柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機耦合后處理系統(tǒng)的排放性能研究

陳旨明,劉軍恒,孫平,嵇乾,黃河

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,212013,江蘇鎮(zhèn)江;2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)交通工程學(xué)院,210046,南京)

柴油機因其較高的熱效率和可靠的動力性而被廣泛應(yīng)用于交通運輸和工程機械[1]。然而,柴油機排氣中的一氧化碳(CO)、碳氫(HC)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)等會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染并危害人體健康[2]。隨著我國更為嚴(yán)格的排放法規(guī)頒布,僅依靠缸內(nèi)燃燒優(yōu)化和單一后處理的方式已難以滿足更低的排放限值,而高效清潔替代燃料技術(shù)耦合多種后處理裝置有望實現(xiàn)污染物的超低排放。

甲醇因汽化潛熱大、含氧量高、燃燒清潔和具有可再生性等特點,常被用作柴油的替代燃料,甲醇在壓燃式發(fā)動機上的應(yīng)用一般以雙燃料方式為主[3-4]。Wei等研究發(fā)現(xiàn),柴油/甲醇雙燃料燃燒可同時降低NOx排放和PM數(shù)量濃度,打破NOx和碳煙排放之間的trade-off關(guān)系,并提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性[5]。然而,諸多研究發(fā)現(xiàn),在中低負(fù)荷下隨著甲醇比例的增加,雙燃料發(fā)動機經(jīng)濟性變差,CO和HC排放升高,小粒徑PM數(shù)量增多,未燃甲醇(CH3OH)、甲醛(HCHO)等非常規(guī)污染物排放增加[6]。柴油機氧化催化器(DOC)結(jié)合催化型顆粒物捕集器(CDPF)作為針對PM機外凈化最有效的裝置,同時可有效降低CO和HC排放;選擇性催化還原催化器(SCR)利用氨基或烴基還原劑可將排氣中的NOx還原為N2,是降低NOx排放的主要手段[7-8]。Nazarpoor等[9]研究發(fā)現(xiàn),DOC可以有效去除排氣中的CO和HC成分,同時可將排氣中的部分NO轉(zhuǎn)換為NO2,促進CDPF對碳煙顆粒的凈化。閆立冰等[10]在DOC前加裝了電磁旁通閥,通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)SCR前n(NO2)/n(NOx),發(fā)現(xiàn)n(NO2)/n(NOx)的增加有利于提高SCR轉(zhuǎn)化效率。Colombo等[11]通過建立詳細動力學(xué)模型研究發(fā)現(xiàn),NO2的加入可改善低溫工況下SCR的催化效率,在n(NO2)/n(NOx)為0.5時催化效果最佳。Liu等[12]開展了PODE/乙醇雙燃料發(fā)動機耦合DOC裝置的排放特性試驗,結(jié)果表明,DOC可以高效凈化雙燃料燃燒產(chǎn)生的HC、CO、甲醛和乙醛,并顯著降低n(NO2)/n(NOx)。Chen等[13]在一臺二元燃料(DMDF)發(fā)動機上研究了甲醇比例對DOC/CDPF系統(tǒng)再生性能的影響,結(jié)果表明,DMDF模式與后處理系統(tǒng)相耦合可顯著降低CO、HC和醛類排放,并可獲得較高的CDPF入口溫度和n(NO2)/n(PM),使CDPF在DMDF模式下保持較高的再生水平。因此,深入探討雙燃料燃燒模式與后處理系統(tǒng)的耦合關(guān)系,對于實現(xiàn)新型燃燒模式的排放控制具有重要工程價值。

為了更好地探究后處理系統(tǒng)DOC/CDPF/SCR對柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機排放特性的影響,本文通過調(diào)節(jié)進氣預(yù)混甲醇比例,研究了柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機污染物排放特性,并對比分析了不同負(fù)荷下DOC/CDPF/SCR系統(tǒng)對污染物排放的轉(zhuǎn)化效率。研究結(jié)果可為雙燃料發(fā)動機耦合后處理系統(tǒng)的進一步優(yōu)化和高效降低污染物排放提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)與方案

