連續(xù)再生顆粒捕集器對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒及NOx排放的影響

方奕棟，樓狄明，胡志遠(yuǎn)，譚丕強(qiáng)

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

連續(xù)再生顆粒捕集器對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒及NOx排放的影響

方奕棟，樓狄明，胡志遠(yuǎn)，譚丕強(qiáng)

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

以某型高壓共軌柴油機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，研究試驗(yàn)樣機(jī)燃用BD20混合燃料時(shí)，連續(xù)再生顆粒捕集器（CRPF）對(duì)顆粒及氮氧化物排放的影響.結(jié)果表明，試驗(yàn)樣機(jī)連接CRPF后，顆粒排放因子下降81.9％；試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷區(qū)域時(shí)，CRPF對(duì)粒子數(shù)密度的降低效果較明顯，對(duì)聚集態(tài)顆粒的降低作用優(yōu)于核態(tài)顆粒；試驗(yàn)樣機(jī)多環(huán)芳烴（PAHs）排放質(zhì)量減少91.5％，在檢測(cè)到的20種PAHs中，有18種組分排放質(zhì)量減少.連接CRPF后，試驗(yàn)樣機(jī)排放的NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)小幅下降.

連續(xù)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(jī)作為傳統(tǒng)燃油動(dòng)力的重要組成，在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此各類輕、重型車輛上得到了廣泛的應(yīng)用.近年來，柴油機(jī)顆粒及氮氧化物（NOx）排放備受關(guān)注[1-5]，已經(jīng)成為制約柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要因素.

針對(duì)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(yōu)點(diǎn)[6-11]，逐漸成為替代燃料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).另一方面，針對(duì)柴油機(jī)后處理技術(shù)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(rèn)為降低柴油機(jī)顆粒排放的有效手段.在DPF上游串聯(lián)柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC），組成連續(xù)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(shí)現(xiàn)DPF再生，從而提升DPF的顆粒捕集效率.目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于CRPF的研究主要集中在柴油機(jī)顆粒物的后處理方面[16-17]，對(duì)CRPF在生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理上的應(yīng)用鮮有研究.

為了研究CRPF對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的凈化效果，本文以某型高壓共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象，采用臺(tái)架試驗(yàn)手段，對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連接CRPF后的顆粒及氮氧化物排放特性進(jìn)行研究，為生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒及氮氧化物排放協(xié)同控制提供依據(jù).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示，包括試驗(yàn)樣機(jī)、顆粒及氣態(tài)污染物分析系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of engine bench system

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)及燃料

試驗(yàn)樣機(jī)為某型高壓共軌重型柴油機(jī)，技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of SC9DF diesel engine

試驗(yàn)所用的燃料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80％的純柴油與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的生物柴油摻混得到的混合燃料，記為BD20，理化性質(zhì)如表2所示.

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

1.2 后處理系統(tǒng)

后處理系統(tǒng)為CRPF連續(xù)再生顆粒捕集器，由DOC與DPF串聯(lián)組成，如表3所示為DOC與DPF技術(shù)參數(shù).

表3 后處理系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Tab.3 Technical parameters of after-treatment system

1.3 測(cè)試儀器及試驗(yàn)方法

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制系統(tǒng)由AVL-PUMA全自動(dòng)試驗(yàn)控制臺(tái)、AVL-ATA 404電力測(cè)功機(jī)及臺(tái)架輔助設(shè)備組成，試驗(yàn)方案為歐洲ESC十三工況測(cè)試循環(huán)（見表4）及外特性、負(fù)荷特性穩(wěn)定工況.表4中，N為轉(zhuǎn)速，L為負(fù)荷比，t為運(yùn)行時(shí)間.

采用美國(guó)TSI公司的3090型發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放顆粒粒徑譜儀EEPS，對(duì)最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速為1 400r/min和標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2200r/min的穩(wěn)態(tài)工況時(shí)的顆粒數(shù)量進(jìn)行采集及分析.該儀器可以對(duì)粒徑為5～560nm的顆粒物粒子數(shù)密度進(jìn)行測(cè)試，并同步輸出32個(gè)粒徑通道的測(cè)試結(jié)果.此外，采用AVL AMA i60氣體排放分析儀對(duì)穩(wěn)定工況下的試驗(yàn)樣機(jī)NOx排放進(jìn)行測(cè)試.

