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DOC+CDPF 对生物柴油燃烧颗粒排放特性的影响
2019-04-09 14:10:56 来源：
摘要：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.
关键词：柴油机；生物柴油；颗粒；氧化催化转化器；催化型颗粒捕集器
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.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.CDPF 是公认的 净化柴油机颗粒排放*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.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.
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.
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.
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.
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.*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*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.
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
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.
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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