連續再生顆粒捕集器對生物柴油發動機顆粒及NOx排放的影響

方奕棟，樓狄明，胡志遠，譚丕強

（同濟大學汽車學院，上海201804）

連續再生顆粒捕集器對生物柴油發動機顆粒及NOx排放的影響

方奕棟，樓狄明，胡志遠，譚丕強

（同濟大學汽車學院，上海201804）

以某型高壓共軌柴油機為試驗對象，研究試驗樣機燃用BD20混合燃料時，連續再生顆粒捕集器（CRPF）對顆粒及氮氧化物排放的影響.結果表明，試驗樣機連接CRPF后，顆粒排放因子下降81.9％；試驗樣機運行在高轉速高負荷區域時，CRPF對粒子數密度的降低效果較明顯，對聚集態顆粒的降低作用優于核態顆粒；試驗樣機多環芳烴（PAHs）排放質量減少91.5％，在檢測到的20種PAHs中，有18種組分排放質量減少.連接CRPF后，試驗樣機排放的NOx質量分數小幅下降.

連續再生顆粒捕集器（CRPF）；生物柴油；顆粒排放；氮氧化物排放

柴油機作為傳統燃油動力的重要組成，在動力性、經濟性方面具有明顯的優勢，因此各類輕、重型車輛上得到了廣泛的應用.近年來，柴油機顆粒及氮氧化物（NOx）排放備受關注[1-5]，已經成為制約柴油機技術發展的主要因素.

針對上述問題，各種清潔替代燃料的研究逐漸深入.生物柴油作為一種可再生能源，具有十六烷值較高、含氧量高以及含硫量低等優點[6-11]，逐漸成為替代燃料領域的研究熱點.另一方面，針對柴油機后處理技術的研究逐漸深入，其中顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）[12-15]是目前被公認為降低柴油機顆粒排放的有效手段.在DPF上游串聯柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC），組成連續再生顆粒捕集器（continuous regeneration partic-ulate filter，CRPF），可以在200～300℃的排氣溫度下實現DPF再生，從而提升DPF的顆粒捕集效率.目前，國內外對于CRPF的研究主要集中在柴油機顆粒物的后處理方面[16-17]，對CRPF在生物柴油發動機后處理上的應用鮮有研究.

為了研究CRPF對生物柴油發動機尾氣排放的凈化效果，本文以某型高壓共軌柴油機為研究對象，采用臺架試驗手段，對生物柴油發動機連接CRPF后的顆粒及氮氧化物排放特性進行研究，為生物柴油發動機的顆粒及氮氧化物排放協同控制提供依據.

1 試驗系統介紹

試驗臺架如圖1所示，包括試驗樣機、顆粒及氣態污染物分析系統以及數據采集系統.

圖1 發動機臺架試驗系統示意圖Fig.1 Schematic of engine bench system

1.1 試驗樣機及燃料

試驗樣機為某型高壓共軌重型柴油機，技術參數如表1所示.

表1 試驗樣機技術參數Tab.1 Technical parameters of SC9DF diesel engine

試驗所用的燃料為質量分數為80％的純柴油與質量分數為20％的生物柴油摻混得到的混合燃料，記為BD20，理化性質如表2所示.

表2 BD20混合燃料理化性質Tab.2 Properties of BD20 fuel

1.2 后處理系統

后處理系統為CRPF連續再生顆粒捕集器，由DOC與DPF串聯組成，如表3所示為DOC與DPF技術參數.

表3 后處理系統技術參數Tab.3 Technical parameters of after-treatment system

1.3 測試儀器及試驗方法

發動機臺架控制系統由AVL-PUMA全自動試驗控制臺、AVL-ATA 404電力測功機及臺架輔助設備組成，試驗方案為歐洲ESC十三工況測試循環（見表4）及外特性、負荷特性穩定工況.表4中，N為轉速，L為負荷比，t為運行時間.

采用美國TSI公司的3090型發動機廢氣排放顆粒粒徑譜儀EEPS，對最大轉矩轉速為1 400r/min和標定轉速為2200r/min的穩態工況時的顆粒數量進行采集及分析.該儀器可以對粒徑為5～560nm的顆粒物粒子數密度進行測試，并同步輸出32個粒徑通道的測試結果.此外，采用AVL AMA i60氣體排放分析儀對穩定工況下的試驗樣機NOx排放進行測試.

表4 ESC十三工況測試循環Tab.4 ESC test cycle

采用AVL-SPC472部分流顆粒采樣系統，在ESC測試循環下對顆粒物中多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）進行采樣，測試循環結束后用Sartorius CP2P-F精密電子天平對顆粒樣品稱重，并采用美國Finnigan公司的Voyager氣相色譜-質譜聯用儀及NIST標準質譜庫對多環芳烴成分進行分析.

