DOC+POC对发动机燃用柴油与B20排放颗粒的净化性能研究*

谭丕强，阮谨元，胡志远，楼狄明

(同济大学汽车学院，上海 201804)



2015129

DOC+POC对发动机燃用柴油与B20排放颗粒的净化性能研究*

谭丕强，阮谨元，胡志远，楼狄明

(同济大学汽车学院，上海 201804)

对一台车用高压共轨直喷式柴油机，分别燃用纯柴油和B20燃料，在未加装后处理装置的原机和加装柴油机氧化催化器与颗粒氧化催化转化器(DOC+POC)后处理装置的两种状态下，利用EEPS颗粒粒径谱仪，测试其排气颗粒数量排放及其粒径分布。结果表明：未加装后处理装置时，燃用B20燃料的核态颗粒数量排放略高于柴油；而聚集态颗粒的数量排放则低于柴油；加装DOC+POC后处理装置后，排气颗粒数量排放明显下降，颗粒净化效率存在两个较高的峰值，一个在粒径10nm附近的核态颗粒区域，另一个在粒径300nm附近的聚集态颗粒区域。燃用B20燃料时，总的来说排气颗粒数量排放低于柴油，DOC+POC对多数工况下颗粒的净化效率明显高于柴油。

柴油机；生物柴油；颗粒排放；柴油机氧化催化器；颗粒氧化催化转化器

前言

颗粒物是汽车柴油机的主要污染物之一，危害人体健康。随着柴油机技术的进步和汽车排放法规的日益严格，柴油机的颗粒数量排放及其粒径分布逐渐受到重视，2011年实行的欧Ⅴ第二阶段排放法规开始限定颗粒数量排放。研究表明：柴油机排放的颗粒中，粒径小于50nm的纳米级颗粒数量比例可占90%以上，更容易被人体吸入，且毒性更强，危害更大[1]。

生物柴油作为一种可再生车用替代燃料已得到世界各国的广泛重视，随着生产技术逐渐发展和成熟，清洁的生物柴油在欧美等国家和地区已投入规模化应用，大多采用与石化柴油混合使用的方法，对解决石油能源短缺具有重要意义。但研究表明[2-3]：发动机燃用生物柴油通常会引起排放的颗粒数量增加，须对此进行有效控制。

采用后处理装置控制颗粒排放是车用柴油机技术的发展趋势，研究后处理装置对柴油机颗粒数量及其粒径分布等排放特性的影响规律，对于采用后处理装置控制柴油机颗粒数量排放具有十分重要的意义。

在柴油机诸多颗粒后处理装置中，颗粒氧化催化转化器(POC)是一种较为典型的柴油机排气后处理装置，它可以捕集并氧化部分颗粒。其结构是使废气通过一个多褶皱而不堵塞的通道，通过与柴油机氧化催化转化器(DOC)的配合使用(以下简称DOC+POC)，可以在降低90%以上CO和HC排放的同时，降低部分颗粒[4]。虽然颗粒捕集器(DPF)的颗粒净化效率更高，但与DPF相比，POC具有低背压、油耗影响小、成本低、无须复杂的标定过程等优点[5]。

目前，针对发动机使用生物柴油可能引起的排气颗粒数量增加的问题，采用DPF进行颗粒净化的研究较多[6]，而对于生物柴油发动机采用POC进行颗粒净化的研究则鲜见报道。

据此，本文中通过发动机台架试验，研究发动机燃用柴油和生物柴油的排气颗粒数量，以及加装DOC+POC后柴油机颗粒数量的排放特性。

1 研究方案

1.1 试验发动机与测试设备

试验发动机为一台满足国V排放法规的高压共轨直喷式柴油机，其主要参数如表1所示。

表1 试验柴油机主要参数

采用AVL-PUMA全自动发动机试验台架，利用美国TSI公司EEPS3090颗粒粒径谱仪测试并分析发动机的颗粒数量排放特性。颗粒粒径测试范围为5.6～560nm，测试频率为10Hz，搭配TSI的MD19旋转盘稀释器，控制排气采样稀释比为250倍。

1.2 试验燃料

本试验使用的燃料为沪V柴油和B20燃料(由体积比为20%的生物柴油和80%的沪V柴油掺混而成)，两种燃料的理化特性如表2所示。

表2 试验燃料的主要理化性质

由表2可见，沪V柴油类似于欧V标准的柴油，本文中用的沪V柴油硫含量极低，没有检出；而B20燃料，采用的生物柴油原料为餐饮废弃油脂，在生产制造生物柴油的过程中，由于生产工艺的原因，该生物柴油中含有硫，从而导致B20燃料里含有极少量的硫。

