DOC/CDPF對(duì)防爆柴油機(jī)性能的影響

陳東東，張翠平，張瑞亮，高 吉

（太原理工大學(xué)車輛工程系，山西 太原 030024）

1 引言

隨著礦產(chǎn)采集技術(shù)越來(lái)越成熟，井下無(wú)軌輔助運(yùn)輸車輛因具有效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性高等特點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，礦井下防爆無(wú)軌運(yùn)輸車輛將會(huì)成為未來(lái)礦井下的必需品[1]。但是，由于井下工作特殊條件的限制，對(duì)無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng)的動(dòng)力總成都有一定的特殊要求?！禡T990-2006礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中規(guī)定，防爆柴油機(jī)的任一表面溫度不得超過(guò)150℃，排氣溫度不得超過(guò)70℃；排氣未經(jīng)稀釋CO和NOx排放濃度不應(yīng)超過(guò)許可值0.1%和0.08%[2]。盡管防爆柴油機(jī)先進(jìn)技術(shù)不斷向前發(fā)展，但單純的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)很難滿足礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件要求，因此，需要借助機(jī)外凈化措施即加裝后處理設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)防爆柴油機(jī)的排放控制[3]。最近幾年，氧化型催化轉(zhuǎn)換器（DOC）和催化型顆粒捕集器（CDPF）技術(shù)越來(lái)越成熟，為防爆柴油機(jī)的尾氣凈化帶來(lái)了新的方法，采用DOC+CDPF的后處理技術(shù)可以顯著降低排放水平[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于DOC+CDPF對(duì)普通柴油機(jī)排放性能的影響的研究[5-10]，但對(duì)DOC+CDPF在防爆柴油機(jī)上的應(yīng)用的研究卻很少。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)防爆柴油機(jī)原機(jī)（加裝了進(jìn)氣阻火器、排氣阻火器和水洗箱）、加裝DOC、加裝CDPF、加裝DOC+CDPF四種情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，以此來(lái)分析DOC、CDPF、DOC+CDPF對(duì)防爆柴油機(jī)性能的影響，為DOC和CDPF在防爆柴油機(jī)上的應(yīng)用提供有效借鑒。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)直列四缸、水冷、自然吸氣、直接噴射、單次噴射柱塞式機(jī)械泵防爆柴油機(jī)，該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。試驗(yàn)過(guò)程基于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室臺(tái)架進(jìn)行，臺(tái)架系統(tǒng)布置，如圖1所示。試驗(yàn)所用測(cè)試設(shè)備主要有：（1）ET2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)；（2）DW320 型電渦流測(cè)功機(jī)；（3）AVL DICom 4000 五組份尾氣排放分析儀；（4）AVL DiSmoke 480不透光煙度分析儀。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main Specifications of the Engine

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行1400r/min（最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速）負(fù)荷特性測(cè)試試驗(yàn)，負(fù)荷分別選取10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%十個(gè)工況作為每一轉(zhuǎn)速下的測(cè)量工況點(diǎn)。主要測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率、排氣壓力和溫度、尾氣排放等參數(shù)。本試驗(yàn)所采用的后處理裝置共有兩種，分別是DOC和CDPF，具體參數(shù)，如表2所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Schematic of Test System

表2 DOC與CDPF參數(shù)Tab.2 Specifications of DOC and CDPF

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 排放特性對(duì)比

3.1.1 CO排放

內(nèi)燃機(jī)排氣中的CO是烴燃料在燃燒過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物，是燃油在氣缸中不充分燃燒所致。柴油機(jī)的特征是燃油與空氣混合不均勻，其燃燒總有局部缺氧和低溫的地方，并且燃燒時(shí)間較短，導(dǎo)致不充分燃燒，從而生成CO。

防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC和CDPF的CO排放對(duì)比圖，如圖2所示。由圖2可見看出，在中低負(fù)荷時(shí)CO的排放量很低，只有在大負(fù)荷時(shí)，由于氧濃度變低和噴油后期的供油量增加，反應(yīng)時(shí)間短，使CO急劇增加。