1.1 試驗臺架與設(shè)備

試驗用發(fā)動機為一臺四缸增壓中冷電控共軌柴油機,主要參數(shù)如表1所示。對發(fā)動機進氣道進行改造加裝了一套甲醇噴射系統(tǒng),采用進氣道噴射方式預(yù)混甲醇,原機共軌系統(tǒng)控制柴油噴入缸內(nèi)引燃預(yù)混合氣。試驗用甲醇為99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的無水甲醇,柴油為市售0號柴油,含硫量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))低于10-5,兩種燃料的主要理化性質(zhì)如表2所示。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

表2 試驗燃料的理化特性

柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機臺架試驗系統(tǒng)如圖1所示。試驗系統(tǒng)主要包括臺架測控系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)和排放測量系統(tǒng)。其中:臺架測控系統(tǒng)采用CAC250型電力測功機及其自控系統(tǒng)來控制雙燃料發(fā)動機的運行工況;燃料供給系統(tǒng)采用AVL-753C燃油溫控儀和AVL-735C瞬態(tài)油耗儀控制柴油溫度和測量柴油油耗,并使用一臺FCM04醇耗儀測量甲醇消耗量;排放測量系統(tǒng)采用AVL-415S濾紙式煙度計、HORIBA MEXA7200D氣體排放分析儀和AVL-SESAM-FTIR傅里葉紅外光譜分析儀對排氣煙度和氣體污染物組分進行分析與測量。后處理系統(tǒng)DOC/CDPF/SCR布置在發(fā)動機排氣出口1米處的排氣管路中,其主要參數(shù)如表3所示,試驗用還原劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)32.5%的尿素水溶液,由中國石油天然氣集團公司生產(chǎn)。

圖1 柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機試驗臺架結(jié)構(gòu)

表3 后處理系統(tǒng)主要參數(shù)

1.2 試驗方案

預(yù)混甲醇采用進氣道低壓噴射,隨著發(fā)動機進氣一起導(dǎo)入氣缸,引燃柴油通過原機共軌系統(tǒng)直接噴入氣缸。通過平均有效壓力(pme)衡量發(fā)動機轉(zhuǎn)矩,試驗選擇原機最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 800 r/min下pme=0.239,0.528,0.833 MPa共3個負(fù)荷定為中低負(fù)荷工況,pme=1.049 MPa為高負(fù)荷工況,進行對比研究。試驗中,引燃柴油噴射壓力和噴射時刻固定不變,進氣預(yù)混甲醇的噴射壓力為0.6 MPa,依次調(diào)節(jié)進氣道噴入甲醇的熱值占缸內(nèi)燃料燃燒總熱值的0、15%和30%,在雙燃料模式下,控制發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩恒定;根據(jù)SCR入口的NOx濃度和排氣流量確定尿素噴射量,控制尿素計量泵通過非氣助式噴嘴將還原劑噴入SCR系統(tǒng),對比分析原機和經(jīng)過后處理系統(tǒng)催化后的排氣污染物變化規(guī)律。

甲醇比例(RM)定義為雙燃料發(fā)動機每循環(huán)進氣道噴入的甲醇燃料的熱值與此循環(huán)下缸內(nèi)總?cè)剂系臒嶂档谋戎?/p>

(1)

式中:RM為甲醇比例,%;mM和mD分別為甲醇與柴油的燃料消耗率,kg·h-1;hM和hD分別為甲醇與柴油的低熱值,MJ·kg-1。

當(dāng)量燃油消耗率(be)和有效熱效率(ηe)常被用于評價雙燃料發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性[14]。當(dāng)量燃油消耗率是將雙燃料模式下的醇耗量等熱值轉(zhuǎn)化為柴油后計算得到的總有效燃油消耗率,有效熱效率則是衡量雙燃料發(fā)動機將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的效率,兩者計算公式分別為

