DOC+CDPF对燃用F-T柴油的防爆柴油机排放性能影响

2019-12-14陈东东张翠平张瑞亮

中国测试 2019年11期

陈东东，张翠平，张瑞亮

(太原理工大学车辆工程系，山西太原 030024)

0 引言

随着矿产采集技术越来越成熟，井下无轨辅助运输车辆因具有效率高、机动性强、灵活性高等特点，使其应用范围越来越广泛，矿用防爆无轨运输车辆将会成为未来矿井下的必需品[1]。但由于井下工作特殊条件的限制，对无轨运输系统动力总成的排放性能有一定的特殊要求。MT990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》中规定，排气未经稀释CO和NOx排放浓度不应超过0.1%和0.08%[2]。

尽管防爆柴油机先进技术不断向前发展，但单纯的机内净化技术或使用清洁替代燃料很难满足矿用防爆柴油机的排放要求，因此，需要借助机外净化措施即加装后处理设备来实现防爆柴油机的排放控制[3]。最近几年，氧化型催化转换器（DOC）和催化型颗粒捕集器（CDPF）技术越来越成熟，为防爆柴油机的尾气净化带来了新的方法，采用DOC+CDPF的后处理技术可以显著降低排放水平[4]。国内外学者开展了大量关于DOC+CDPF对普通柴油机排放性能的影响的研究，DOC+CDPF+SCR耦合设备可以使重型柴油机排放物PM和NOx满足国V排放标准[5]，NOx基于壁流式的DPF设备温度低于450 ℃时也可以发生反应[6]，其中DOC+CDPF对THC和CO净化起主导作用[7]，比单独的DOC具有更好的减排效果，在不同的驾驶条件下性能更加稳定[8]；同时能明显降低燃用生物柴油的柴油机颗粒物排放和粒子数密度，NOx质量分数小幅下降[9-10]，燃用B5生物柴油/0#混合燃料时，DOC+CDPF对CO、HC和PM的转化效率都是先增加后减少[11]。只有DOC出口温度较高时，DPF主动再生才能及时[12]，加装DOC和POC的柴油机，燃用甲醇/柴油双燃料使得柴油机的非常规排放物较0#纯柴油多[13]。综上可知，DOC+CDPF能够有效地降低常规发动机燃用0#柴油、生物柴油和甲醇与柴油混合燃料的排放物，但对燃用F-T（Ficher-Tropsch合成）柴油的防爆柴油机上的排放性能的研究却很少，也没有对比分析后处理设备对分别燃用这两种不同燃料时的转化性能。

基于发动机台架试验平台，对防爆柴油机原机（加装了进气阻火器、排气阻火器和水洗箱）和在此基础上加装DOC+CDPF后处理设备两种情况进行试验研究，以此来分析DOC+CDPF耦合设备对燃用F-T柴油的防爆柴油机性能的影响，及对燃油0#柴油和F-T柴油时尾气的转化效率，为DOC+CDPF在燃用F-T柴油的防爆柴油机上的应用提供一定的试验基础。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

试验所用发动机为一台直列四缸、水冷、自然吸气、直接喷射、单次喷射柱塞式机械泵防爆柴油机，该机主要技术参数如表1所示。试验过程基于发动机试验室台架进行，台架系统布置如图1所示。试验所用测试设备主要有：ET2000发动机测控系统、DW320 型电涡流测功机、AVL DICom 4000五组份尾气排放分析仪、AVL DiSmoke 480不透光烟度分析仪。

表1 试验样机主要技术参数

图1 发动机测试系统

燃料F-T柴油和0#柴油的主要理化参数见表2。

表2 燃料理化指标

1.2 试验方案

根据GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》进行11工况点和负荷特性试验，11工况点是根据煤矿井下防爆柴油机实际运行环境，MT220-90《煤矿用防爆柴油机械排气中一氧化碳、氮氧化物检验规范》提出在11点工况下进行防爆柴油机排放性能的测定，具体检测工况见表3。负荷特性选取 1 400 r·min-1和 1 800 r·min-1，负荷分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100% 10个负荷点，主要测量发动机尾气排放参数。本试验所采用的后处理装置共有两种，分别是DOC和CDPF，具体参数见表4。

2 试验结果分析

2.1 排放特性对比

2.1.1 CO 排放

内燃机排气中的CO是烃燃料在燃烧过程中生成的中间产物，是燃油在气缸中不充分燃烧所致。柴油机的特征是燃油与空气混合不均匀，其燃烧总有局部缺氧和低温的地方，并且燃烧时间较短，导致不充分燃烧，从而生成CO。

表3 矿用防爆柴油机排气检测工况

表4 DOC与CDPF参数1)

图2为防爆柴油机原机与加装后处理设备DOC+CDPF的CO排放对比图。由图可知，原机燃用F-T柴油时，在中低负荷时CO的排放量很低，只有在全负荷时，由于氧浓度变低和喷油后期的供油量增加，反应时间短，使CO急剧增加，第4和第7工况点CO排放最恶劣。加装后处理设备DOC+CDPF后，防爆柴油机的CO排放明显降低，平均降低100%。

图2 CO排放对比

究其原因，DOC+CDPF耦合设备内部都有贵金属催化剂涂层，为CO的氧化提供可更好的条件，同时由于前端DOC发生化学反应，其反应是氧化反应放出热量，为CDPF中的CO氧化提供了高温环境。在满负荷4和7工况时，尽管CO排放恶劣，但随着负荷的逐渐升高，排气温度升高，后处理设备对CO的氧化效果也随着温度的升高而变好。所以，加装后处理设备DOC+CDPF耦合设备后对CO排放的改善效果明显。