1.3 试验后处理装置

DOC+POC后处理装置的主要参数如表3所示。试验中，试验样机未加装后处理装置的状态定义为原机，以作为参照。

表3 DOC、POC后处理装置的主要技术参数

1.4 试验方案

发动机在使用不同燃料、配合不同后处理装置的情况下进行台架试验。具体组合方案如表4所示。

试验工况包括外特性工况和负荷特性工况，外特性工况的转速范围为800～2 200r/min；负荷特性工况转速为最大转矩转速1 400r/min。在上述试验工况下，研究发动机燃用柴油及B20燃料、加装DOC+POC后处理装置前后的动力性与经济性和排气颗粒数量排放的粒径分布特性的变化。

表4 试验组合方案

2 试验结果与讨论

2.1 动力性和经济性

图1和图2分别为外特性工况下柴油机的功率和燃油消耗率。由图可见：燃用B20燃料时的燃油消耗率略高于柴油，功率低于柴油；加装后处理装置后的油耗高于原机，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，总体幅度较小，可见DOC+POC后处理装置对发动机动力性、经济性的影响不明显。

2.2 颗粒数量排放的粒径分布

本文中以最大转矩转速1 400r/min负荷特性下颗粒数量排放的粒径分布作为研究对象。图3各图分别为不同负荷下，4种方案的柴油机排气颗粒数量粒径分布。

由图3未加装后处理装置时的原机方案一和方案二可以看出：

(1) 未加装后处理装置时，柴油机燃用纯柴油和B20燃料在不同负荷下的排气颗粒数量随粒径变化均呈双峰对数分布形态，其中核态颗粒数量峰值粒径在10nm附近，聚集态颗粒数量峰值粒径在50～60nm范围内，这与大部分柴油机颗粒排放研究的结果一致[7]；

(2) 柴油机燃用B20燃料的核态颗粒数量排放略高于柴油，低负荷时这种差距较为明显，这是因为B20燃料黏度较高，雾化性稍差，且本文的B20燃料由于生产工艺造成其硫含量稍高，从而形成了较多的以硫酸盐和可溶性有机组分SOF为主体的核态颗粒，但随着负荷的上升，差距逐渐减小，75%，100%负荷下二者的核态颗粒数量基本相同，这是因为B20燃料含氧成分开始发挥作用，燃烧更充分，较低负荷时生成的SOF有所减少，形成的核态颗粒随之减少，与柴油趋于同一水平；

(3) 柴油机燃用柴油的聚集态颗粒数量大于B20燃料，且在200nm粒径以上范围内差距显著，这是由于B20燃料含氧，有利于局部过浓混合区域的扩散燃烧，并会促进已形成的碳烟颗粒的氧化，导致以碳烟颗粒为主体的聚集态颗粒数量减少。

由图3加装DOC+POC后处理装置的方案三和方案四可以看出：与原机相比，加装DOC+POC后，在不同负荷下各粒径范围内柴油机排气颗粒数量均明显下降，不论是燃用柴油还是B20燃料，结果类似。排气颗粒数量排放的粒径分布仍呈双峰对数形态，但核态颗粒峰值已不再明显，这涉及到DOC+POC对颗粒的净化效率问题，会在2.3节中详述。

2.3 后处理装置对不同粒径颗粒的净化效率

图4为1 400r/min不同负荷下，DOC+POC对柴油机燃用柴油及B20燃料时不同粒径颗粒的净化效率。由图4可以看出：

(1) DOC+POC对柴油机燃用柴油和B20燃料的颗粒数量净化效率随粒径的变化趋势基本相同，随颗粒粒径变化，存在两个净化效率较高的峰值，一个在粒径10nm附近的核态颗粒区域，另一个在粒径300nm附近的聚集态颗粒区域，粒径在6nm以下时净化效率较低，因为粒径6nm以下不含SOF成分的核态颗粒比例较高，大部分是硫酸盐类物质，DOC+POC对这部分颗粒数量净化效果较差，而粒径在10nm附近时净化效率高，主要是因为粒径10nm附近的核态颗粒中SOF含量较高[8]，DOC+POC对这部分颗粒的净化效果很好，之后净化效率随着粒径增大而下降，在90～100nm粒径范围内达到极小值，接着净化效率又随着粒径增大而上升，大概在粒径300nm附近净化效率出现另一个高峰，这得益于POC内部结构对大粒径颗粒的拦截机制[9]；

(2) 在10%负荷下，与柴油相比，柴油机燃用B20燃料时，全粒径范围内DOC+POC对颗粒的净化效率略低，这是由于生物柴油黏度高，雾化性稍差，10%负荷下的低温易导致较多的SOF，且排温不高，后处理装置对其净化效果较差[10]。

在25%，50%和75%负荷时，DOC+POC对柴油机燃用B20燃料时粒径100nm以下颗粒净化效率明显高于柴油，粒径100nm以上B20燃料的颗粒净化效率出现了低于柴油的情况，这表明运行工况、燃料特性、后处理装置对颗粒排放有复杂影响。

