连续再生颗粒捕集器对生物柴油发动机颗粒及NOx排放的影响

方奕栋，楼狄明，胡志远，谭丕强

（同济大学汽车学院，上海201804）

连续再生颗粒捕集器对生物柴油发动机颗粒及NOx排放的影响

方奕栋，楼狄明，胡志远，谭丕强

（同济大学汽车学院，上海201804）

以某型高压共轨柴油机为试验对象，研究试验样机燃用BD20混合燃料时，连续再生颗粒捕集器（CRPF）对颗粒及氮氧化物排放的影响.结果表明，试验样机连接CRPF后，颗粒排放因子下降81.9％；试验样机运行在高转速高负荷区域时，CRPF对粒子数密度的降低效果较明显，对聚集态颗粒的降低作用优于核态颗粒；试验样机多环芳烃（PAHs）排放质量减少91.5％，在检测到的20种PAHs中，有18种组分排放质量减少.连接CRPF后，试验样机排放的NOx质量分数小幅下降.

连续再生颗粒捕集器（CRPF）；生物柴油；颗粒排放；氮氧化物排放

柴油机作为传统燃油动力的重要组成，在动力性、经济性方面具有明显的优势，因此各类轻、重型车辆上得到了广泛的应用.近年来，柴油机颗粒及氮氧化物（NOx）排放备受关注[1-5]，已经成为制约柴油机技术发展的主要因素.

针对上述问题，各种清洁替代燃料的研究逐渐深入.生物柴油作为一种可再生能源，具有十六烷值较高、含氧量高以及含硫量低等优点[6-11]，逐渐成为替代燃料领域的研究热点.另一方面，针对柴油机后处理技术的研究逐渐深入，其中颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）[12-15]是目前被公认为降低柴油机颗粒排放的有效手段.在DPF上游串联柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC），组成连续再生颗粒捕集器（continuous regeneration partic-ulate filter，CRPF），可以在200～300℃的排气温度下实现DPF再生，从而提升DPF的颗粒捕集效率.目前，国内外对于CRPF的研究主要集中在柴油机颗粒物的后处理方面[16-17]，对CRPF在生物柴油发动机后处理上的应用鲜有研究.

为了研究CRPF对生物柴油发动机尾气排放的净化效果，本文以某型高压共轨柴油机为研究对象，采用台架试验手段，对生物柴油发动机连接CRPF后的颗粒及氮氧化物排放特性进行研究，为生物柴油发动机的颗粒及氮氧化物排放协同控制提供依据.

1 试验系统介绍

试验台架如图1所示，包括试验样机、颗粒及气态污染物分析系统以及数据采集系统.

图1 发动机台架试验系统示意图Fig.1 Schematic of engine bench system

1.1 试验样机及燃料

试验样机为某型高压共轨重型柴油机，技术参数如表1所示.

表1 试验样机技术参数Tab.1 Technical parameters of SC9DF diesel engine

试验所用的燃料为质量分数为80％的纯柴油与质量分数为20％的生物柴油掺混得到的混合燃料，记为BD20，理化性质如表2所示.

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

1.2 后处理系统

后处理系统为CRPF连续再生颗粒捕集器，由DOC与DPF串联组成，如表3所示为DOC与DPF技术参数.

表3 后处理系统技术参数Tab.3 Technical parameters of after-treatment system

1.3 测试仪器及试验方法

发动机台架控制系统由AVL-PUMA全自动试验控制台、AVL-ATA 404电力测功机及台架辅助设备组成，试验方案为欧洲ESC十三工况测试循环（见表4）及外特性、负荷特性稳定工况.表4中，N为转速，L为负荷比，t为运行时间.

采用美国TSI公司的3090型发动机废气排放颗粒粒径谱仪EEPS，对最大转矩转速为1 400r/min和标定转速为2200r/min的稳态工况时的颗粒数量进行采集及分析.该仪器可以对粒径为5～560nm的颗粒物粒子数密度进行测试，并同步输出32个粒径通道的测试结果.此外，采用AVL AMA i60气体排放分析仪对稳定工况下的试验样机NOx排放进行测试.