2 試驗結果分析

2.1 顆粒排放特性

2.1.1 顆粒質量 如表5所示為試驗樣機燃用BD20混合燃料時，ESC測試循環下原機與連接CRPF后的顆粒排放因子.

試驗樣機燃用BD20后，顆粒排放因子為0.013 8 g/（k W·h），已經滿足歐V-ESC測試循環法規要求（小于0.02 g/（k W·h）），然而與歐VI法規要求（小于0.01 g/（k W·h））尚存在差距.當發動機連接CRPF后，顆粒排放因子下降至0.002 5 g/（k W·h），與不采用后處理裝置時相比，降幅達81.9％，這表明CRPF對生物柴油發動機的顆粒排放因子具有顯著的降低作用，且在ESC測試循環下，試驗樣機顆粒排放因子已可以滿足歐VI法規要求.2.1.2 粒子數密度 如圖2所示為試驗樣機按外特性運行時，在最大轉矩轉速1 400r/min及標定轉速2200r/min下，CRPF對排氣顆粒數量的影響.圖中，n為粒子數密度，原機表示試驗樣機未連接CRPF.

從圖2可以看出，外特性下，當試驗樣機轉速為1 400及2200r/min時，n均呈現核態（粒徑Dp＜50nm）及聚集態（50nm＜Dp＜1000nm）的雙峰分布，n峰值量級為107～108，且聚集態粒子數密度峰值高于核態粒子數密度峰值.當試驗樣機連接CRPF 后，粒子數密度呈現多峰分布，在8、20、100nm附近出現多個峰值，這表明CRPF對不同粒徑顆粒的捕集效果不同.大部分粒徑下，粒子數密度低于原機，n峰值降至106～107.

如圖3所示為試驗樣機原機按負荷特性運行時，在最大轉矩轉速1 400r/min及標定轉速2200r/min下，原機及連接CRPF后總顆粒、核態顆粒（Dp＜50nm）及聚集態顆粒（50nm＜Dp＜1000nm）粒子數密度的對比.

圖2 試驗樣機排氣顆粒數量粒徑分布Fig.2 Number concentration distribution of PM emitted

從圖3（a）、（b）可以看出，當試驗樣機運行在1 400r/min轉速時，原機總粒子數密度隨負荷上升呈現先降低、后升高的趨勢，粒子數密度峰值的數量級為107～108.當轉速升高至2200r/min時，粒子數密度峰值的數量級上升至108～109.當試驗樣機連接CRPF后，各負荷下粒子數密度有所下降：當轉速為1 400r/min時，不同負荷下采用CRPF可以使總粒子數密度分別下降67.9％、54.6％、68％、71.4％、91.5％；當轉速為2200r/min時，粒子數密度降幅分別為86.9％、91.6％、94.9％、96.0％、98.6％.可以看出，當試驗樣機運行在高轉速高負荷區域時，CRPF對顆粒的捕集效果較好；當試驗樣機運行在低轉速中低負荷區域時，CRPF的捕集效率不理想.這是由于在高轉速高負荷下，發動機的排氣溫度較高，有利于DPF再生，從而提升捕集效率.

圖3 試驗樣機排氣粒子數密度及CRPF捕集效率Fig.3 Number density of emitted particles and trapping efficiency of CRPF

由圖3（c）～（f）可以看出，CRPF對聚集態顆粒的捕集效果優于核態顆粒：當轉速為1 400r/min 時，采用CRPF可以使核態粒子數密度平均下降62.04％，而聚集態粒子數密度平均下降83.92％；當轉速為2200r/min時，采用CRPF可以使核態粒子數密度平均下降91.95％，而聚集態粒子數密度的平均降幅為96.4％.造成該現象的原因如下：核態顆粒組分主要為可溶有機成分（soluble organic fractions，SOF）及硫酸鹽；聚集態顆粒由碳顆粒聚團并吸附硫化物及碳氫化合物等半揮發性物質形成.在試驗樣機連接CRPF后，在DOC作用下，聚集態顆粒表面吸附的半揮發性物質被氧化，促使粒徑分布向小粒徑方向發展；另一方面，CRPF連續再生過程中產生的NO2具有極強的氧化性，導致排氣中的SO2氧化并形成SO3，使得硫酸鹽顆粒數量增多.

2.1.3 多環芳烴排放 在柴油機排氣顆粒中，多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）被認為有很強的致癌作用，對人體危害很大，因此在分析顆粒質量、顆粒數量的基礎上，進一步對PAHs排放進行分析.