2.1.2 NOx排放

内燃机排气中的NOx主要有NO和NO2，通常主要研究高温富氧条件下产生的热NO，也是尾气排放中NO的主要来源。

图3为防爆柴油机原机与加装后处理设备DOC+CDPF的NOx排放对比图。由图可以看出原机燃用F-T柴油和加后处理设备燃用F-T柴油NOx排放的变化趋势基本一样，一定转速下随着负荷的增加，NOx的排放量不同程度的都显著增加，加装后处理设备DOC+CDPF后，燃用F-T柴油的防爆柴油机的NOx排放平均降低8.5%，在7到11工况点，不降反增。

图3 NOx排放对比

究其原因，随着负荷的增加，排气背压和排气温度都升高，可燃混合气的空燃比减小，高温高压环境导致NOx排放量增加。加装后处理设备DOC+CDPF后，因为后处理设备进行了催化反应，在低速和中低负荷条件下，由于排气温度较低，氮氧化物为经过后处理设备后会发生如下反应：

但由于温度较低，反应不会很剧烈，所以NO排放会略微降低，在第4工况点，由于满负荷排气温度较高，NO排放降低较明显。在高速或中高负荷时，由于排气温度过高，氮氧化物经过后处理设备时会发生如下反应：

高温条件下，导致生成更多的NO，又加装后处理DOC+CDPF耦合设备后，在高速或中高负荷时，排气背压变大，排气温度也变大，由热NO的生成条件可知，NO生成量增加。

2.1.3 PM 排放

柴油机颗粒物（PM）主要由干碳烟（DS）、可溶性有机物（SOF）和硫酸盐3部分组成，其中SOF占35%～45%，产生于高温缺氧条件下的碳烟为PM的主要成分，碳烟主要是长碳链分子在特定环境下裂解形成。

图4为燃用F-T柴油的防爆柴油机原机与加装后处理设备DOC+CDPF的PM排放对比图。由图可以看出，两者的变化规律一致，并且随着负荷的增加，PM的排放量逐渐升高；加装后处理设备DOC+CDPF后，防爆柴油机的PM排放明显降低，不透光烟度平均降低81.5%，在第4和第7工况降低效果尤为明显。

图4 PM排放对比

究其原因，随着负荷的增加，空燃比和温度较高，创造了裂解和脱氢的有利条件，使碳烟排放增加。后处理设备DOC含有Pt、Pd、Rh贵金属氧化催化剂，可以催化氧化PM中的一些SOF，从而降低PM的排放量，而与PM中的DS并没有发生反应，后处理设备CDPF也含有贵金属氧化催化剂，用来降低被动再生温度，当尾气经过CDPF时，经过壁流式蜂窝陶瓷过滤体时，进行捕集，当温度达到 200℃时，开始被动再生，使用 DOC+CDPF耦合设备时，前边的DOC所发生的氧化反应放出大量的热，为CDPF提供了高温环境，更有利于净化PM排放。

2.2 DOC+CDPF系统对燃用0#柴油和F-T柴油防爆柴油机排放的影响

2.2.1 NOx排放

图5为加装后处理DOC+CDPF的防爆柴油机燃用0#柴油和F-T柴油时的NOx排放对比图，由图可知，在定转速下，随负荷的增大，燃用0#柴油和燃用F-T柴油的NOx排放变化趋势一致，都呈现先快速升高，中等负荷时缓慢升高，高负荷时再快速升高，但在 1 800 r·min-1@80% 负荷时，NOx排放突然开始降低。在 1 400 r·min-1负荷特性下，在低于70%负荷燃用F-T柴油时NOx排放低于燃用0#柴油，在高于70%负荷时，NOx高于燃用0#柴油时。在 1 800 r·min-1负荷特性下，燃用 F-T柴油时NOx排放全负荷工况下都低于燃用0#柴油时。

图5 NOx排放对比

图6为加装后处理DOC+CDPF的防爆柴油机燃用0#柴油和F-T柴油时的NOx降低百分比对比图，由图可知，在 1 400 r·min-1负荷特性下，燃用0#柴油和F-T柴油时都会出现负降低率的情况，其中燃用F-T柴油时，负降低率的情况更加明显；在1 800 r·min-1负荷特性下，燃用 0#柴油和 F-T 柴油时也都会出现负降低率的情况，但只出现在高等负荷时，整体燃用0#柴油时的降低率偏高。

2.2.2 PM 排放

图6 NOx降低百分比对比

图7为加装后处理DOC+CDPF的防爆柴油机燃用0#柴油和F-T柴油时的PM排放对比图，由图可知，在 1 400 r·min-1负荷特性下，燃用 0#柴油和F-T柴油时防爆柴油机的PM排放量都随负荷的增大而呈现先降低后升高再降低的变化规律，加后处理设备后，燃用F-T柴油时PM排放比燃用0#柴油时整体都偏高，但总排放量依然处于很低的水平。在 1 800 r·min-1负荷特性下，加装后处理设备后燃用0#柴油和F-T柴油时PM排放量随负荷的增大呈现基本相同的规律。

图7 PM排放对比

图8为加装后处理DOC+CDPF的防爆柴油机燃用0#柴油和F-T柴油时的PM降低百分比对比图，由图可知，在 1 400 r·min-1和 1 800 r·min-1负荷特性下，燃用0#柴油和F-T柴油时PM的降低率都为正的，整体上燃用0#柴油时比燃用F-T柴油时的降低率高，随着负荷的增大，后处理的转化效率基本呈现相同的变化规律。尽管DOC+CDPF更适合降低燃用0#柴油时的PM排放，但由于F-T柴油自身的特性使得PM排放本身较低，通过后处理后进而更低，完全符合防爆柴油机的使用标准。