fā)生反應(yīng)[6]，其中DOC+CDPF對(duì)THC和CO凈化起主導(dǎo)作用[7]，比單獨(dú)的DOC具有更好的減排效果，在不同的駕駛條件下性能更加穩(wěn)定[8]；同時(shí)能明顯降低燃用生物柴油的柴油機(jī)顆粒物排放和粒子數(shù)密度，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)小幅下降[9-10]，燃用B5生物柴油/0#混合燃料時(shí)，DOC+CDPF對(duì)CO、HC和PM的轉(zhuǎn)化效率都是先增加后減少[11]。只有DOC出口溫度較高時(shí)，DPF主動(dòng)再生才能及時(shí)[12]，加裝DOC和POC的柴油機(jī)，燃用甲醇/柴油雙燃料使得柴油機(jī)的非常規(guī)排放物較0#純柴油多[13]。綜上可知，DOC+CDPF能夠有效地降低常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用0#柴油、生物柴油和甲醇與柴油混合燃料的排放物，但對(duì)燃用F-T（Ficher-Tropsch合成）柴油的防爆柴油機(jī)上的排放性能的研究卻很少，也沒(méi)有對(duì)比分析后處理設(shè)備對(duì)分別燃用這兩種不同燃料時(shí)的轉(zhuǎn)化性能。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)防爆柴油機(jī)原機(jī)（加裝了進(jìn)氣阻火器、排氣阻火器和水洗箱）和在此基礎(chǔ)上加裝DOC+CDPF后處理設(shè)備兩種情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，以此來(lái)分析DOC+CDPF耦合設(shè)備對(duì)燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)性能的影響，及對(duì)燃油0#柴油和F-T柴油時(shí)尾氣的轉(zhuǎn)化效率，為DOC+CDPF在燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)上的應(yīng)用提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)直列四缸、水冷、自然吸氣、直接噴射、單次噴射柱塞式機(jī)械泵防爆柴油機(jī)，該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)過(guò)程基于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室臺(tái)架進(jìn)行，臺(tái)架系統(tǒng)布置如圖1所示。試驗(yàn)所用測(cè)試設(shè)備主要有：ET2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、DW320 型電渦流測(cè)功機(jī)、AVL DICom 4000五組份尾氣排放分析儀、AVL DiSmoke 480不透光煙度分析儀。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

燃料F-T柴油和0#柴油的主要理化參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 燃料理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T 18297-2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行11工況點(diǎn)和負(fù)荷特性試驗(yàn)，11工況點(diǎn)是根據(jù)煤礦井下防爆柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，MT220-90《煤礦用防爆柴油機(jī)械排氣中一氧化碳、氮氧化物檢驗(yàn)規(guī)范》提出在11點(diǎn)工況下進(jìn)行防爆柴油機(jī)排放性能的測(cè)定，具體檢測(cè)工況見(jiàn)表3。負(fù)荷特性選取 1 400 r·min-1和 1 800 r·min-1，負(fù)荷分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100% 10個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，主要測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放參數(shù)。本試驗(yàn)所采用的后處理裝置共有兩種，分別是DOC和CDPF，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 排放特性對(duì)比

2.1.1 CO 排放

內(nèi)燃機(jī)排氣中的CO是烴燃料在燃燒過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物，是燃油在氣缸中不充分燃燒所致。柴油機(jī)的特征是燃油與空氣混合不均勻，其燃燒總有局部缺氧和低溫的地方，并且燃燒時(shí)間較短，導(dǎo)致不充分燃燒，從而生成CO。

表3 礦用防爆柴油機(jī)排氣檢測(cè)工況

表4 DOC與CDPF參數(shù)1)

圖2為防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF的CO排放對(duì)比圖。由圖可知，原機(jī)燃用F-T柴油時(shí)，在中低負(fù)荷時(shí)CO的排放量很低，只有在全負(fù)荷時(shí)，由于氧濃度變低和噴油后期的供油量增加，反應(yīng)時(shí)間短，使CO急劇增加，第4和第7工況點(diǎn)CO排放最?lèi)毫?。加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF后，防爆柴油機(jī)的CO排放明顯降低，平均降低100%。

