DOC＋POC发动机燃用不同基准燃油尾气排放研究

2014-04-11张潇文王凤滨

车用发动机 2014年4期

张潇文，王凤滨

（中国汽车技术研究中心，天津 300162）

汽车发动机目前已经广泛采用各种电控和排气后处理等先进技术以适应更严格的法规要求。当前DOC（柴油氧化催化器）结合DPF（颗粒物捕集器）或POC（颗粒物氧化催化器）的后处理装置已成为中小功率柴油机满足国Ⅳ排放要求所采用的主流技术路线［1］。这些技术对燃油品质有很强的敏感性，燃油品质任何一指标不达标，都有可能影响排放。因此，在未来中国汽车工业的发展过程中，燃油品质问题必然引起高度重视。

本研究以1台国Ⅳ柴油机为研究对象，加装DOC＋POC后处理装置研究其燃用国Ⅲ柴油、国Ⅳ柴油、国Ⅴ柴油以及高硫柴油4种不同基准柴油时发动机的PM，HC，CO，NOx等污染物的排放特性。

1 原理

DOC集成在排气管或消音器等排气系统中，可去除50%～90%的CO和HC［2］以及部分颗粒物，可消除柴油燃料产生的乙醛气味和黑烟。其化学反应如下。

氧化HC和CO：

部分氧化SOF：

再生形成NO2：

硫酸盐重要组成部分的形成：

POC用于捕捉并氧化发动机排气中的颗粒物。POC的结构是一个多褶皱而不堵塞的通道，这种特殊的载体结构使得排气流体通畅的同时接触面积广，可以在保证背压的同时捕捉部分颗粒物并在NO2的帮助下进行再生。DOC将排气中的NO转化为NO2以提高排气中NO2的浓度，而在POC中利用活性很大的NO2中的一个O来氧化颗粒中的C，以达到再生的目的。当排气温度超过550℃时，POC中会发生再生反应［4］，与柴油氧化催化器配合使用可去除50%～70% 柴油颗粒，并进一步降低HC和CO排放。其化学反应如下。

额外氧化HC和CO：

全部氧化SOF：

氧化炭烟（再生）：

2 试验设备及方法

2.1 试验设备

发动机试验台架示意见图1，AMA i60气体分析仪用于测量试验过程中柴油机的CO，THC，NOx排放，SPC 472用于采集颗粒物。试验发动机发动机技术参数见表1。

表1 试验发动机技术参数

2.2 试验方法

试验按照GB l7691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ阶段）》［5］，分别燃用国Ⅲ柴油、国Ⅳ柴油、国Ⅴ柴油以及高硫柴油对安装DOC＋POC后处理装置的国Ⅳ发动机进行欧洲稳态循环（ESC）试验，ESC工况点见图2，试验过程中记录每个工况下CO，NOx和HC的排放情况。国Ⅲ柴油选用天津市售柴油，国Ⅴ柴油为北京市售柴油，国Ⅳ柴油和高硫柴油为中国石化生产的符合法规要求的基准燃油。表2列出所用燃油主要特性参数。

表2 燃油主要特性参数

3 试验结果分析

3.1 CO和HC排放

图3示出国Ⅳ柴油机原机与加装DOC＋POC后处理装置后燃用4种不同基准燃油的CO和HC排放曲线。由图可知，在低负荷点，原机燃用4种不同种类燃油时，国Ⅳ柴油的CO和HC排放明显高于其他3种柴油。这可能和国Ⅳ柴油馏出温度最低有关。安装DOC＋POC后处理装置的国Ⅳ柴油机与原机相比，CO和HC排放降低非常明显，除去怠速点，其他工况点CO和HC排放均接近于0。怠速工况下，由于排气温度低、混合气少，CO不能充分燃烧成CO2，从而使CO排放高于其他工况点。通过计算可得出，CO和HC的平均转化效率随着硫含量增加而降低，其中平均转化效率最高者为国Ⅴ柴油，CO和HC的平均转化效率分别为90.6%和86.6%，而平均转化效率最低的则是高硫柴油，CO和HC的平均转化效率分别为87.5%和59.7%。4种基准燃油均在高转速大负荷下转化效率最高。这是因为尾气经过DOC时，SO2发生氧化反应生成SO3，会消耗一定的氧，从而对CO和HC的转化不利，并且，燃油中的硫氧化、燃烧形成大量硫酸盐，这些固态硫化颗粒物附着在POC催化器涂层无法清除，影响POC中催化剂的催化效果，使得氧不足，于是POC的额外氧化HC和CO的能力下降，导致HC和CO排放增加。

3.2 NOx 排放

图4示出原机与加装DOC＋POC后处理装置后燃用4种不同基准燃油的NOx排放曲线。由图可知，与原机相比，加装DOC＋POC后处理装置后NOx排放变化不大，多数工况点NOx排放不降反升，这表明不同基准燃油对该机NOx的排放影响较小。

3.3 PM 排放

图5示出了原机与加装DOC＋POC后处理装置后燃用4种不同基准燃油的PM排放结果。由图可知，随着燃油硫含量的减少，原机和加装DOC＋POC后处理装置后的PM排放均下降，加装DOC＋POC后处理装置后下降明显。加装DOC＋POC后处理装置后，在燃用高硫柴油、国Ⅲ柴油、国Ⅳ柴油时的PM排放高于原机，而在燃用国Ⅴ柴油时的PM排放却明显低于原机。经计算可得出，该机加装DOC＋POC后处理装置燃用国Ⅴ柴油时，PM排放降低了81.8%，但在燃用高硫柴油时，PM排放增加了10.3%。一般认为，PM主要是由炭烟、硫酸盐和SOF组成，SOF占PM 的30%左右［6］。燃油中硫含量越高，排气中硫酸盐所占比例越大，导致尾气中PM排放增加。在燃用高硫柴油、国Ⅲ柴油、国Ⅳ柴油时的PM排放高于原机，可能是由于这几种燃油含硫量较高，硫氧化、燃烧形成大量的硫酸盐，这些固态硫化颗粒物附着在POC催化器涂层无法清除，会使排气压力增大，恶化缸内燃烧，而且会影响催化效果，引起催化器中毒而失去活性，从而使其PM排放增加。国Ⅴ柴油中硫含量很低，燃烧产生的硫酸盐很少，不会影响排气压力和催化效果，因而可在催化剂的催化作用下使NO2分子键断裂，产生的O与SOF反应，生成CO2和H2O，从而排气中的PM排放得到明显改善。综上所述，POC具有较强的硫敏感性，使用含硫量较高的燃油不会使PM排放得到改善，反而会增加PM排放。对符合要求的低含硫量燃油，PM排放改善明显。