DOC+CDPF对生物柴油燃烧颗粒排放特性的影响

谭丕强，张晓锋，胡志远，楼狄明 （同济大学汽车学院，上海 201804）

DOC+CDPF对生物柴油燃烧颗粒排放特性的影响

谭丕强*，张晓锋，胡志远，楼狄明 （同济大学汽车学院，上海 201804）

以一台满足国五排放法规的车用柴油机为样机，研究加装氧化催化转化器DOC与催化型颗粒捕集器CDPF（DOC+CDPF后处理装置）前后，柴油机燃用B20燃料（燃料含20%体积掺混比的生物柴油）的颗粒排放特性.结果表明，在未加装该后处理装置时，该机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈双峰形态，B20燃料的排气颗粒数量浓度的峰值粒径在10nm和50nm附近，纯柴油的排气颗粒数量浓度的峰值粒径在50nm和200nm附近.在颗粒粒径小于120nm的区域，该机燃用B20燃料的排气颗粒数量浓度大于纯柴油.加装该后处理装置后，该机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈多峰形态，峰值粒径在10nm、20nm和60nm附近.加装DOC+CDPF后，不论是柴油还是B20燃料，与原机相比，柴油机排气颗粒总数量下降明显，其中60～200nm粒径范围的颗粒数量浓度降幅更为显著.在相同工况下，DOC+CDPF对柴油机燃用B20燃料的颗粒总数量净化效率高于纯柴油.

柴油机；生物柴油；颗粒；氧化催化转化器；催化型颗粒捕集器

生物柴油是一种由植物油、动物脂肪等通过酯化反应而得到的柴油机代用燃料，主要成分是脂肪酸甲酯或乙酯.一般来说，生物柴油原料包括废弃油脂、大豆、油菜籽和麻疯树等，由于原料可再生，生物柴油能减少对化石能源的依赖［1-4］，对其相关的应用研究意义重大.柴油机颗粒排放是大气环境污染的重要来源之一.研究表明，柴油机燃用生物柴油通常能降低颗粒PM质量、烟度的排放水平［5-8］，但是，燃用生物柴油往往会导致柴油机较小粒径的颗粒数量排放增加，这些颗粒由于粒径较小，更容易进入人体的内部，危害较大，需要对其进行控制［9-11］.

对于颗粒排放，仅靠柴油机的机内技术，无法满足未来日益严格的颗粒排放特别是颗粒数量法规.柴油机采用排气后处理净化技术，是未来重要的发展趋势.在诸多排气后处理技术措施中，氧化催化转化器（DOC）和催化型颗粒捕集器（CDPF）组合（以下简称DOC+CDPF）是常见的颗粒排气后处理技术路线［12-13］.DOC是在蜂窝陶瓷载体或金属蜂窝载体上涂覆贵金属催化剂（Pt、Pd等），降低柴油机排气中HC、CO和PM中可溶性有机物（SOF）的化学反应活化能，使这些物质能与排气中的氧气在较低的温度下进行氧化反应，转化为二氧化碳和水［14-15］.CDPF是公认的净化柴油机颗粒排放最为有效的方法之一.由于在DPF载体内部表面涂覆贵金属催化剂（Pt、Pb等），可以有效降低颗粒起燃温度，在柴油机正常工作时250～500℃排气温度范围内，就可以实现DPF的催化再生［16-17］.将DOC+CDPF结合起来使用，不仅可以保证CDPF连续可靠的工作，降低PM排放，还能有效降低HC和CO等［18-19］.

因此，针对柴油机燃用生物柴油往往会导致排气核态颗粒数量增加，DOC+CDPF后处理技术是备选的重要手段.但是，其颗粒数量及粒径分布特性的变化规律尚不清楚.为此，本文使用EEPS-3090型柴油机废气排放颗粒粒径谱仪，在一台满足国五排放标准的电控高压共轨重型柴油机上，研究了加装DOC+CDPF前后，柴油机分别燃用沪五柴油（类似于欧五柴油）、生物柴油混合燃料时的颗粒数量及粒径分布规律.