在100%全负荷时，柴油机燃用B20燃料时，DOC+POC对绝大多数粒径颗粒的净化效率比柴油要高。除了在粒径100nm附近，柴油和B20燃料的颗粒净化效率接近，其他粒径下B20燃料的颗粒净化效率明显高于柴油。

2.4 排气颗粒总数量

2.4.1 外特性

图5为外特性下4种方案的柴油机排气颗粒总数量。

由图5可见：随着转速增加，柴油机排气颗粒总数量呈持续上升趋势；原机燃用B20燃料的排气颗粒总数量明显高于柴油；而加装DOC+POC后，在800～1 800r/min，柴油机燃用B20燃料的排气颗粒总数量反而要低于柴油，表明了二者排气颗粒总数量净化效果的差异。

图6给出了外特性下后处理装置对排气颗粒总数量的净化效率。

由图6可以看出：外特性下DOC+POC对燃用柴油的排气颗粒总数量净化效率为6%～38%，1 400r/min下净化效率最高，平均净化效率为21%；而对燃用B20燃料的排气颗粒总数量净化效率为32%～75%，800r/min下最高，平均净化效率为55%，远高于柴油。这是因为燃用B20的排气颗粒中SOF成分较多，而DOC+POC对SOF的净化效果很好。总体来说，低转速时对排气颗粒的净化效率较高，高转速时较低。这主要是因为随着转速上升，排气流速增加，后处理装置中的反应时间变短[11]。

2.4.2 负荷特性

图7为在最大转矩转速1 400r/min时不同负荷下，4种方案的柴油机排气颗粒总数量。

由图7可见：随着负荷上升，柴油机排气颗粒总数量呈持续上升趋势；原机燃用B20燃料的排气颗粒总数量明显高于柴油；而加装DOC+POC后，低负荷下柴油机燃用B20燃料的排气颗粒总数量略高于柴油，中高负荷下低于柴油。

图8给出了在最大转矩转速1 400r/min时不同负荷下，DOC+POC后处理装置对柴油机排气颗粒总数量的净化效率。

由图8可以看出：柴油机燃用柴油时DOC+POC在5个不同负荷下的排气颗粒总数量净化效率，由低负荷到高负荷依次为47%，36%，30%，45%和38%，平均净化效率为39%；10%负荷下燃油雾化不好，燃烧产生的颗粒中SOF成分较多[12]，净化效率较高；随着负荷上升到25%和50%，燃烧状况有所改善，SOF含量下降，且排气温度不够高，所以净化效率较低[9]；75%负荷下排气温度的上升起了主导作用，净化效率回升；100%负荷下，燃烧产生的颗粒大幅度增加但SOF含量进一步下降，导致DOC+POC的低效率[13]。

就B20燃料而言，DOC+POC在柴油机5个不同负荷下的净化效率，随着负荷的上升先增加后下降，分别为40%，45%，70%，63%和57%，平均净化效率为55%。在中低负荷下燃烧产生的颗粒中SOF成分都比较多，所以随着负荷上升排温对后处理器的净化效率起了主导作用；高负荷下由于燃烧状况的改善和生物柴油的高含氧量，颗粒中SOF含量大大降低，影响了净化效率。

3 结论

(1) 未加装后处理装置时，B20燃料的核态颗粒数量大于柴油，低负荷时这种差距比较明显。柴油的聚集态颗粒数量大于B20燃料，在200nm粒径以上范围内差距较为显著。

(2) 加装DOC+POC后，不论是燃用柴油还是B20燃料，柴油机不同负荷下各粒径范围内排气颗粒数量排放均明显下降，而总的来说B20燃料的排气颗粒数量排放低于柴油。

(3) DOC+POC对柴油机燃用柴油和B20燃料的颗粒数量净化效率随粒径的变化趋势基本相同。颗粒净化效率存在两个较高的峰值，一个在粒径10nm附近的核态颗粒区域；另一个在粒径300nm附近的聚集态颗粒区域。燃用B20燃料时，DOC+POC对多数工况的粒径100nm以下颗粒净化效率明显高于柴油。

(4) 加装DOC+POC对柴油机燃用柴油的排气颗粒总数量的平均净化效率，外特性下为21%，1 400r/min负荷特性下为39%；而对B20燃料的排气颗粒总数量的平均净化效率，外特性下为55%，1 400r/min负荷特性下为55%。

[1] 谭丕强,楼狄明,胡志远.发动机燃用生物柴油的核态颗粒排放[J].工程热物理学报,2010,31(7):1231-1234.

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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

*国家自然科学基金(50906062)和国家863计划项目(2012AA111717)资助。

原稿收到日期为2014年12月19日，修改稿收到日期为2015年3月4日。