表4 ESC十三工况测试循环Tab.4 ESC test cycle

采用AVL-SPC472部分流颗粒采样系统，在ESC测试循环下对颗粒物中多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）进行采样，测试循环结束后用Sartorius CP2P-F精密电子天平对颗粒样品称重，并采用美国Finnigan公司的Voyager气相色谱-质谱联用仪及NIST标准质谱库对多环芳烃成分进行分析.

2 试验结果分析

2.1 颗粒排放特性

2.1.1 颗粒质量 如表5所示为试验样机燃用BD20混合燃料时，ESC测试循环下原机与连接CRPF后的颗粒排放因子.

试验样机燃用BD20后，颗粒排放因子为0.013 8 g/（k W·h），已经满足欧V-ESC测试循环法规要求（小于0.02 g/（k W·h）），然而与欧VI法规要求（小于0.01 g/（k W·h））尚存在差距.当发动机连接CRPF后，颗粒排放因子下降至0.002 5 g/（k W·h），与不采用后处理装置时相比，降幅达81.9％，这表明CRPF对生物柴油发动机的颗粒排放因子具有显著的降低作用，且在ESC测试循环下，试验样机颗粒排放因子已可以满足欧VI法规要求.2.1.2 粒子数密度 如图2所示为试验样机按外特性运行时，在最大转矩转速1 400r/min及标定转速2200r/min下，CRPF对排气颗粒数量的影响.图中，n为粒子数密度，原机表示试验样机未连接CRPF.

从图2可以看出，外特性下，当试验样机转速为1 400及2200r/min时，n均呈现核态（粒径Dp＜50nm）及聚集态（50nm＜Dp＜1000nm）的双峰分布，n峰值量级为107～108，且聚集态粒子数密度峰值高于核态粒子数密度峰值.当试验样机连接CRPF 后，粒子数密度呈现多峰分布，在8、20、100nm附近出现多个峰值，这表明CRPF对不同粒径颗粒的捕集效果不同.大部分粒径下，粒子数密度低于原机，n峰值降至106～107.

如图3所示为试验样机原机按负荷特性运行时，在最大转矩转速1 400r/min及标定转速2200r/min下，原机及连接CRPF后总颗粒、核态颗粒（Dp＜50nm）及聚集态颗粒（50nm＜Dp＜1000nm）粒子数密度的对比.

图2 试验样机排气颗粒数量粒径分布Fig.2 Number concentration distribution of PM emitted

从图3（a）、（b）可以看出，当试验样机运行在1 400r/min转速时，原机总粒子数密度随负荷上升呈现先降低、后升高的趋势，粒子数密度峰值的数量级为107～108.当转速升高至2200r/min时，粒子数密度峰值的数量级上升至108～109.当试验样机连接CRPF后，各负荷下粒子数密度有所下降：当转速为1 400r/min时，不同负荷下采用CRPF可以使总粒子数密度分别下降67.9％、54.6％、68％、71.4％、91.5％；当转速为2200r/min时，粒子数密度降幅分别为86.9％、91.6％、94.9％、96.0％、98.6％.可以看出，当试验样机运行在高转速高负荷区域时，CRPF对颗粒的捕集效果较好；当试验样机运行在低转速中低负荷区域时，CRPF的捕集效率不理想.这是由于在高转速高负荷下，发动机的排气温度较高，有利于DPF再生，从而提升捕集效率.

图3 试验样机排气粒子数密度及CRPF捕集效率Fig.3 Number density of emitted particles and trapping efficiency of CRPF

由图3（c）～（f）可以看出，CRPF对聚集态颗粒的捕集效果优于核态颗粒：当转速为1 400r/min 时，采用CRPF可以使核态粒子数密度平均下降62.04％，而聚集态粒子数密度平均下降83.92％；当转速为2200r/min时，采用CRPF可以使核态粒子数密度平均下降91.95％，而聚集态粒子数密度的平均降幅为96.4％.造成该现象的原因如下：核态颗粒组分主要为可溶有机成分（soluble organic fractions，SOF）及硫酸盐；聚集态颗粒由碳颗粒聚团并吸附硫化物及碳氢化合物等半挥发性物质形成.在试验样机连接CRPF后，在DOC作用下，聚集态颗粒表面吸附的半挥发性物质被氧化，促使粒径分布向小粒径方向发展；另一方面，CRPF连续再生过程中产生的NO2具有极强的氧化性，导致排气中的SO2氧化并形成SO3，使得硫酸盐颗粒数量增多.

