生物柴油对连续再生DPF再生平衡温度的影响

高国有，陈 韬，回 春

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

近年来，随着环境污染问题的日益突出，汽车的排放法规越来越严格，为满足国Ⅵ和欧Ⅵ汽车排放标准对颗粒物（Particulate Matter，PM)排放的要求，汽车必须在发动机排气系统中安装DPF。DPF是目前公认的最有效的PM后处理净化装置[1]，能有效降低发动机PM排放，但DPF压降会随着过滤体中PM累积而增加，因此需要对DPF实施再生，减少DPF压降对发动机动力性和经济性的影响[2-3]。

DPF再生需要燃烧或氧化DPF过滤体中累积的含碳量高的PM[4-6]，需要增加过滤体温度以达到PM的起燃温度，或者使用催化剂降低PM起燃温度至发动机的排气温度范围。DPF催化再生是一种连续再生方式，通过将排气中NO催化转化为NO2，促进DPF再生，同时利用氧化催化剂降低PM起燃温度，最终实现DPF完全再生。对于连续再生DPF而言，PM起燃温度、NO催化为NO2的温度以及DPF中PM积累和氧化平衡温度点是3个关键的温度变量[6]。其中，PM起燃温度和NO催化转化温度主要取决于催化剂特性，属于普遍属性。PM积累和氧化的平衡温度点是指在该温度下DPF中PM积累速率等于氧化速率，需要发生在足够低的温度下，以适合典型柴油车辆工况范围内的排气温度范围。因此，这是一个尤为重要的温度变量，决定柴油机DPF是否有能力满足柴油发动机尾气排放法规的要求。因为平衡温度点取决于发动机排放和操作工况参数，其不是DPF的普遍属性，已有的研究表明DPF平衡温度点在不同的工作过程中是不一致的，其结果的可重复性一直是连续再生DPF的研究热点[6-7]。

生物柴油具有可再生性，能减少温室气体排放，抑制烟尘的形成，已经作为替代柴油的燃料而被各国学者广泛研究[8-10]。生物柴油是以油料作物、废弃油脂等为原料通过酯交换工艺制成的液体燃料，具有十六烷值高、润滑性好、可再生性等优点[11-12]，无需改动柴油机可直接使用[13-14]。国内外大量的研究表明，现代柴油机使用生物柴油作为燃料能直接减少污染物的排放，特别有利于减少PM和CO2的排放[5,15-16]，此外，生物柴油还可以降低DPF中微粒的燃烧温度[17]。

综上所述，生物柴油作为替代燃料可以在柴油机上直接使用，柴油机燃油性质的变化会影响柴油机的排放和工况，从而改变后处理系统中DPF的再生平衡温度点。本研究将分别采用石化柴油和生物柴油作为柴油机燃料，通过台架试验对比分析不同工况下连续再生DPF的再生平衡温度点，研究生物柴油对再生平衡温度特性的影响。

1 试验装置及方法

试验采用的发动机为涡轮增压共轨柴油机，所用的燃料为满足国Ⅴ标准的石化柴油和生物柴油，试验总体装置如图1所示。试验主要设备包括AVL电涡流台架测试系统、数据采集系统、排气分析仪系统和发电机电控单元（ECU）。其中，AVL电涡流台架测试系统用于控制发动机工况、燃料流量、进气条件等，数据采集系统用于监测发动机转速和转矩，以及进排气系统、中冷器、燃油、机油等的温度和压力，排气分析仪系统用于检测排气中的NO、NO2、NOx、CO、CO2、O2和烟度等的浓度，ECU可用于控制发动机的喷油量、喷油时刻、EGR率等参数。

图1 试验台架示意图

试验采用壁流式连续催化再生DPF，DPF安装在排气管上，氧化催化转换器（DOC）安装在DPF上游，排气系统的布局如图2所示。在DPF前后端装有压力传感器，可用于测量DPF压差。排气管上布置了3处排气分析仪的取样点进行排放分析，具体位置如图2所示，取样点1（SP1）位于发动机排气出口处和DOC的上游，取样点2（SP2）位于DOC下游和DPF系统的上游，取样点3（SP3）位于DPF的下游。

图2 后处理装置示意图

为研究连续再生DPF的再生平衡温度，通过在试验台架上进行5个稳态工况的试验循环，寻找DPF的再生平衡温度点。试验中，发动机转速控制在中等转速2 000 r/min，初始转矩为10 Nm，每20 min发动机转矩增加50 Nm，发动机的工况变化见表1。在同等工况试验中，关闭发动机的EGR，消除废气再循环对试验工况的影响。在同等排气状态的试验中，开启EGR，通过ECU调整发动机参数和EGR率，保证两种燃料的排气状态保持一致。