1 材料与方法

1.1 试验样机

本文使用的是一台满足国五排放标准的电控高压共轨重型柴油机，其主要技术参数如表1所示.

表1 样机的主要技术参数Table 1 Main specifications of the engine

1.2 试验燃料

本文使用的燃料为沪五柴油（类似于欧五柴油）、B20燃料（20%体积比的废弃油脂制生物柴油和80%体积比的沪五柴油掺混而成），这2类燃料的主要理化特性如表2所示.

表2 试验燃料的主要理化特性Table 2 Fuel physicochemical properties

1.3 后处理装置

本文采用的后处理装置是DOC+CDPF，主要技术参数如表3所示.

表3 DOC+CDPF的主要技术参数Table 3 Main specifications of DOC+CDPF

1.4 试验仪器

柴油机台架测控系统由AVL-PUMA全自动试验控制台、AVL电力测功机以及台架辅助设备构成.该系统为电力测功机与柴油机直接耦合，可根据需要设定柴油机不同的转速和转矩，使柴油机在所需要的工况下运转，并实时记录相关数据参数.

颗粒测试采用美国TSI公司的EEPS-3090型柴油机废气排放颗粒粒径谱仪，该仪器检测粒径范围为5.6～550nm.最高测试频率为10Hz，在0.1s内可获得一个完整的颗粒粒径分布图谱，并同步输出32个粒径通道的颗粒数量浓度.配有TSI MD19旋转盘稀释器，排气采样稀释比为250倍.

1.5 试验方案

试验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、加装DOC+CDPF装置的状态下进行颗粒排放试验. 试验工况包括外特性工况和负荷特性工况：（1）外特性工况为800～2200r/min，每隔200r/min一个工况点，共有8个工况点.（2）负荷特性工况为最大转矩转速1400r/min、标定转速2200r/min，负荷点分别为10%、25%、50%、75%、100%，共计10个工况点.在上述试验工况下，测试并分析柴油机动力性、经济性、排气颗粒数量浓度及其粒径分布特性.

2 结果与讨论

2.1 动力性

由图1可见，由于B20燃料的低热值低于柴油，因此，与柴油相比，燃用B20燃料时，柴油机的功率和转矩有所下降.在加装DOC+CDPF后，柴油机的功率、转矩均低于原机.

图1 柴油机动力性Fig.1 Power performance of the diesel engine

2.2 经济性

由图2可见，由于B20燃料低热值低于柴油，燃用B20燃料的油耗略高于柴油.外特性的油耗平均上升2.1%.负荷特性的油耗，1400r/min时平均上升2.1%，2200r/min时平均上升2.9%.

加装DOC+CDPF后，无论是纯柴油还是B20燃料，油耗均上升约2%，是因为加装该装置后导致排气背压增大，燃烧室残余废气增多，泵气损失变大，缸内燃烧恶化，燃烧热效率降低.

2.3 颗粒数量浓度及粒径分布

图2 柴油机经济性Fig.2 Fuel consumption of the diesel engine

图3 不同负荷颗粒数量浓度的粒径分布，1400r/minFig.3 Particulate number and size distribution characteristics at different loads， 1400r/min

由图3可见，柴油机负荷比为10%、25%、50%、75%，未加装后处理装置时，柴油机燃用B20燃料的排气颗粒数量浓度随粒径变化呈双峰分布形态.对于该柴油机而言，以30nm为界限，可以将排气颗粒分为核态和聚集态两类颗粒，核态颗粒数量峰值在粒径10nm附近，这些核态颗粒主要由含硫化合物、碳氢化合物等可溶有机组分形成.聚集态颗粒数量峰值在粒径50nm附近，这些聚集态颗粒主要由一次碳烟颗粒聚集成团并吸附含硫化合物、碳氢化合物等可溶有机组分形成.燃用纯柴油的排气颗粒数量浓度随粒径变化也呈双峰分布形态，但其核态颗粒无明显峰值，而聚集态颗粒区域则出现两个峰值，分别在50nm和200nm附近.