表4 ESC十三工況測(cè)試循環(huán)Tab.4 ESC test cycle

采用AVL-SPC472部分流顆粒采樣系統(tǒng)，在ESC測(cè)試循環(huán)下對(duì)顆粒物中多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）進(jìn)行采樣，測(cè)試循環(huán)結(jié)束后用Sartorius CP2P-F精密電子天平對(duì)顆粒樣品稱重，并采用美國(guó)Finnigan公司的Voyager氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀及NIST標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)對(duì)多環(huán)芳烴成分進(jìn)行分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 顆粒排放特性

2.1.1 顆粒質(zhì)量 如表5所示為試驗(yàn)樣機(jī)燃用BD20混合燃料時(shí)，ESC測(cè)試循環(huán)下原機(jī)與連接CRPF后的顆粒排放因子.

試驗(yàn)樣機(jī)燃用BD20后，顆粒排放因子為0.013 8 g/（k W·h），已經(jīng)滿足歐V-ESC測(cè)試循環(huán)法規(guī)要求（小于0.02 g/（k W·h）），然而與歐VI法規(guī)要求（小于0.01 g/（k W·h））尚存在差距.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)相比，降幅達(dá)81.9％，這表明CRPF對(duì)生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放因子具有顯著的降低作用，且在ESC測(cè)試循環(huán)下，試驗(yàn)樣機(jī)顆粒排放因子已可以滿足歐VI法規(guī)要求.2.1.2 粒子數(shù)密度 如圖2所示為試驗(yàn)樣機(jī)按外特性運(yùn)行時(shí)，在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 400r/min及標(biāo)定轉(zhuǎn)速2200r/min下，CRPF對(duì)排氣顆粒數(shù)量的影響.圖中，n為粒子數(shù)密度，原機(jī)表示試驗(yàn)樣機(jī)未連接CRPF.

從圖2可以看出，外特性下，當(dāng)試驗(yàn)樣機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400及2200r/min時(shí)，n均呈現(xiàn)核態(tài)（粒徑Dp＜50nm）及聚集態(tài)（50nm＜Dp＜1000nm）的雙峰分布，n峰值量級(jí)為107～108，且聚集態(tài)粒子數(shù)密度峰值高于核態(tài)粒子數(shù)密度峰值.當(dāng)試驗(yàn)樣機(jī)連接CRPF 后，粒子數(shù)密度呈現(xiàn)多峰分布，在8、20、100nm附近出現(xiàn)多個(gè)峰值，這表明CRPF對(duì)不同粒徑顆粒的捕集效果不同.大部分粒徑下，粒子數(shù)密度低于原機(jī)，n峰值降至106～107.

如圖3所示為試驗(yàn)樣機(jī)原機(jī)按負(fù)荷特性運(yùn)行時(shí)，在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 400r/min及標(biāo)定轉(zhuǎn)速2200r/min下，原機(jī)及連接CRPF后總顆粒、核態(tài)顆粒（Dp＜50nm）及聚集態(tài)顆粒（50nm＜Dp＜1000nm）粒子數(shù)密度的對(duì)比.

圖2 試驗(yàn)樣機(jī)排氣顆粒數(shù)量粒徑分布Fig.2 Number concentration distribution of PM emitted

