DOC+CDPF對生物柴油燃燒顆粒排放特性的影響

譚丕強，張曉鋒，胡志遠，樓狄明 （同濟大學汽車學院，上海 201804）

DOC+CDPF對生物柴油燃燒顆粒排放特性的影響

譚丕強*，張曉鋒，胡志遠，樓狄明 （同濟大學汽車學院，上海 201804）

以一臺滿足國五排放法規的車用柴油機為樣機，研究加裝氧化催化轉化器DOC與催化型顆粒捕集器CDPF（DOC+CDPF后處理裝置）前后，柴油機燃用B20燃料（燃料含20%體積摻混比的生物柴油）的顆粒排放特性.結果表明，在未加裝該后處理裝置時，該機排氣顆粒數量濃度的粒徑分布呈雙峰形態，B20燃料的排氣顆粒數量濃度的峰值粒徑在10nm和50nm附近，純柴油的排氣顆粒數量濃度的峰值粒徑在50nm和200nm附近.在顆粒粒徑小于120nm的區域，該機燃用B20燃料的排氣顆粒數量濃度大于純柴油.加裝該后處理裝置后，該機排氣顆粒數量濃度的粒徑分布呈多峰形態，峰值粒徑在10nm、20nm和60nm附近.加裝DOC+CDPF后，不論是柴油還是B20燃料，與原機相比，柴油機排氣顆?？倲盗肯陆得黠@，其中60～200nm粒徑范圍的顆粒數量濃度降幅更為顯著.在相同工況下，DOC+CDPF對柴油機燃用B20燃料的顆?？倲盗績艋矢哂诩儾裼?

柴油機；生物柴油；顆粒；氧化催化轉化器；催化型顆粒捕集器

生物柴油是一種由植物油、動物脂肪等通過酯化反應而得到的柴油機代用燃料，主要成分是脂肪酸甲酯或乙酯.一般來說，生物柴油原料包括廢棄油脂、大豆、油菜籽和麻瘋樹等，由于原料可再生，生物柴油能減少對化石能源的依賴［1-4］，對其相關的應用研究意義重大.柴油機顆粒排放是大氣環境污染的重要來源之一.研究表明，柴油機燃用生物柴油通常能降低顆粒PM質量、煙度的排放水平［5-8］，但是，燃用生物柴油往往會導致柴油機較小粒徑的顆粒數量排放增加，這些顆粒由于粒徑較小，更容易進入人體的內部，危害較大，需要對其進行控制［9-11］.

對于顆粒排放，僅靠柴油機的機內技術，無法滿足未來日益嚴格的顆粒排放特別是顆粒數量法規.柴油機采用排氣后處理凈化技術，是未來重要的發展趨勢.在諸多排氣后處理技術措施中，氧化催化轉化器（DOC）和催化型顆粒捕集器（CDPF）組合（以下簡稱DOC+CDPF）是常見的顆粒排氣后處理技術路線［12-13］.DOC是在蜂窩陶瓷載體或金屬蜂窩載體上涂覆貴金屬催化劑（Pt、Pd等），降低柴油機排氣中HC、CO和PM中可溶性有機物（SOF）的化學反應活化能，使這些物質能與排氣中的氧氣在較低的溫度下進行氧化反應，轉化為二氧化碳和水［14-15］.CDPF是公認的凈化柴油機顆粒排放最為有效的方法之一.由于在DPF載體內部表面涂覆貴金屬催化劑（Pt、Pb等），可以有效降低顆粒起燃溫度，在柴油機正常工作時250～500℃排氣溫度范圍內，就可以實現DPF的催化再生［16-17］.將DOC+CDPF結合起來使用，不僅可以保證CDPF連續可靠的工作，降低PM排放，還能有效降低HC和CO等［18-19］.

因此，針對柴油機燃用生物柴油往往會導致排氣核態顆粒數量增加，DOC+CDPF后處理技術是備選的重要手段.但是，其顆粒數量及粒徑分布特性的變化規律尚不清楚.為此，本文使用EEPS-3090型柴油機廢氣排放顆粒粒徑譜儀，在一臺滿足國五排放標準的電控高壓共軌重型柴油機上，研究了加裝DOC+CDPF前后，柴油機分別燃用滬五柴油（類似于歐五柴油）、生物柴油混合燃料時的顆粒數量及粒徑分布規律.

1 材料與方法

1.1 試驗樣機

本文使用的是一臺滿足國五排放標準的電控高壓共軌重型柴油機，其主要技術參數如表1所示.

表1 樣機的主要技術參數Table 1 Main specifications of the engine

1.2 試驗燃料

本文使用的燃料為滬五柴油（類似于歐五柴油）、B20燃料（20%體積比的廢棄油脂制生物柴油和80%體積比的滬五柴油摻混而成），這2類燃料的主要理化特性如表2所示.

表2 試驗燃料的主要理化特性Table 2 Fuel physicochemical properties

1.3 后處理裝置

本文采用的后處理裝置是DOC+CDPF，主要技術參數如表3所示.