(2)

(3)

式中:be為當(dāng)量燃油消耗率,g·(kW·h)-1;ηe為有效熱效率,%;Pe為發(fā)動機實際功率,kW。

后處理系統(tǒng)對排氣污染物的轉(zhuǎn)換效率(A)定義為后處理系統(tǒng)催化前后污染物排放濃度變化與催化前污染物排放濃度之比

(4)

式中:A為排氣污染物的轉(zhuǎn)換效率,%;φin和φout分別為后處理系統(tǒng)催化前、后污染物的濃度。

試驗開始前,發(fā)動機啟動并預(yù)熱20 min,中冷后進氣溫度控制在60 ℃,燃油溫度控制在38 ℃,冷卻液水溫和機油溫度分別控制在75 ℃和85 ℃,并在不噴射尿素的情況下讓發(fā)動機在額定工況下運轉(zhuǎn)10 min,防止催化器載體上存在吸附態(tài)氨而影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 RM對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響

圖2為在轉(zhuǎn)速1 800 r/min時不同負(fù)荷下,RM對雙燃料發(fā)動機當(dāng)量燃油消耗率和有效熱效率的影響?？梢钥闯?在中低負(fù)荷時,隨著RM的增加,當(dāng)量燃油消耗率增大,有效熱效率降低;在高負(fù)荷時,呈現(xiàn)相反趨勢。在pme=0.239 MPa下,RM=30%時當(dāng)量燃油消耗率與RM=0時相比由260.17 g·(kW·h)-1增加至291.79 g·(kW·h)-1,有效熱效率則從32.5%降低至29.1%。在pme=1.049 MPa下,RM=30%時當(dāng)量燃油消耗率與RM=0時相比由211.08 g·(kW·h)-1降低至202.88 g·(kW·h)-1,有效熱效率則從40.13%增加至41.75%。

圖2 RM對當(dāng)量燃油消耗率和有效熱效率的影響

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是:在中低負(fù)荷時,缸內(nèi)工質(zhì)溫度低,引燃柴油量也少,壓燃產(chǎn)生的點火能量較低,火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷龑?dǎo)致缸內(nèi)燃燒不完全;隨著RM的增加,甲醇較高的汽化潛熱使得缸內(nèi)溫度進一步降低,燃燒惡化導(dǎo)致經(jīng)濟性變差,同時甲醇的十六烷值低和著火性能差對柴油著火起到抑制作用,導(dǎo)致燃燒相位相對靠后,熱功轉(zhuǎn)換效率降低。在高負(fù)荷時,缸內(nèi)溫度較高,進氣預(yù)混甲醇對缸內(nèi)充量冷卻效應(yīng)減弱,缸內(nèi)燃燒高溫梯度降低使傳熱損失減小,甲醇蒸發(fā)使油氣混合更充分且甲醇燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣纫草^快,缸內(nèi)燃燒等容度得到改善。而且,甲醇含氧量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高達50%,可以有效緩解柴油機擴散燃燒時局部缺氧的問題,促進燃料充分燃燒,因而雙燃料發(fā)動機熱效率提高。

2.2 RM對排氣溫度的影響

圖3為不同負(fù)荷下RM對雙燃料發(fā)動機后處理系統(tǒng)溫度的影響。可以看出:不同部位的排氣溫度隨RM的增加呈下降趨勢,在DOC前端溫度變化趨勢更加顯著;在pme=0.239,1.049 MPa下,RM=30%時DOC入口溫度與RM=0工況相比分別降低了28.08 ℃和35.42 ℃。這是由于在中低負(fù)荷時進氣預(yù)混甲醇降低了進氣充量溫度,使得壓縮終點缸內(nèi)溫度降低,且缸內(nèi)燃料燃燒也不完全。隨著RM的增加,排氣中的未燃甲醇增多,導(dǎo)致排氣溫度降低。在高負(fù)荷時發(fā)動機缸內(nèi)溫度高,致使甲醇冷卻效應(yīng)下降,但甲醇氧化反應(yīng)路徑也簡單,燃燒速度快,在上止點處壓力升高迅速,接近等容燃燒,高溫持續(xù)期縮短且后燃比例也降低,導(dǎo)致排氣溫度下降[15]。