2.1.3 多环芳烃排放 在柴油机排气颗粒中，多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）被认为有很强的致癌作用，对人体危害很大，因此在分析颗粒质量、颗粒数量的基础上，进一步对PAHs排放进行分析.

在试验过程中，排气颗粒中总共检测到20种PAHs成分，分别为：危烯（Acpy）、危（Acp）、芴（Flu）、菲（Phe）、蒽（Ant）、荧蒽（Flua）、芘（Pyr）、苯并[g，h，i]荧蒽（BghiF）、苯[cd]芘（BcdP）、苯并[a]蒽（BaA）、（Chr）、苯并[b]荧蒽（BbF）、苯并[k]荧蒽（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所示为试验样机按ESC测试循环运行时，原机及连接CRPF后，上述20种PAHs排放质量m的对比情况.

从表5可以看出，在试验样机连接CRPF后，PAHs排放质量出现了明显下降：原机PAHs排放质量为940 ng，连接CRPF后PAHs排放质量下降至79.4 ng，降幅达91.5％；在20种PAHs组分中，除苯并[a]蒽及排放质量略有上升外，其余18种均降低.可以看出，CRPF对排气颗粒中的PAHs成分具有显著的净化效果.

表5 不同条件下PAHs排放质量Tab.5 Mass of PAHs emitted under different conditions

2.2 NOx排放特性

如图4所示为不同工况下，试验样机原机与连接CRPF后NOx排放质量分数的对比.可以看出，试验样机连接CRPF后，NOx排放降低：外特性下，连接CRPF后NOx平均降幅为16.69％；1 400及2200r/min负荷特性下，NOx平均降幅分别为15.93％、14.69％.从试验结果可以看出，CRPF对试验样机NOx排放有一定的净化作用，然而作用效果不明显.这是由于柴油机NOx的主要成分为NO，当排气流经DOC时，DOC会将部分NO氧化成NO2，而NO2经过DPF再生过程后转化为N2排出.在DOC氧化反应中，柴油机气态排放物CO、THC及NO在催化剂活性位上存在竞争吸附关系，而NO的氧化动力极低[18-19]，NO发生氧化反应的前提是排气中CO、THC被氧化至极低水平，而DPF对NO几乎没有净化作用，这使得在NOx排放中仅有少部分NO参与氧化反应，导致NOx降幅不明显.

图4 试验样机NOx排放对比Fig.4 Comparison on NOxemission of test engine

3 结 论

（1）当试验样机燃用BD20时，连接CRPF可以使ESC测试循环下颗粒排放因子下降81.9％，试验样机颗粒排放因子可以满足欧VI法规.

（2）试验样机连接CRPF后，稳态工况下排气粒子数密度下降.CRPF对颗粒的捕集效率与试验样机运行工况有关：在高转速高负荷下，CRPF捕集效率较高；在中等转速、中低负荷下，CRPF捕集效率不理想.此外，CRPF对聚集态颗粒的捕集效果优于核态颗粒.

（3）与原机相比，CRPF可以降低颗粒中PAHs的质量，降幅达91.5％.除四环苯并[a]蒽外，其余PAHs组分的排放质量均低于原机.

（4）CRPF对试验样机NOx的排放作用有限：与原机相比，连接CRPF后，样机NOx排放下降，但降幅较小.

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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.浙江大学学报（工学版）网址：www.journals.zju.edu.cn/eng

国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2012AA111720）.

方奕栋（1986—），男，博士后，从事柴油机后处理技术的研究.ORCID：0000-0002-2555-9252.

E-mail：fangyidong8688@163.com

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