在每个循环试验之初，必须对DPF中的PM进行完全清除，每次试验循环开始前，需要将试验所用DPF放置在650℃的电烤箱内20 min，使残留PM再生完全。DPF完全再生后，将DPF装置在排气管上，发动机在台架上以转速3 000 r/min和BMEP 700 kPa的工况运行1.5 h，收集PM，DPF中PM的加载量大约为6 g/l，从而保证DPF中PM加载量的初始状态一致。PM加载完成后，装载DPF的发动机在2 000 r/min转速下，从低转矩到高转矩开始运行，试验在石化柴油和生物柴油两类燃料间重复进行。

表1 试验工况发动机参数

2 试验结果和分析

2.1 同等工况试验

柴油机DPF可以有效降低PM排放，但在发动机运行几百公里或工作几小时后，DPF需要采用适当的策略进行再生，DPF再生之间的时间间隔完全取决于发动机的工作条件。在一些特定工况下，发动机排气温度较高，DPF再生可以自发完成。

柴油机DPF的 BET是实现DPF连续再生和衡量DPF压降变化的关键，通过增加发动机转矩，提高排气温度，分析连续再生DPF压差变化，可以有效评估BET。在低转矩稳定工况下，发动机排气温度很低，一般小于300℃，排气背压随着PM积累而增加。当转矩升高时，排气温度不断增加，DPF中过滤的PM开始氧化，当PM氧化速率超过积累速率时，DPF压差减少。

图3为5个稳定工况的循环试验中石化柴油和生物柴油两种燃料的DPF压差、排气温度和发动机转矩的变化特性。由图3b可知，在工况1中，由于发动机排气流量相对较低，DPF的压降也较低。由图3c可知，发动机开始运行时两种燃料的排气温度都低于200℃，虽然在工况1中DPF压降增加幅度很小，但却在持续地增加，这主要是由于排气温度低时，DPF中的PM几乎没有发生氧化，PM一直处于累积状态。

图3 同等工况发动机转矩及排气变化特性

在工况2中，随着发动机转矩增加，DPF压降随着排气流量的增加而增大，此时，虽然排气温度有所上升，但两种燃料的排气温度都小于300℃（图3c），DPF中PM没有急剧氧化，整个工况中压降变化平缓。

随着发动机转矩增加至110 Nm（工况3），排气温度和流量进一步增加，DPF压降也增加，如图3c所示，石化柴油的排气温度为350℃左右，生物柴油的排气温度超过330℃。随着排气温度的升高，PM氧化加快，压降曲线变化规律也随之改变，压降开始随着转矩激增至110 Nm，随后开始变得平坦，然后开始下降。

在工况4中，随着转矩进一步增加，排气温度不断提高，DPF进入完全再生模式，DPF压降迅速下降（图3c）。这是由于PM氧化速率开始高于捕集速率，DPF中PM加载量和压降都开始降低。

在工况5中，排气温度和流量进一步提高，DPF再生继续进行。

通过观察图3中两种燃料试验结果的区别，可以明显地发现，在工况2（从1 200 s到2 400 s）中，生物柴油发动机的DPF压差保持恒定，基本维持在5.8 kPa左右，这说明生物柴油发动机DPF中PM的氧化速率已经开始等同于捕集速率。而此时柴油发动机的DPF压差略微升高，从7.2 kPa提高至8.1 kPa，这说明柴油发动机的DPF中PM还处于累积阶段。

PM氧化和捕集速率的变化可以通过计算压差与温度的斜率获得， BET可以通过分析每个步骤压差与温度的斜率获得，斜率为正，DPF中PM捕集速率大于氧化速率，相反如果斜率是负的，则PM氧化速率大于捕集速率。计算后DPF压差斜率和排气温度曲线的斜率如图4所示，曲线通过压差斜率为0时对应的横轴排气温度认定为再生平衡温度。

从图4中两类燃料的压差斜率变化可以看出，石化柴油的BET出现在约310℃时，生物柴油的BET出现在约250℃，生物柴油连续再生DPF的BET明显低于石化柴油，这主要是因为生物柴油排气中NOx的排放水平较高，有利于PM氧化反应的进行[18]。