圖3 RM對后處理系統(tǒng)溫度的影響

在RM=0時,不同負(fù)荷下排氣溫度經(jīng)過DOC后均有所降低,這是因為純柴油燃燒時排氣中的CO和HC含量低,DOC氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量少,不足以抵消對流換熱等因素導(dǎo)致的熱損失。在雙燃料燃燒模式下,除pme=0.239 MPa負(fù)荷外,DOC后端氧化升溫明顯,且升溫幅度隨著RM增加而增大。這是因為進氣預(yù)混甲醇使得排氣中的CO和HC含量急劇增加,同時部分未燃甲醇隨著掃氣排出氣缸,經(jīng)過DOC時發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生較多熱量導(dǎo)致排氣溫度的升高。在pme=0.239 MPa下,因為負(fù)荷較小,發(fā)動機排氣溫度低,DOC入口溫度尚未達到催化劑的起燃溫度,未能發(fā)生氧化反應(yīng)釋放熱量。在DOC達到正常工作溫度時,可以凈化排氣中絕大部分CO和HC,在多數(shù)工況下排氣經(jīng)過CDPF時幾乎不發(fā)生催化反應(yīng),因此CDPF后端的溫度有所下降。

2.3 DOC對常規(guī)氣體排放物的影響

圖4為不同負(fù)荷下DOC對柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機排氣中的CO和HC體積分?jǐn)?shù)的影響?？梢钥闯?在RM=0的純柴油模式下,各個負(fù)荷的CO和HC排放很低;隨著RM的增加,DOC前的CO和HC排放急劇升高,且在中低負(fù)荷時增加趨勢也更明顯。在pme=0.239 MPa下,與RM=0相比,RM=30%時DOC前CO和HC排放的增幅分別高達17.61倍和46.55倍。這是因為CO和HC是雙燃料不完全燃燒的產(chǎn)物,進氣預(yù)混甲醇降低了缸內(nèi)燃燒溫度,且隨著RM增加,滯燃期被延長,燃燒始點推遲導(dǎo)致燃燒相位靠后,后燃比例也增加,燃料燃燒并不完全。在小負(fù)荷時缸內(nèi)溫度低,這種趨勢更明顯。隨著負(fù)荷增大,缸內(nèi)溫度升高,燃料燃燒效率提高,CO和HC排放逐漸降低。

(a)CO排放量

經(jīng)過DOC催化后:在pme=0.239 MPa下,RM=0時的CO和HC轉(zhuǎn)換效率分別為46.08%和31.28%,RM=30%時的CO和HC轉(zhuǎn)換效率僅為5.63%和3.32%;在pme=1.049 MPa時,兩種燃燒模式下DOC對CO和HC的轉(zhuǎn)換效率均可達到98%以上。這是因為在低負(fù)荷時,發(fā)動機排氣溫度低,催化劑活性下降使得DOC轉(zhuǎn)換效率降低,雙燃料模式下排氣溫度進一步下降而未能達到DOC正常工作溫度,導(dǎo)致CO和HC排放的轉(zhuǎn)化效率極低。隨著負(fù)荷的增大,排氣溫度升高,催化劑活性增強使得CO和HC的轉(zhuǎn)換效率升高。此外,雙燃料燃燒時排氣中的NO2和O2含量較高,排氣處于富氧狀態(tài),加強了DOC對CO和HC的催化轉(zhuǎn)換作用。從圖4還可以看出,隨著負(fù)荷下降,HC轉(zhuǎn)換效率逐漸低于CO。這是因為催化劑受溫度影響活性下降,CO和HC在DOC中的反應(yīng)產(chǎn)生競爭關(guān)系,而涂覆在DOC上的Pt催化劑對CO的氧化具有優(yōu)先級,因此Pd的氧化活性受到抑制會導(dǎo)致HC轉(zhuǎn)換效率低于CO[16]。