值得注意的是，柴油和B20这2类燃料的颗粒数量分布曲线，在粒径120nm附近形成交叉.在颗粒粒径大于120nm的区域，燃用B20燃料的排气颗粒数量浓度明显小于纯柴油，这部分颗粒通常为聚集态颗粒，生物柴油分子内氧有利于局部过浓混合区域的扩散燃烧过程，并会促进已形成碳烟颗粒的氧化过程，从而减少了以碳烟颗粒为主体的聚集态颗粒数量.此外，生物柴油不含芳香烃，也会降低碳烟颗粒前体物的形成，这些也会导致聚集态颗粒数量的减少.而在颗粒粒径小于120nm时，柴油机燃用B20燃料的排气颗粒数量浓度大于纯柴油，这是由于生物柴油粘度较高，燃料较高的粘度影响缸内雾化混合及燃烧过程，导致缸内未燃或者未完全燃烧的烃类燃料即未燃碳氢增加，从而导致以可溶有机组分为主要成分的核态颗粒数量上升，这部分颗粒粒径通常较小.此外，聚集态颗粒数量减少后，其对挥发及半挥发性可溶有机组分的吸附能力减弱，导致颗粒成核作用增强，也会促使核态颗粒数量上升.

由图3e可见，柴油机负荷为100%，在未加装后处理装置时，燃用B20燃料和纯柴油排气颗粒数量浓度的粒径分布均呈单峰形态，峰值粒径50nm附近，且燃用B20燃料的颗粒数量浓度小于纯柴油.

由图3可见，燃用B20燃料时，在加装DOC+CDPF后处理装置后，柴油机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈多峰形态，峰值粒径在10nm、20nm和60nm附近；10～60nm粒径区间的颗粒数量浓度降低了1～2个数量级； 粒径60nm以上区间的排气颗粒多为聚集态颗粒，特别是60～200nm粒径区间的颗粒数量浓度降幅大都超过3个数量级，净化效率相对较高.

柴油机燃用B20燃料时，粒径区间在7～9nm的核态颗粒主要为可溶有机组分和含硫化合物，加装DOC+CDPF后，其对可溶有机组分的净化效果明显，因此，其对该区间的颗粒数量具有一定的净化作用.而燃用柴油时，对于粒径区间在7～9nm的颗粒而言，颗粒数量浓度反而有增多的趋势，这主要是由于在经过后处理装置后，聚集态颗粒数量大幅降低，其对挥发及半挥发性可溶有机组分的吸附能力减弱，导致这部分有机组分的颗粒成核作用增强，从而导致该粒径区间核态颗粒数量的上升.

由图3还可以看出，加装DOC+CDPF后，柴油机燃用柴油的排气颗粒数量浓度的粒径分布与B20燃料类似.在10%低负荷时，纯柴油与B20燃料的排气颗粒数量浓度在粒径小于60nm区间内差异较小，在粒径大于60nm区间内，B20燃料的排气颗粒数量浓度明显小于纯柴油.在25%和50%的中等负荷时，在粒径10nm至60nm、大于100nm区间内，B20燃料的排气颗粒数量浓度明显大于纯柴油；在75%和100%的高负荷时，B20燃料的排气颗粒数量浓度在粒径10nm附近小于纯柴油，在其他粒径范围内，两者差异较小.

2.4 排气颗粒总数量

排气颗粒总数量是根据图3中各不同粒径分布下的排气颗粒数量积分所得，结果如图4所示.由图4可见，在无后处理装置时：（1）相同转速下，不论是柴油还是B20燃料，随负荷增大，柴油机排气颗粒总数量均增加；（2）相同转速相同负荷下，绝大数工况下柴油机燃用B20燃料的排气颗粒总数量大于纯柴油.