图4 DPF压差斜率变化规律

通过上文的分析可知，在相同发动机工况下，生物柴油能降低连续再生DPF的再生平衡温度，然而，生物柴油相比石化柴油具有不同的化学和物理特性，特别是生物柴油净热值较低，这意味着发动机输出相同功率，需要注入更多的燃料。上文分析了发动机功率相同和没有EGR介入的情况下，石化柴油和生物柴油的连续再生DPF再生平衡温度的试验研究过程，为了保证发动机燃用生物柴油或者石化柴油能达到相同的输出功率，必须针对不同燃料进行校准。因此，试验中使用生物柴油时，发动机大部分参数（如进气量、增压压力、燃料喷射量等）与使用石化柴油时的情况是不同的。

图5为相同发动机工况和没有EGR介入的情况下，两种燃料的发动机进气量、增压压力和燃料消耗的试验结果。由图5可知，在同工况BET测试试验中，两种燃料发动机的进气量、增压压力和燃料消耗区别非常明显，生物柴油的燃油消耗量较高，而进气量和压力较低。这也证明同工况BET测试试验中，虽然两种燃料试验DPF中累积的PM质量相同，但在整个测试循环过程中，发动机使用生物柴油时测量的DPF压差一直较低。

图5 同等工况发动机参数变化特性

2.2 同等排气状态试验

上文的分析说明，在EGR不介入时，相同发动机工况下生物柴油和石化柴油的排放水平存在着区别，而大量的研究已经表明发动机排放中NOx的含量对连续再生DPF中PM的再生影响非常明显。因此，为评估发动机相同排放水平下DPF的BET，必须保证两类燃料的排放温度和NOx浓度保持一致。

试验中通过ECU调整发动机参数以及EGR率，确保在工况1～4下，两种燃料的输出转矩、排气温度和NOx浓度基本一致，具体如图6所示。图6中试验结果的曲线显示通过改变发动机参数和EGR率，两种燃料的排放温度和NOx排放浓度区别都很小，在同等排放状态下，生物柴油的BET大约为310℃，而石化柴油的BET大约为350℃。在该试验中，生物柴油和石化柴油的BET都升高了，这主要是由于为保证两种燃料排放状态一致，ECU对发动机参数的调整以及EGR的介入使两种燃料排放的NOx都有所降低。

图6 同等排气状态下发动机的排气特性

2.3 生物柴油对排放的影响

在无EGR介入的同工况试验中，在采样点SP1、SP2和SP3利用排气分析系统分别进行了排气污染物CO、NO和NO2的采样测量，在采样点SP3利用不透光烟度计进行了排气烟度的测量，通过对结果进行对比分析，可以发现两种燃料会导致发动机的排放出现非常明显的不同。图7为两种燃料CO排放结果的差异，其中，图7a为石化柴油的CO排放结果，图7b为生物柴油的CO排放结果。在工况1和2中，发动机出口SP1处生物柴油的CO排放较高，然后在其它工况下，CO排放迅速降低。除了工况1中，后处理系统中的DOC都能非常有效地将排气中的CO氧化为CO2，CO转换的效率达到90%以上。这是由于使用生物柴油时发动机在低转矩工况下的排气温度很低，大约160℃，DOC中的催化剂在该温度下还几乎不能催化氧化CO。

图7 不同采样点CO排放浓度

图8 NOx排放浓度

图8为两种燃料的NOx排放水平对比，相比石化柴油，生物柴油的NOx浓度在排气中大幅增加25%左右。NO2作为DPF中PM再生所必需的氧化催化剂，排气中NO2在NOx中的占比非常微小，其主要是通过催化排气中的NO而生成的，排气中NO2的浓度对PM的再生影响很大。通过对比不同工况下NOx中NO2/NOx的比例可以发现，在工况1和工况2中，NO2/NOx比率小于6%，其它工况下NO2/NOx比率都超过了20%，其中最大NO2/NOx比率（大约35%）是出现在工况3下，这说明该工况的排气温度350℃最有利于NO转换为NO2。

3 结论

（1）在同等工况试验下，与传统石化柴油相比，生物柴油的燃油消耗量较高，而进气量和压力较低。石化柴油DPF的BET出现在约310℃时，生物柴油的BET出现在约250℃时，生物柴油连续再生DPF的BET明显低于柴油。

（2）在同等排放状态试验下，生物柴油DPF的BET出现在310℃左右，石化柴油DPF的BET大约为350℃，生物柴油和石化柴油的BET因为NOx排放的降低而上升。

（3）在低转矩工况下，发动机排气温度低，排气中CO转化率低，随着转矩增加，排气温度升高，CO转换的效率明显提高。低转矩工况下，排气中NO2/NOx比率很小，随着转矩和排气温度的升高，NO2/NOx比率增加，排气温度达到350℃时NO2/NOx比率最大。

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