2.4 DOC對非常規(guī)氣體排放物的影響

圖5為不同負(fù)荷下DOC對柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機排氣中的NO2體積分?jǐn)?shù)和n(NO2)/n(NOx)的影響。從圖5(a)可以看出,在純柴油模式下DOC前NO2排放隨著負(fù)荷增加而減小;隨著RM增加,雙燃料模式的NO2排放急劇升高,在pme=0.239和1.049 MPa下,RM=30%時NO2排放分別達到了RM=0時的2.82倍和16.35倍。從圖5(b)可以看出,隨著RM增加,n(NO2)/n(NOx)大幅提高,且低負(fù)荷時趨勢更明顯;在pme=0.239和1.049 MPa下,與RM=0相比,RM=30%時n(NO2)/n(NOx)分別增加62.71%和32.48%。

(a)NO2排放量

發(fā)動機缸內(nèi)燃燒火焰后區(qū)的溫度較低,此時生成的NO快速轉(zhuǎn)變成NO2,在純柴油燃燒時缸內(nèi)溫度高,且高溫持續(xù)期較長,NO2在高溫下又轉(zhuǎn)變回NO,其化學(xué)反應(yīng)式[17]為

NO+HO2→NO2+OH

(5)

NO2+O→NO+O2

(6)

進氣預(yù)混甲醇降低了缸內(nèi)燃燒溫度,缸內(nèi)低溫燃燒區(qū)域增多,NO2向NO的轉(zhuǎn)換被抑制。此外,甲醇在氧化過程中會發(fā)生脫氫反應(yīng)生成部分HO2,HO2促進了NO向NO2的轉(zhuǎn)換[18]。而且,隨著RM的增加,預(yù)混甲醇量增多,中低負(fù)荷時排氣管中存在較多未燃甲醇,NO在排氣管中滯留時間較長,增加了NO2生成量。

經(jīng)過DOC催化后,在中高負(fù)荷下RM=0時的NO2排放以及n(NO2)/n(NOx)顯著提高,而雙燃料模式在各個負(fù)荷下卻呈相反趨勢。在pme=1.049 MPa下,RM=0時NO2的排放較催化前上升了13.5倍,n(NO2)/n(NOx)上升了28.26%;在RM=30%時,NO2排放較催化前下降了50.97%,n(NO2)/n(NOx)則下降了19.39%。這是因為純柴油燃燒時,涂覆在DOC載體上的Pt和Pd貴金屬活性位上存在較多吸附態(tài)氧,排氣中的NO被氧化為NO2,而雙燃料模式下,排氣中存在大量的CO和HC物質(zhì),它們占據(jù)了催化劑中的氧活性位,阻礙了氧化反應(yīng)的進行。此外,HC和CO具有強還原性,而NO2作為優(yōu)異的氧原子來源,相比O2,NO2在催化劑表面具有更大的黏附系數(shù),排氣經(jīng)過DOC時,發(fā)生了式(7)、(8)所示的化學(xué)反應(yīng),促進了NO2向NO轉(zhuǎn)化[19]。

NO2+CO→NO+CO2

(7)

NO2+HC→NO+CO+H2O

(8)