從圖3（a）、（b）可以看出，當(dāng)試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行在1 400r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，原機(jī)總粒子數(shù)密度隨負(fù)荷上升呈現(xiàn)先降低、后升高的趨勢(shì)，粒子數(shù)密度峰值的數(shù)量級(jí)為107～108.當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至2200r/min時(shí)，粒子數(shù)密度峰值的數(shù)量級(jí)上升至108～109.當(dāng)試驗(yàn)樣機(jī)連接CRPF后，各負(fù)荷下粒子數(shù)密度有所下降：當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 400r/min時(shí)，不同負(fù)荷下采用CRPF可以使總粒子數(shù)密度分別下降67.9％、54.6％、68％、71.4％、91.5％；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2200r/min時(shí)，粒子數(shù)密度降幅分別為86.9％、91.6％、94.9％、96.0％、98.6％.可以看出，當(dāng)試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷區(qū)域時(shí)，CRPF對(duì)顆粒的捕集效果較好；當(dāng)試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷區(qū)域時(shí)，CRPF的捕集效率不理想.這是由于在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)樣機(jī)排氣粒子數(shù)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(duì)聚集態(tài)顆粒的捕集效果優(yōu)于核態(tài)顆粒：當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 400r/min 時(shí)，采用CRPF可以使核態(tài)粒子數(shù)密度平均下降62.04％，而聚集態(tài)粒子數(shù)密度平均下降83.92％；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2200r/min時(shí)，采用CRPF可以使核態(tài)粒子數(shù)密度平均下降91.95％，而聚集態(tài)粒子數(shù)密度的平均降幅為96.4％.造成該現(xiàn)象的原因如下：核態(tài)顆粒組分主要為可溶有機(jī)成分（soluble organic fractions，SOF）及硫酸鹽；聚集態(tài)顆粒由碳顆粒聚團(tuán)并吸附硫化物及碳?xì)浠衔锏劝霌]發(fā)性物質(zhì)形成.在試驗(yàn)樣機(jī)連接CRPF后，在DOC作用下，聚集態(tài)顆粒表面吸附的半揮發(fā)性物質(zhì)被氧化，促使粒徑分布向小粒徑方向發(fā)展；另一方面，CRPF連續(xù)再生過程中產(chǎn)生的NO2具有極強(qiáng)的氧化性，導(dǎo)致排氣中的SO2氧化并形成SO3，使得硫酸鹽顆粒數(shù)量增多.

2.1.3 多環(huán)芳烴排放 在柴油機(jī)排氣顆粒中，多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）被認(rèn)為有很強(qiáng)的致癌作用，對(duì)人體危害很大，因此在分析顆粒質(zhì)量、顆粒數(shù)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)PAHs排放進(jìn)行分析.

在試驗(yàn)過程中，排氣顆粒中總共檢測(cè)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(yàn)樣機(jī)按ESC測(cè)試循環(huán)運(yùn)行時(shí)，原機(jī)及連接CRPF后，上述20種PAHs排放質(zhì)量m的對(duì)比情況.

從表5可以看出，在試驗(yàn)樣機(jī)連接CRPF后，PAHs排放質(zhì)量出現(xiàn)了明顯下降：原機(jī)PAHs排放質(zhì)量為940 ng，連接CRPF后PAHs排放質(zhì)量下降至79.4 ng，降幅達(dá)91.5％；在20種PAHs組分中，除苯并[a]蒽及排放質(zhì)量略有上升外，其余18種均降低.可以看出，CRPF對(duì)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(zhì)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(yàn)樣機(jī)原機(jī)與連接CRPF后NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對(duì)比.可以看出，試驗(yàn)樣機(jī)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(fù)荷特性下，NOx平均降幅分別為15.93％、14.69％.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，CRPF對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)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(jī)NOx的主要成分為NO，當(dāng)排氣流經(jīng)DOC時(shí)，DOC會(huì)將部分NO氧化成NO2，而NO2經(jīng)過DPF再生過程后轉(zhuǎn)化為N2排出.在DOC氧化反應(yīng)中，柴油機(jī)氣態(tài)排放物CO、THC及NO在催化劑活性位上存在競(jìng)爭(zhēng)吸附關(guān)系，而NO的氧化動(dòng)力極低[18-19]，NO發(fā)生氧化反應(yīng)的前提是排氣中CO、THC被氧化至極低水平，而DPF對(duì)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(yīng)，導(dǎo)致NOx降幅不明顯.

圖4 試驗(yàn)樣機(jī)NOx排放對(duì)比Fig.4 Comparison on NOxemission of test engine

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)試驗(yàn)樣機(jī)燃用BD20時(shí)，連接CRPF可以使ESC測(cè)試循環(huán)下顆粒排放因子下降81.9％，試驗(yàn)樣機(jī)顆粒排放因子可以滿足歐VI法規(guī).

（2）試驗(yàn)樣機(jī)連接CRPF后，穩(wěn)態(tài)工況下排氣粒子數(shù)密度下降.CRPF對(duì)顆粒的捕集效率與試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行工況有關(guān)：在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下，CRPF捕集效率較高；在中等轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷下，CRPF捕集效率不理想.此外，CRPF對(duì)聚集態(tài)顆粒的捕集效果優(yōu)于核態(tài)顆粒.

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

（4）CRPF對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)NOx的排放作用有限：與原機(jī)相比，連接CRPF后，樣機(jī)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(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn/eng

國(guó)家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA111720）.

方奕棟（1986—），男，博士后，從事柴油機(jī)后處理技術(shù)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@#edu.cn