圖2 CO排放對(duì)比Fig.2 The Comparison of CO Emission

加裝后處理設(shè)備DOC、CDPF和DOC+CDPF后，防爆柴油機(jī)的CO排放明顯降低，平均分別降低91.2%、85.3%和97.1%，并且隨著負(fù)荷的增加，轉(zhuǎn)換效率越好。這是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)排氣溫度較低，而后處理設(shè)備DOC和CDPF在溫度低于150℃時(shí)，其貴金屬催化劑Pt和Pd基本不起作用；隨著負(fù)荷的逐漸升高，排氣溫度升高，后處理設(shè)備對(duì)CO的氧化效果也隨著溫度的升高而變好。對(duì)于DOC+CDPF耦合設(shè)備，由于這兩個(gè)設(shè)備內(nèi)部都有貴金屬催化劑涂層，為CO的氧化提供可更好的條件，同時(shí)由于前端DOC發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，如表3所示。其反應(yīng)是氧化反應(yīng)放出熱量，為CDPF中的CO氧化提供了高溫環(huán)境。所以，加裝后處理設(shè)備DOC、CDPF和DOC+CDPF后，CO排放均降低，并且加裝DOC+CDPF耦合設(shè)備后對(duì)CO排放的改善效果優(yōu)于單獨(dú)使用DOC和CDPF時(shí)的效果。

表3 DOC和CDPF中的主要化學(xué)反應(yīng)Tab.3 Main Chemical Reactions of DOC and CDPF

3.1.2 NOx排放

內(nèi)燃機(jī)排氣中的NOx主要有NO和NO2，通常主要研究NO。NO的來(lái)源有三種：（1）高溫富氧條件下產(chǎn)生的熱NO，也是尾氣排放中NO的主要來(lái)源；（2）發(fā)生在預(yù)混合富燃料混合氣中的激發(fā)NO，在尾氣排放中占很小的成分；（3）燃料中自帶的燃料NO，生成量也是很小。故在研究?jī)?nèi)燃機(jī)排氣中的NOx是主要研究熱NO含量。

防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC和CDPF的NOx排放對(duì)比圖，如圖3所示。由圖3可以看出隨著負(fù)荷的增加，NOx的排放量不同程度的都顯著增加，這主要是因?yàn)?，隨著負(fù)荷的增加，排氣背壓和排氣溫度都升高，可燃混合氣的空燃比減小，高溫高壓環(huán)境導(dǎo)致NOx排放量增加。但當(dāng)負(fù)荷超過(guò)一定值的時(shí)候，NOx排放量不增反降，這主要是因?yàn)楦變?nèi)缺氧導(dǎo)致的燃燒惡化，高溫和缺氧兩條件對(duì)NOx的影響相互抵消，甚至超過(guò)高溫的影響。

圖3 NOx排放對(duì)比Fig.3 The Comparison of NOxEmission

加裝后處理設(shè)備DOC和DOC+CDPF后，防爆柴油機(jī)的NOx排放明顯降低，平均分別降低37.3%和25.5%，這主要不是因?yàn)楹筇幚碓O(shè)備進(jìn)行了催化反應(yīng)，由表3可知，氮氧化為經(jīng)過(guò)后處理設(shè)備只是把NO氧化成NO2，其總的NOx幾乎不變，而是因?yàn)榧友b后處理設(shè)備后，影響了排氣背壓，進(jìn)而影響了缸內(nèi)燃燒，加裝后處理DOC和DOC+CDPF耦合設(shè)備后，排氣背壓變小，排氣溫度也變小，由熱NO的生成條件可知，NO生成量減少。但加裝后處理設(shè)備CDPF后，防爆柴油機(jī)的NOx排放變化不大，平均降低2.5%，中低負(fù)荷時(shí)甚至高于原機(jī)。這主要是因?yàn)榧友b后處理設(shè)備CDPF后，排氣背壓升高，缸內(nèi)燃燒惡化，燃燒產(chǎn)物在缸內(nèi)停留時(shí)間增加，導(dǎo)致NOx生成量增加。

3.1.3 PM排放

柴油機(jī)顆粒物（PM）主要由干碳煙（DS）、可溶性有機(jī)物（SOF）和硫酸鹽三部分組成，其中SOF占（35～45）%，產(chǎn)生于高溫缺氧條件下的碳煙為PM的主要成分，碳煙主要是長(zhǎng)碳鏈分子在特定環(huán)境下裂解形成。

防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC和CDPF的PM排放對(duì)比圖，如圖4所示。由圖4可以看出隨著負(fù)荷的增加，PM的排放量逐漸升高，這主要是因?yàn)殡S著負(fù)荷的增加，空燃比和溫度較高，創(chuàng)造了裂解和脫氫的有利條件，使碳煙排放增加。加裝后處理設(shè)備DOC、CDPF和DOC+CDPF后，防爆柴油機(jī)的PM排放明顯降低，不透光煙度平均分別降低13%、92.2%和96.8%，這是因?yàn)椋筇幚碓O(shè)備DOC含有Pt、Pd、Rh貴金屬氧化催化劑，可以催化氧化PM中的一些SOF，從而降低PM的排放量，而與PM中的DS并沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，所以DOC降低PM排放量效果并不是很好；后處理設(shè)備CDPF也含有貴金屬氧化催化劑，用來(lái)降低被動(dòng)再生溫度，當(dāng)尾氣經(jīng)過(guò)CDPF時(shí)，經(jīng)過(guò)壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體時(shí)，進(jìn)行捕集，當(dāng)溫度達(dá)到200℃時(shí)，開始被動(dòng)再生，由于試驗(yàn)時(shí)間短，所以捕集效果好，且沒(méi)有使發(fā)動(dòng)機(jī)背壓增加，若要長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)使用CDPF，會(huì)有堵塞過(guò)濾器的可能；同時(shí)加裝DOC+CDPF耦合設(shè)備時(shí)，兩者都涂有的貴金屬催化劑提高了對(duì)PM的被動(dòng)再生能力，同時(shí)前邊的DOC所發(fā)生的氧化反應(yīng)放出大量的熱，為CDPF提供了高溫環(huán)境，更有利于凈化PM。