在DOC催化后,在RM=0時的NO2排放和n(NO2)/n(NOx)隨著負(fù)荷的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這是因為DOC最佳氧化溫度在350 ℃左右,過高或者過低的溫度都會導(dǎo)致氧化效果減弱。在中低負(fù)荷時,排氣溫度降低導(dǎo)致氧化反應(yīng)變慢,NO2生成速率下降;在高負(fù)荷時,純柴油燃燒時排氣溫度過高,DOC氧化作用衰減,且此時排氣中NO濃度較高,Pt表面會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,NO與O競爭活性位,由于NO—Pt不如O—Pt結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,富氧狀態(tài)的排氣氛圍進一步抑制了NO的氧化效率[20]。在pme=1.049 MPa時,隨著RM的增加,雙燃料模式下排氣溫度下降至NO最佳氧化反應(yīng)區(qū)間,NO氧化反應(yīng)速率加快,因此高負(fù)荷時雙燃料模式下的排氣經(jīng)過DOC催化后NO2排放和n(NO2)/n(NOx)降幅也較小。在pme=0.239 MPa時,排氣溫度低于DOC起燃溫度,NO氧化反應(yīng)幾乎不能進行。同時,由于排氣流量較小,催化器空速降低,排氣在DOC內(nèi)停留時間較長,導(dǎo)致HC和CO有充足的時間與NO2發(fā)生反應(yīng)。因此,兩種模式下的排氣在小負(fù)荷下經(jīng)過DOC后,NO2排放和n(NO2)/n(NOx)均會大幅降低。

圖6為不同負(fù)荷下DOC對柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機排氣中的HCHO體積分?jǐn)?shù)的影響?？梢钥闯?純柴油燃燒時HCHO排放較小;隨著RM的增大,HCHO排放大幅升高,且小負(fù)荷的趨勢更明顯。在pme=0.239 MPa下,RM=30%時的HCHO排放是RM=0時的13.71倍。HCHO是甲醇燃燒的中間產(chǎn)物,中低負(fù)荷時缸內(nèi)溫度較低,燃燒室壁面冷激效應(yīng)增強,近壁面火焰淬熄效應(yīng)形成淬熄層,導(dǎo)致甲醇氧化不完全。同時,由于甲醇對缸內(nèi)充量的冷卻作用,使得燃燒溫度進一步降低,甲醇燃料燃燒不充分導(dǎo)致HCHO排放增加。此外,在掃氣階段,部分甲醇預(yù)混氣被直接排出氣缸,而此時排氣溫度較低,甲醇無法進一步完全氧化,使得HCHO排放增加。高負(fù)荷時缸內(nèi)溫度較高,壁面淬熄層厚度小,缸內(nèi)燃料燃燒充分且排氣溫度也顯著升高,從而導(dǎo)致HCHO排放的降低。

圖6 DOC對HCHO排放量的影響

在pme=0.239,1.049 MPa下,RM=0時DOC對的HCHO轉(zhuǎn)換效率分別為26.71%、99.54%;RM=30%時,兩者分別為2.06%和98.62%。這是因為:隨著發(fā)動機負(fù)荷增加,排氣溫度升高,DOC催化劑活性增強,促進了HCHO轉(zhuǎn)換效率的升高;在低負(fù)荷時,排氣溫度較低,且隨著RM的增加而下降,DOC系統(tǒng)未達到正常工作溫度。因此,DOC前后的HCHO排放無明顯變化。

2.5 CDPF對碳煙排放量的影響

圖7為不同負(fù)荷下CDPF對柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機碳煙排放量的影響。可以看出:隨著RM的增加,雙燃料發(fā)動機的碳煙排放逐漸降低;在pme=0.239 MPa下,與RM=0相比,RM=30%時碳煙排放降低了45.98%;在pme=1.049 MPa時,碳煙排放降低了36.55%。碳煙是柴油機在高溫缺氧氛圍下燃料不完全燃燒的產(chǎn)物,隨著負(fù)荷增加,循環(huán)噴油量增多,混合氣變濃且分布不均使得局部缺氧嚴(yán)重,烴分子發(fā)生部分氧化和熱裂解導(dǎo)致多環(huán)芳香烴(PAHs)、乙炔(C2H2)等碳粒的氣相前驅(qū)物大量生成,從而導(dǎo)致碳煙排放增加[21]。然而,甲醇自身不含C—C鍵,燃燒時不易產(chǎn)生不飽和烴,隨著RM增加,碳煙前驅(qū)體生成數(shù)量下降,減少了碳煙來源。同時,甲醇自身含氧且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?可有效緩解局部缺氧問題。此外,甲醇的加入延長了著火滯燃期,增加了預(yù)混燃燒比例,并減少了擴散燃燒數(shù)量,最終減少了碳煙的生成。