表3 DOC+CDPF的主要技術參數Table 3 Main specifications of DOC+CDPF

1.4 試驗儀器

柴油機臺架測控系統由AVL-PUMA全自動試驗控制臺、AVL電力測功機以及臺架輔助設備構成.該系統為電力測功機與柴油機直接耦合，可根據需要設定柴油機不同的轉速和轉矩，使柴油機在所需要的工況下運轉，并實時記錄相關數據參數.

顆粒測試采用美國TSI公司的EEPS-3090型柴油機廢氣排放顆粒粒徑譜儀，該儀器檢測粒徑范圍為5.6～550nm.最高測試頻率為10Hz，在0.1s內可獲得一個完整的顆粒粒徑分布圖譜，并同步輸出32個粒徑通道的顆粒數量濃度.配有TSI MD19旋轉盤稀釋器，排氣采樣稀釋比為250倍.

1.5 試驗方案

試驗柴油機分別燃用純柴油和B20燃料，在未加裝后處理裝置的原機、加裝DOC+CDPF裝置的狀態下進行顆粒排放試驗. 試驗工況包括外特性工況和負荷特性工況：（1）外特性工況為800～2200r/min，每隔200r/min一個工況點，共有8個工況點.（2）負荷特性工況為最大轉矩轉速1400r/min、標定轉速2200r/min，負荷點分別為10%、25%、50%、75%、100%，共計10個工況點.在上述試驗工況下，測試并分析柴油機動力性、經濟性、排氣顆粒數量濃度及其粒徑分布特性.

2 結果與討論

2.1 動力性

由圖1可見，由于B20燃料的低熱值低于柴油，因此，與柴油相比，燃用B20燃料時，柴油機的功率和轉矩有所下降.在加裝DOC+CDPF后，柴油機的功率、轉矩均低于原機.

圖1 柴油機動力性Fig.1 Power performance of the diesel engine

2.2 經濟性

由圖2可見，由于B20燃料低熱值低于柴油，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%.負荷特性的油耗，1400r/min時平均上升2.1%，2200r/min時平均上升2.9%.

加裝DOC+CDPF后，無論是純柴油還是B20燃料，油耗均上升約2%，是因為加裝該裝置后導致排氣背壓增大，燃燒室殘余廢氣增多，泵氣損失變大，缸內燃燒惡化，燃燒熱效率降低.

2.3 顆粒數量濃度及粒徑分布

圖2 柴油機經濟性Fig.2 Fuel consumption of the diesel engine

圖3 不同負荷顆粒數量濃度的粒徑分布，1400r/minFig.3 Particulate number and size distribution characteristics at different loads， 1400r/min

由圖3可見，柴油機負荷比為10%、25%、50%、75%，未加裝后處理裝置時，柴油機燃用B20燃料的排氣顆粒數量濃度隨粒徑變化呈雙峰分布形態.對于該柴油機而言，以30nm為界限，可以將排氣顆粒分為核態和聚集態兩類顆粒，核態顆粒數量峰值在粒徑10nm附近，這些核態顆粒主要由含硫化合物、碳氫化合物等可溶有機組分形成.聚集態顆粒數量峰值在粒徑50nm附近，這些聚集態顆粒主要由一次碳煙顆粒聚集成團并吸附含硫化合物、碳氫化合物等可溶有機組分形成.燃用純柴油的排氣顆粒數量濃度隨粒徑變化也呈雙峰分布形態，但其核態顆粒無明顯峰值，而聚集態顆粒區域則出現兩個峰值，分別在50nm和200nm附近.

值得注意的是，柴油和B20這2類燃料的顆粒數量分布曲線，在粒徑120nm附近形成交叉.在顆粒粒徑大于120nm的區域，燃用B20燃料的排氣顆粒數量濃度明顯小于純柴油，這部分顆粒通常為聚集態顆粒，生物柴油分子內氧有利于局部過濃混合區域的擴散燃燒過程，并會促進已形成碳煙顆粒的氧化過程，從而減少了以碳煙顆粒為主體的聚集態顆粒數量.此外，生物柴油不含芳香烴，也會降低碳煙顆粒前體物的形成，這些也會導致聚集態顆粒數量的減少.而在顆粒粒徑小于120nm時，柴油機燃用B20燃料的排氣顆粒數量濃度大于純柴油，這是由于生物柴油粘度較高，燃料較高的粘度影響缸內霧化混合及燃燒過程，導致缸內未燃或者未完全燃燒的烴類燃料即未燃碳氫增加，從而導致以可溶有機組分為主要成分的核態顆粒數量上升，這部分顆粒粒徑通常較小.此外，聚集態顆粒數量減少后，其對揮發及半揮發性可溶有機組分的吸附能力減弱，導致顆粒成核作用增強，也會促使核態顆粒數量上升.

由圖3e可見，柴油機負荷為100%，在未加裝后處理裝置時，燃用B20燃料和純柴油排氣顆粒數量濃度的粒徑分布均呈單峰形態，峰值粒徑50nm附近，且燃用B20燃料的顆粒數量濃度小于純柴油.