圖2 CO排放對(duì)比

究其原因，DOC+CDPF耦合設(shè)備內(nèi)部都有貴金屬催化劑涂層，為CO的氧化提供可更好的條件，同時(shí)由于前端DOC發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)是氧化反應(yīng)放出熱量，為CDPF中的CO氧化提供了高溫環(huán)境。在滿負(fù)荷4和7工況時(shí)，盡管CO排放惡劣，但隨著負(fù)荷的逐漸升高，排氣溫度升高，后處理設(shè)備對(duì)CO的氧化效果也隨著溫度的升高而變好。所以，加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF耦合設(shè)備后對(duì)CO排放的改善效果明顯。

2.1.2 NOx排放

內(nèi)燃機(jī)排氣中的NOx主要有NO和NO2，通常主要研究高溫富氧條件下產(chǎn)生的熱NO，也是尾氣排放中NO的主要來(lái)源。

圖3為防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF的NOx排放對(duì)比圖。由圖可以看出原機(jī)燃用F-T柴油和加后處理設(shè)備燃用F-T柴油NOx排放的變化趨勢(shì)基本一樣，一定轉(zhuǎn)速下隨著負(fù)荷的增加，NOx的排放量不同程度的都顯著增加，加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF后，燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)的NOx排放平均降低8.5%，在7到11工況點(diǎn)，不降反增。

圖3 NOx排放對(duì)比

究其原因，隨著負(fù)荷的增加，排氣背壓和排氣溫度都升高，可燃混合氣的空燃比減小，高溫高壓環(huán)境導(dǎo)致NOx排放量增加。加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF后，因?yàn)楹筇幚碓O(shè)備進(jìn)行了催化反應(yīng)，在低速和中低負(fù)荷條件下，由于排氣溫度較低，氮氧化物為經(jīng)過(guò)后處理設(shè)備后會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

但由于溫度較低，反應(yīng)不會(huì)很劇烈，所以NO排放會(huì)略微降低，在第4工況點(diǎn)，由于滿負(fù)荷排氣溫度較高，NO排放降低較明顯。在高速或中高負(fù)荷時(shí)，由于排氣溫度過(guò)高，氮氧化物經(jīng)過(guò)后處理設(shè)備時(shí)會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

高溫條件下，導(dǎo)致生成更多的NO，又加裝后處理DOC+CDPF耦合設(shè)備后，在高速或中高負(fù)荷時(shí)，排氣背壓變大，排氣溫度也變大，由熱NO的生成條件可知，NO生成量增加。

2.1.3 PM 排放

柴油機(jī)顆粒物（PM）主要由干碳煙（DS）、可溶性有機(jī)物（SOF）和硫酸鹽3部分組成，其中SOF占35%～45%，產(chǎn)生于高溫缺氧條件下的碳煙為PM的主要成分，碳煙主要是長(zhǎng)碳鏈分子在特定環(huán)境下裂解形成。

圖4為燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF的PM排放對(duì)比圖。由圖可以看出，兩者的變化規(guī)律一致，并且隨著負(fù)荷的增加，PM的排放量逐漸升高；加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF后，防爆柴油機(jī)的PM排放明顯降低，不透光煙度平均降低81.5%，在第4和第7工況降低效果尤為明顯。

圖4 PM排放對(duì)比

究其原因，隨著負(fù)荷的增加，空燃比和溫度較高，創(chuàng)造了裂解和脫氫的有利條件，使碳煙排放增加。后處理設(shè)備DOC含有Pt、Pd、Rh貴金屬氧化催化劑，可以催化氧化PM中的一些SOF，從而降低PM的排放量，而與PM中的DS并沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，后處理設(shè)備CDPF也含有貴金屬氧化催化劑，用來(lái)降低被動(dòng)再生溫度，當(dāng)尾氣經(jīng)過(guò)CDPF時(shí)，經(jīng)過(guò)壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體時(shí)，進(jìn)行捕集，當(dāng)溫度達(dá)到 200℃時(shí)，開(kāi)始被動(dòng)再生，使用 DOC+CDPF耦合設(shè)備時(shí)，前邊的DOC所發(fā)生的氧化反應(yīng)放出大量的熱，為CDPF提供了高溫環(huán)境，更有利于凈化PM排放。