由图4可见，加装DOC+CDPF后：不论是柴油还是B20燃料，与原机相比，大多数工况下，柴油机排气颗粒总数量下降明显.柴油机燃用B20燃料，1400r/min时，DOC+CDPF的颗粒净化效率的平均值为94.5%；2200r/min时该平均值为98.8%.柴油机燃用纯柴油1400r/min时，DOC+ CDPF的颗粒净化效率的平均值为92.0%；2200r/min时该平均值为97.5%.可以看出，在相同工况下，DOC+CDPF对柴油机燃用B20燃料的颗粒总数量的净化效率高于纯柴油.从加装DOC+CDPF后的柴油机排气颗粒总数量来看，1400r/min时的中等负荷下，燃用B20燃料的颗粒总数量要略高于柴油，而2200r/min时在多数负荷下，B20燃料的颗粒总数量要低于柴油.表明了燃料特性、运行工况、颗粒后处理技术对柴油机排气颗粒数量的综合影响.

图4 排气颗粒总数量及DOC+CDPF对颗粒总数量的净化效率Fig.4 Total particulate number and the particulate purification efficiency of DOC+CDPF

3 结论

3.1 在未加装该DOC+CDPF后处理装置时，该柴油机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈双峰形态，B20燃料的排气颗粒峰值粒径在10nm和50nm附近，纯柴油的排气颗粒峰值粒径在50nm和200nm附近.

3.2 在未加装该DOC+CDPF后处理装置时，在颗粒粒径小于120nm的区域，该机燃用B20燃料的排气颗粒数量浓度大于纯柴油.

3.3 加装该DOC+CDPF后处理装置后，该机燃用B20燃料排气颗粒数量浓度的粒径分布呈多峰形态，峰值粒径在10nm、20nm和60nm附近.燃用纯柴油排气颗粒数量浓度的粒径分布形态与B20燃料类似.

3.4 加装DOC+CDPF后，不论是柴油还是B20燃料，与原机相比，柴油机排气颗粒总数量下降明显，其中60～200nm粒径范围的颗粒数量浓度降幅更为显著.

3.5 未加装该后处理装置时，相同转速相同负荷下，绝大数工况下柴油机燃用B20燃料的排气颗粒总数量大于纯柴油.

3.6 DOC+CDPF对柴油机燃用B20燃料的颗粒总数量净化效率高于纯柴油.

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Effects of DOC+CDPF on particulate emission from a diesel engine with biodiesel fuel.

TAN Pi-qiang*， ZHANG Xiao-feng， HU Zhi-yuan， LOU Di-ming （School of Automobile， Tongji University， Shanghai 201804， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：2978～2984

Particulate matter （PM） emissions from a heavy duty diesel engine which meets the national V emission regulations were studied， and the engine was equipped with/without diesel oxidation catalyst （DOC） and catalyzed diesel particulate filter （CDPF）， and the test fuels included 20% biodiesel fuel and pure diesel fuel. Results showed that the size distribution of exhaust particulate number from the engine without DOC+CDPF showed double-peak distribution， and the peak diameter of particulate number were about 10nm and 50nm when using B20 fuel， and about 50nm and 200nm when the engine using diesel fuel. The particulate number from the engine with B20 fuel was higher than diesel fuel at the area that particulate diameter was smaller than 120nm. The size distribution of particulate number from the engine with DOC+CDPF showed multi-peak distribution， and the peak diameters of particulate number were about 10nm， 20nm and 60nm respectively. Compared to the engine without exhaust gas aftertreatment， DOC+CDPF could evidently reduce particulate number whether the engine using B20 fuel or diesel fuel， the decreasing range was remarkable when the particulate diameter was between 60～200nm. The purification efficiency of total particulate number from the engine with B20 fuel was higher than that of diesel fuel at the same operating conditions.

diesel engine；biodiesel；particulate；diesel oxidation catalyst；catalyzed diesel particulate filter

X513

A

1000-6923（2015）10-2978-07

谭丕强（1974-），男，山东临沂人，教授，博士，主要从事汽车排放控制和清洁燃料研究.发表论文170余篇.

2015-02-12

国家自然科学基金（50906062）；国家“863”计划（2012AA111717）

* 责任作者， 教授， tpq2000@163.com