圖4 PM排放對(duì)比Fig.4 The Comparison of PM Emission

3.2 燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC和CDPF的燃油消耗率對(duì)比圖，如圖5所示。由圖5可見，加裝后處理設(shè)備DOC、CDPF和DOC+CDPF后，油耗率分別平均降低5.4%、4.5%和5.5%。究其原因，主要是因?yàn)榉辣裼蜋C(jī)和普通柴油機(jī)不同，加裝后處理設(shè)備后，碳煙顆粒減少，波紋排氣阻火器上附著的碳煙減少，排氣通暢，排氣背壓減小，燃燒室殘余廢氣減少，泵氣損失變小，缸內(nèi)燃燒改善，燃燒熱效率增高。

圖5 燃油消耗率對(duì)比Fig.5 The Comparison of Fuel Consumption

3.3 排氣壓力對(duì)比

防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC和CDPF的排氣壓力對(duì)比圖，如圖6所示。由圖6可以看出，單獨(dú)加裝CDPF設(shè)備使排氣壓力增加1.6%，這是因?yàn)镃DPF設(shè)備采用了壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體，柴油機(jī)尾氣進(jìn)入多孔蜂窩孔道后，由相鄰的孔道流出，顆粒物被攔截在孔道的內(nèi)表面，堆積成顆粒層，形成濾餅過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物的過(guò)濾捕集，但由于溫度，不能及時(shí)再生，所以單獨(dú)加裝CDPF設(shè)備時(shí)，排氣壓力增加。單獨(dú)加裝DOC和DOC+CDPF設(shè)備使排氣壓力減小，分別減少15.6%和36.4%。（1）防爆柴油機(jī)后端加裝了排氣阻火器，當(dāng)不加后處理設(shè)備時(shí)，碳煙過(guò)多附著在排氣阻火器上；（2）DOC采用的是蜂窩陶瓷載體，但與CDPF不同的是它是通孔結(jié)構(gòu)，阻力較小；（3）當(dāng)同時(shí)加裝DOC和CDPF時(shí)，雖然CDPF會(huì)增加阻力，但由于DOC的反應(yīng)提供了高溫環(huán)境使CDPF可以再生，所以附著在排氣阻火器上的碳煙較少，阻力減小。

圖6 排氣壓力對(duì)比Fig.6 The Comparison of Discharge Pressure

3.4 排氣溫度對(duì)比

防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC和CDPF的排氣溫度對(duì)比圖，如圖7所示。由圖7可以看出，分別加裝DOC、CDPF、DOC+CDPF后排氣溫度都有所降低，分別為15.6%、7.2%和14.2%，但影響并不是很大。

圖7 排氣溫度對(duì)比Fig.7 The Comparison of Discharge Temperature

4 結(jié)論

（1）后處理設(shè)備DOC、CDPF和DOC+CDPF均能降低防爆柴油機(jī)的CO和NOx氣相排放物，其中，DOC+CDPF耦合設(shè)備對(duì)降低CO效果最佳，而單獨(dú)使用DOC對(duì)降低NOx排放物最佳，主要由于防爆柴油機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)。

（2）后處理設(shè)備DOC、CDPF和DOC+CDPF均能降低防爆柴油機(jī)的PM固相排放物，其中DOC+CDPF耦合設(shè)備效果最佳，而DOC對(duì)PM的降低效果不大。

（3）后處理設(shè)備DOC、CDPF和DOC+CDPF均能降低防爆柴油機(jī)的油耗率，改善防爆柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性，但影響不是很大。

（4）后處理設(shè)備DOC和DOC+CDPF均能不同程降低防爆柴油機(jī)的排氣背壓，而CDPF由于防爆柴油機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)使防爆柴油機(jī)排氣背壓增加，但后處理設(shè)備的增加都使排氣溫度有不同程度的降低，其中DOC降低程度最大。