在試驗過程中，排氣顆粒中總共檢測到20種PAHs成分，分別為：危烯（Acpy）、危（Acp）、芴（Flu）、菲（Phe）、蒽（Ant）、熒蒽（Flua）、芘（Pyr）、苯并[g，h，i]熒蒽（BghiF）、苯[cd]芘（BcdP）、苯并[a]蒽（BaA）、（Chr）、苯并[b]熒蒽（BbF）、苯并[k]熒蒽（BkF）、苯并[e]芘（BeP）、苯并[a]芘（BaP）、苝（Perylene）、蒽并蒽（Anthanthracene）、茚并[1，2，3-cd]芘（IND）、苯并[g，h，i]苝（BghiP）、二苯并[a，h]蒽（DBA）.

如表5所示為試驗樣機按ESC測試循環運行時，原機及連接CRPF后，上述20種PAHs排放質量m的對比情況.

從表5可以看出，在試驗樣機連接CRPF后，PAHs排放質量出現了明顯下降：原機PAHs排放質量為940 ng，連接CRPF后PAHs排放質量下降至79.4 ng，降幅達91.5％；在20種PAHs組分中，除苯并[a]蒽及排放質量略有上升外，其余18種均降低.可以看出，CRPF對排氣顆粒中的PAHs成分具有顯著的凈化效果.

表5 不同條件下PAHs排放質量Tab.5 Mass of PAHs emitted under different conditions

2.2 NOx排放特性

如圖4所示為不同工況下，試驗樣機原機與連接CRPF后NOx排放質量分數的對比.可以看出，試驗樣機連接CRPF后，NOx排放降低：外特性下，連接CRPF后NOx平均降幅為16.69％；1 400及2200r/min負荷特性下，NOx平均降幅分別為15.93％、14.69％.從試驗結果可以看出，CRPF對試驗樣機NOx排放有一定的凈化作用，然而作用效果不明顯.這是由于柴油機NOx的主要成分為NO，當排氣流經DOC時，DOC會將部分NO氧化成NO2，而NO2經過DPF再生過程后轉化為N2排出.在DOC氧化反應中，柴油機氣態排放物CO、THC及NO在催化劑活性位上存在競爭吸附關系，而NO的氧化動力極低[18-19]，NO發生氧化反應的前提是排氣中CO、THC被氧化至極低水平，而DPF對NO幾乎沒有凈化作用，這使得在NOx排放中僅有少部分NO參與氧化反應，導致NOx降幅不明顯.

圖4 試驗樣機NOx排放對比Fig.4 Comparison on NOxemission of test engine

3 結 論

（1）當試驗樣機燃用BD20時，連接CRPF可以使ESC測試循環下顆粒排放因子下降81.9％，試驗樣機顆粒排放因子可以滿足歐VI法規.

（2）試驗樣機連接CRPF后，穩態工況下排氣粒子數密度下降.CRPF對顆粒的捕集效率與試驗樣機運行工況有關：在高轉速高負荷下，CRPF捕集效率較高；在中等轉速、中低負荷下，CRPF捕集效率不理想.此外，CRPF對聚集態顆粒的捕集效果優于核態顆粒.

（3）與原機相比，CRPF可以降低顆粒中PAHs的質量，降幅達91.5％.除四環苯并[a]蒽外，其余PAHs組分的排放質量均低于原機.

（4）CRPF對試驗樣機NOx的排放作用有限：與原機相比，連接CRPF后，樣機NOx排放下降，但降幅較小.

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Effects of continuously regenerating particulate filter on PM and NOxemission from bio-diesel engine

FANG Yi-dong，LOU Di-ming，HU Zhi-yuan，TAN Pi-qiang

（School of Automobile，Tongji University，Shanghai201804，China）

A high-pressure common rail diesel engine was taken as test subject，and the characteristics of PM and NOxemission were analyzed when the engine was fueled with BD20.Results showed that the mass of particle emitted was lowered by 81.9％when continuous regeneration particulate filter（CRPF）was adopted.CRPF had a better performance on the decrease of particle number density when the engine worked at high speed and load.The total mass of polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs）emitted was lowered by 91.5％，and18 of total20 PAHs compositions examined decreased in mass.A slight decrease of NOxemission mass concentration was observed during the experiment.

continuously regenerating particulate filter（CRPF）；bio-diesel；particle emission；NOxemission

TK 421

A

1008-973X（2015）10-1836-06

2014-09-21.浙江大學學報（工學版）網址：www.journals.zju.edu.cn/eng

國家“863”高技術研究發展計劃資助項目（2012AA111720）.

方奕棟（1986—），男，博士后，從事柴油機后處理技術的研究.ORCID：0000-0002-2555-9252.

E-mail：fangyidong8688@163.com

樓狄明，男，教授.ORCID：0000-0003-4257-0709.E-mail：loudiming@tongji.edu.cn