圖7 CDPF對碳煙排放量的影響

經(jīng)過CDPF后,兩種燃燒模式的碳煙排放量均大幅降低,在不同負(fù)荷下CDPF對碳煙排放的平均凈化效率超過了90%。在pme=0.239 MPa下,RM=30%時的CDPF捕集效率降低至81.82%。這是因為此時負(fù)荷小,發(fā)動機本身碳煙排放低,經(jīng)CDPF捕集催化后已經(jīng)接近零排放。CDPF載體采用壁流式設(shè)計對排氣中的碳煙顆粒進行攔截捕集,且CDPF表面涂覆了一定比例的Pt和Pd催化劑,可將排氣中的部分NO氧化為NO2,NO2的強氧化性可與碳煙發(fā)生反應(yīng)生成CO和CO2,從而增強對碳煙的催化氧化效果[22]。由于CDPF對碳煙的捕集以物理手段為主,因此幾乎不受排氣溫度的影響,在中低負(fù)荷下也能保持較高的凈化效率。

2.6 SCR對NOx排放量的影響

圖8為不同負(fù)荷下SCR對柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機排氣中的NOx體積分?jǐn)?shù)的影響?？梢钥闯?隨著RM的增加,NOx排放降低,負(fù)荷越低時降低趨勢越顯著;在pme=0.239,1.049 MPa下,RM=30%時NOx排放相較于RM=0時分別降低了32.22%和6.43%。Zeldovich機理揭示出NOx的生成條件為高溫、富氧和高溫持續(xù)期[23],因此導(dǎo)致雙燃料燃燒NOx排放降低的原因如下:在中低負(fù)荷時,進氣預(yù)混甲醇對缸內(nèi)充量的冷卻效應(yīng)顯著,缸內(nèi)低溫燃燒區(qū)域增多,平均燃燒溫度下降;在高負(fù)荷時,甲醇摻燒使得火焰?zhèn)鞑ニ俾始涌?高溫持續(xù)期相應(yīng)縮短,從而使NOx排放有所降低。

圖8 SCR對NOx排放量的影響

隨著負(fù)荷增大,SCR對NOx的轉(zhuǎn)換效率顯著提高,且SCR對純柴油模式下NOx的轉(zhuǎn)換效率高于雙燃料模式;在pme=1.049 MPa下,RM=0時NOx的轉(zhuǎn)換效率可達最高值98.54%,而RM=30%時的轉(zhuǎn)換效率僅為93.26%。這是因為隨著負(fù)荷的增大,排氣溫度升高,使得SCR催化劑活性增強,在pme=1.049 MPa時,排氣溫度已處于SCR催化反應(yīng)活性最佳窗口,轉(zhuǎn)換效率也最高,此時n(NO2)/n(NOx)對轉(zhuǎn)換效率影響較大,在DOC的氧化作用下,純柴油燃燒排氣中的n(NO2)/n(NOx)高于雙燃料模式,因此純柴油下SCR對NOx轉(zhuǎn)換效率略高。在pme=0.528,0.833 MPa下,RM=30%時NOx的轉(zhuǎn)換效率與RM=0時的相比分別下降了24.69%,20.95%;在中等負(fù)荷時,隨著RM的增加,排氣溫度進一步下降,負(fù)載金屬離子的分子篩活性降低,導(dǎo)致催化還原反應(yīng)速率放緩,尿素的蒸發(fā)和熱解速率也下降,NH3與NOx混合質(zhì)量較差,導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的降低。在pme=0.239 MPa時,SCR未達到正常工作溫度,催化劑活性受抑制且尿素分解緩慢,因此低負(fù)荷時NOx轉(zhuǎn)換效率極低。