2.2 DOC+CDPF系統(tǒng)對(duì)燃用0#柴油和F-T柴油防爆柴油機(jī)排放的影響

2.2.1 NOx排放

圖5為加裝后處理DOC+CDPF的防爆柴油機(jī)燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)的NOx排放對(duì)比圖，由圖可知，在定轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷的增大，燃用0#柴油和燃用F-T柴油的NOx排放變化趨勢(shì)一致，都呈現(xiàn)先快速升高，中等負(fù)荷時(shí)緩慢升高，高負(fù)荷時(shí)再快速升高，但在 1 800 r·min-1@80% 負(fù)荷時(shí)，NOx排放突然開(kāi)始降低。在 1 400 r·min-1負(fù)荷特性下，在低于70%負(fù)荷燃用F-T柴油時(shí)NOx排放低于燃用0#柴油，在高于70%負(fù)荷時(shí)，NOx高于燃用0#柴油時(shí)。在 1 800 r·min-1負(fù)荷特性下，燃用 F-T柴油時(shí)NOx排放全負(fù)荷工況下都低于燃用0#柴油時(shí)。

圖5 NOx排放對(duì)比

圖6為加裝后處理DOC+CDPF的防爆柴油機(jī)燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)的NOx降低百分比對(duì)比圖，由圖可知，在 1 400 r·min-1負(fù)荷特性下，燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)都會(huì)出現(xiàn)負(fù)降低率的情況，其中燃用F-T柴油時(shí)，負(fù)降低率的情況更加明顯；在1 800 r·min-1負(fù)荷特性下，燃用 0#柴油和 F-T 柴油時(shí)也都會(huì)出現(xiàn)負(fù)降低率的情況，但只出現(xiàn)在高等負(fù)荷時(shí)，整體燃用0#柴油時(shí)的降低率偏高。

2.2.2 PM 排放

圖6 NOx降低百分比對(duì)比

圖7為加裝后處理DOC+CDPF的防爆柴油機(jī)燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)的PM排放對(duì)比圖，由圖可知，在 1 400 r·min-1負(fù)荷特性下，燃用 0#柴油和F-T柴油時(shí)防爆柴油機(jī)的PM排放量都隨負(fù)荷的增大而呈現(xiàn)先降低后升高再降低的變化規(guī)律，加后處理設(shè)備后，燃用F-T柴油時(shí)PM排放比燃用0#柴油時(shí)整體都偏高，但總排放量依然處于很低的水平。在 1 800 r·min-1負(fù)荷特性下，加裝后處理設(shè)備后燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)PM排放量隨負(fù)荷的增大呈現(xiàn)基本相同的規(guī)律。

圖7 PM排放對(duì)比

圖8為加裝后處理DOC+CDPF的防爆柴油機(jī)燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)的PM降低百分比對(duì)比圖，由圖可知，在 1 400 r·min-1和 1 800 r·min-1負(fù)荷特性下，燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)PM的降低率都為正的，整體上燃用0#柴油時(shí)比燃用F-T柴油時(shí)的降低率高，隨著負(fù)荷的增大，后處理的轉(zhuǎn)化效率基本呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。盡管DOC+CDPF更適合降低燃用0#柴油時(shí)的PM排放，但由于F-T柴油自身的特性使得PM排放本身較低，通過(guò)后處理后進(jìn)而更低，完全符合防爆柴油機(jī)的使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 PM降低百分比對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

1）后處理設(shè)備DOC+CDPF能降低燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)的CO和NOx氣相排放物和PM固相排放物，其排放變化規(guī)律基本一致，對(duì)CO的降低效果非常明顯，完全滿足防爆柴油機(jī)使用要求。

2）DOC+CDPF耦合設(shè)備在第4（最低工作轉(zhuǎn)速 1 000 r·min-1@100% 負(fù)荷）和第 7（最大扭矩轉(zhuǎn)速 1 500 r·min-1@100% 負(fù)荷）工況時(shí) CO 和 PM 排放降低尤為明顯。

3）防爆柴油機(jī)在第4和第7工況點(diǎn)的時(shí)候，CO、NOx和PM排放最差，防爆柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)該避開(kāi)這兩個(gè)工況。

4）在 1 400 r·min-1和 1 800 r·min-1負(fù)荷特性下，燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)NOx的降低率有正有負(fù)，PM的降低率都為正，整體上燃用0#柴油時(shí)比燃用F-T柴油時(shí)的降低率高。