由圖3可見，燃用B20燃料時，在加裝DOC+CDPF后處理裝置后，柴油機排氣顆粒數量濃度的粒徑分布呈多峰形態，峰值粒徑在10nm、20nm和60nm附近；10～60nm粒徑區間的顆粒數量濃度降低了1～2個數量級； 粒徑60nm以上區間的排氣顆粒多為聚集態顆粒，特別是60～200nm粒徑區間的顆粒數量濃度降幅大都超過3個數量級，凈化效率相對較高.

柴油機燃用B20燃料時，粒徑區間在7～9nm的核態顆粒主要為可溶有機組分和含硫化合物，加裝DOC+CDPF后，其對可溶有機組分的凈化效果明顯，因此，其對該區間的顆粒數量具有一定的凈化作用.而燃用柴油時，對于粒徑區間在7～9nm的顆粒而言，顆粒數量濃度反而有增多的趨勢，這主要是由于在經過后處理裝置后，聚集態顆粒數量大幅降低，其對揮發及半揮發性可溶有機組分的吸附能力減弱，導致這部分有機組分的顆粒成核作用增強，從而導致該粒徑區間核態顆粒數量的上升.

由圖3還可以看出，加裝DOC+CDPF后，柴油機燃用柴油的排氣顆粒數量濃度的粒徑分布與B20燃料類似.在10%低負荷時，純柴油與B20燃料的排氣顆粒數量濃度在粒徑小于60nm區間內差異較小，在粒徑大于60nm區間內，B20燃料的排氣顆粒數量濃度明顯小于純柴油.在25%和50%的中等負荷時，在粒徑10nm至60nm、大于100nm區間內，B20燃料的排氣顆粒數量濃度明顯大于純柴油；在75%和100%的高負荷時，B20燃料的排氣顆粒數量濃度在粒徑10nm附近小于純柴油，在其他粒徑范圍內，兩者差異較小.

2.4 排氣顆?？倲盗?/p>

排氣顆?？倲盗渴歉鶕D3中各不同粒徑分布下的排氣顆粒數量積分所得，結果如圖4所示.由圖4可見，在無后處理裝置時：（1）相同轉速下，不論是柴油還是B20燃料，隨負荷增大，柴油機排氣顆粒總數量均增加；（2）相同轉速相同負荷下，絕大數工況下柴油機燃用B20燃料的排氣顆?？倲盗看笥诩儾裼?

由圖4可見，加裝DOC+CDPF后：不論是柴油還是B20燃料，與原機相比，大多數工況下，柴油機排氣顆?？倲盗肯陆得黠@.柴油機燃用B20燃料，1400r/min時，DOC+CDPF的顆粒凈化效率的平均值為94.5%；2200r/min時該平均值為98.8%.柴油機燃用純柴油1400r/min時，DOC+ CDPF的顆粒凈化效率的平均值為92.0%；2200r/min時該平均值為97.5%.可以看出，在相同工況下，DOC+CDPF對柴油機燃用B20燃料的顆?？倲盗康膬艋矢哂诩儾裼?從加裝DOC+CDPF后的柴油機排氣顆?？倲盗縼砜?，1400r/min時的中等負荷下，燃用B20燃料的顆?？倲盗恳愿哂诓裼?，而2200r/min時在多數負荷下，B20燃料的顆?？倲盗恳陀诓裼?表明了燃料特性、運行工況、顆粒后處理技術對柴油機排氣顆粒數量的綜合影響.

圖4 排氣顆?？倲盗考癉OC+CDPF對顆粒總數量的凈化效率Fig.4 Total particulate number and the particulate purification efficiency of DOC+CDPF

3 結論

3.1 在未加裝該DOC+CDPF后處理裝置時，該柴油機排氣顆粒數量濃度的粒徑分布呈雙峰形態，B20燃料的排氣顆粒峰值粒徑在10nm和50nm附近，純柴油的排氣顆粒峰值粒徑在50nm和200nm附近.

3.2 在未加裝該DOC+CDPF后處理裝置時，在顆粒粒徑小于120nm的區域，該機燃用B20燃料的排氣顆粒數量濃度大于純柴油.

3.3 加裝該DOC+CDPF后處理裝置后，該機燃用B20燃料排氣顆粒數量濃度的粒徑分布呈多峰形態，峰值粒徑在10nm、20nm和60nm附近.燃用純柴油排氣顆粒數量濃度的粒徑分布形態與B20燃料類似.

3.4 加裝DOC+CDPF后，不論是柴油還是B20燃料，與原機相比，柴油機排氣顆粒總數量下降明顯，其中60～200nm粒徑范圍的顆粒數量濃度降幅更為顯著.

3.5 未加裝該后處理裝置時，相同轉速相同負荷下，絕大數工況下柴油機燃用B20燃料的排氣顆?？倲盗看笥诩儾裼?

3.6 DOC+CDPF對柴油機燃用B20燃料的顆?？倲盗績艋矢哂诩儾裼?

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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

譚丕強（1974-），男，山東臨沂人，教授，博士，主要從事汽車排放控制和清潔燃料研究.發表論文170余篇.

2015-02-12

國家自然科學基金（50906062）；國家“863”計劃（2012AA111717）

* 責任作者， 教授， tpq2000@163.com