N2O作為強溫室氣體,溫室效應(yīng)是CO2的300倍,且對臭氧層有極大的破壞作用,因此有必要對SCR系統(tǒng)產(chǎn)生的N2O排放進行研究。圖9為不同負(fù)荷下SCR對柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機N2O排放量的影響?？梢钥闯?純柴油燃燒模式下SCR前N2O排放處于較低水平,而隨著RM的增加,N2O生成量增加。經(jīng)過SCR催化反應(yīng)后,N2O大量生成,且隨著負(fù)荷的增大,N2O生成量增多,而隨著RM的增加,N2O生成量減小;在pme=1.049 MPa下,RM=0時排氣經(jīng)過SCR催化后N2O生成量達到原機的33.53倍,RM=30%時N2O生成量有所下降,但依然為原機的12.65倍。這是因為尿素分解生成的NH3在高溫環(huán)境下與排氣發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)[24]

圖9 SCR對N2O排放量的影響

2NH3+2O2→N2O+O2

(9)

4NH3+4NO+3O2→4N2O+6H2O

(10)

2NH3+2NO2→N2O+N2+3H2O

(11)

隨著負(fù)荷增大,尿素噴射量增加,參與反應(yīng)的NH3增多,導(dǎo)致N2O生成量增加。部分N2O是快速SCR反應(yīng)的副產(chǎn)物,因此N2O的生成也會受到排氣中n(NO2)/n(NOx)的影響,純柴油模式的排氣經(jīng)過DOC后n(NO2)/n(NOx)高于雙燃料模式,導(dǎo)致N2O生成量增多。隨著RM的增加,排氣溫度下降,NH3氧化速率放緩,導(dǎo)致N2O的生成量降低[25]。然而,隨著排氣溫度進一步下降,作為還原劑的尿素可以生成NH4NO3附著在SCR表面,一部分NH4NO3會在低溫下分解產(chǎn)生N2O,因此當(dāng)RM=30%時,N2O排放隨著負(fù)荷減小而逐漸增加[26]。在pme=0.239 MPa時,由于排氣溫度過低,SCR催化反應(yīng)遲緩,且尿素分解速率較慢,N2O生成受到抑制。

3 結(jié) 論

(1)隨著RM的增加,在中低負(fù)荷時雙燃料發(fā)動機的經(jīng)濟性下降,而在高負(fù)荷時有所提高。甲醇的加入使排氣溫度降低,純柴油模式下經(jīng)過DOC后排氣溫度下降,而雙燃料模式下DOC后端氧化升溫明顯,升溫幅度隨著RM增加而升高。在兩種燃燒模式下,排氣溫度經(jīng)過CDPF后均有所下降。

(2)隨著RM的增加,雙燃料發(fā)動機的CO、HC、NO2和HCHO排放均大幅增加,且n(NO2)/n(NOx)也顯著增大。DOC轉(zhuǎn)換效率受負(fù)荷影響較大,在高負(fù)荷時,DOC可以高效凈化尾氣中CO、HC和HCHO排放,而在低負(fù)荷時的凈化效率很低。DOC可以將柴油模式下的NO轉(zhuǎn)化為NO2,而會顯著降低雙燃料模式下的n(NO2)/n(NOx)。

(3)隨著RM的增加,雙燃料發(fā)動機缸內(nèi)局部缺氧問題得到緩解,擴散燃燒比例減少,碳煙前驅(qū)體生成數(shù)下降,雙燃料模式的碳煙排放明顯低于純柴油模式,而CDPF捕集效率受到負(fù)荷的影響較小,在不同負(fù)荷和不同燃燒模式下均可保持較高的凈化效率。

(4)隨著RM的增加:雙燃料發(fā)動機的NOx排放降低;SCR對NOx的轉(zhuǎn)換效率受負(fù)荷影響較大,且SCR對純柴油模式下NOx排放轉(zhuǎn)換效率高于雙燃料模式;SCR催化反應(yīng)會導(dǎo)致N2O排放增加,而甲醇的加入可以在一定程度上的減少N2O生成。