DOC/CDPF对防爆柴油机性能的影响

陈东东，张翠平，张瑞亮，高 吉

（太原理工大学车辆工程系，山西 太原 030024）

1 引言

随着矿产采集技术越来越成熟，井下无轨辅助运输车辆因具有效率高、机动性强、灵活性高等特点，使其应用范围越来越广泛，矿井下防爆无轨运输车辆将会成为未来矿井下的必需品[1]。但是，由于井下工作特殊条件的限制，对无轨运输系统的动力总成都有一定的特殊要求。《MT990-2006矿用防爆柴油机通用技术条件》中规定，防爆柴油机的任一表面温度不得超过150℃，排气温度不得超过70℃；排气未经稀释CO和NOx排放浓度不应超过许可值0.1%和0.08%[2]。尽管防爆柴油机先进技术不断向前发展，但单纯的机内净化技术很难满足矿用防爆柴油机通用技术条件要求，因此，需要借助机外净化措施即加装后处理设备来实现防爆柴油机的排放控制[3]。最近几年，氧化型催化转换器（DOC）和催化型颗粒捕集器（CDPF）技术越来越成熟，为防爆柴油机的尾气净化带来了新的方法，采用DOC+CDPF的后处理技术可以显著降低排放水平[4]。国内外学者开展了大量关于DOC+CDPF对普通柴油机排放性能的影响的研究[5-10]，但对DOC+CDPF在防爆柴油机上的应用的研究却很少。

基于发动机台架试验平台，对防爆柴油机原机（加装了进气阻火器、排气阻火器和水洗箱）、加装DOC、加装CDPF、加装DOC+CDPF四种情况进行试验研究，以此来分析DOC、CDPF、DOC+CDPF对防爆柴油机性能的影响，为DOC和CDPF在防爆柴油机上的应用提供有效借鉴。

2 试验设备及方案

2.1 试验设备

试验所用发动机为一台直列四缸、水冷、自然吸气、直接喷射、单次喷射柱塞式机械泵防爆柴油机，该机主要技术参数，如表1所示。试验过程基于发动机试验室台架进行，台架系统布置，如图1所示。试验所用测试设备主要有：（1）ET2000发动机测控系统；（2）DW320 型电涡流测功机；（3）AVL DICom 4000 五组份尾气排放分析仪；（4）AVL DiSmoke 480不透光烟度分析仪。

表1 试验样机主要技术参数Tab.1 Main Specifications of the Engine

2.2 试验方案

根据GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》进行1400r/min（最大转矩转速）负荷特性测试试验，负荷分别选取10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%十个工况作为每一转速下的测量工况点。主要测量发动机燃油消耗率、排气压力和温度、尾气排放等参数。本试验所采用的后处理装置共有两种，分别是DOC和CDPF，具体参数，如表2所示。

图1 发动机测试系统Fig.1 Schematic of Test System

表2 DOC与CDPF参数Tab.2 Specifications of DOC and CDPF

3 试验结果分析

3.1 排放特性对比

3.1.1 CO排放

内燃机排气中的CO是烃燃料在燃烧过程中生成的中间产物，是燃油在气缸中不充分燃烧所致。柴油机的特征是燃油与空气混合不均匀，其燃烧总有局部缺氧和低温的地方，并且燃烧时间较短，导致不充分燃烧，从而生成CO。

防爆柴油机原机与加装后处理设备DOC和CDPF的CO排放对比图，如图2所示。由图2可见看出，在中低负荷时CO的排放量很低，只有在大负荷时，由于氧浓度变低和喷油后期的供油量增加，反应时间短，使CO急剧增加。

图2 CO排放对比Fig.2 The Comparison of CO Emission

加装后处理设备DOC、CDPF和DOC+CDPF后，防爆柴油机的CO排放明显降低，平均分别降低91.2%、85.3%和97.1%，并且随着负荷的增加，转换效率越好。这是因为低负荷时排气温度较低，而后处理设备DOC和CDPF在温度低于150℃时，其贵金属催化剂Pt和Pd基本不起作用；随着负荷的逐渐升高，排气温度升高，后处理设备对CO的氧化效果也随着温度的升高而变好。对于DOC+CDPF耦合设备，由于这两个设备内部都有贵金属催化剂涂层，为CO的氧化提供可更好的条件，同时由于前端DOC发生的化学反应，如表3所示。其反应是氧化反应放出热量，为CDPF中的CO氧化提供了高温环境。所以，加装后处理设备DOC、CDPF和DOC+CDPF后，CO排放均降低，并且加装DOC+CDPF耦合设备后对CO排放的改善效果优于单独使用DOC和CDPF时的效果。

表3 DOC和CDPF中的主要化学反应Tab.3 Main Chemical Reactions of DOC and CDPF

3.1.2 NOx排放

内燃机排气中的NOx主要有NO和NO2，通常主要研究NO。NO的来源有三种：（1）高温富氧条件下产生的热NO，也是尾气排放中NO的主要来源；（2）发生在预混合富燃料混合气中的激发NO，在尾气排放中占很小的成分；（3）燃料中自带的燃料NO，生成量也是很小。故在研究内燃机排气中的NOx是主要研究热NO含量。

防爆柴油机原机与加装后处理设备DOC和CDPF的NOx排放对比图，如图3所示。由图3可以看出随着负荷的增加，NOx的排放量不同程度的都显著增加，这主要是因为，随着负荷的增加，排气背压和排气温度都升高，可燃混合气的空燃比减小，高温高压环境导致NOx排放量增加。但当负荷超过一定值的时候，NOx排放量不增反降，这主要是因为缸内缺氧导致的燃烧恶化，高温和缺氧两条件对NOx的影响相互抵消，甚至超过高温的影响。

图3 NOx排放对比Fig.3 The Comparison of NOxEmission

加装后处理设备DOC和DOC+CDPF后，防爆柴油机的NOx排放明显降低，平均分别降低37.3%和25.5%，这主要不是因为后处理设备进行了催化反应，由表3可知，氮氧化为经过后处理设备只是把NO氧化成NO2，其总的NOx几乎不变，而是因为加装后处理设备后，影响了排气背压，进而影响了缸内燃烧，加装后处理DOC和DOC+CDPF耦合设备后，排气背压变小，排气温度也变小，由热NO的生成条件可知，NO生成量减少。但加装后处理设备CDPF后，防爆柴油机的NOx排放变化不大，平均降低2.5%，中低负荷时甚至高于原机。这主要是因为加装后处理设备CDPF后，排气背压升高，缸内燃烧恶化，燃烧产物在缸内停留时间增加，导致NOx生成量增加。

3.1.3 PM排放

柴油机颗粒物（PM）主要由干碳烟（DS）、可溶性有机物（SOF）和硫酸盐三部分组成，其中SOF占（35～45）%，产生于高温缺氧条件下的碳烟为PM的主要成分，碳烟主要是长碳链分子在特定环境下裂解形成。

防爆柴油机原机与加装后处理设备DOC和CDPF的PM排放对比图，如图4所示。由图4可以看出随着负荷的增加，PM的排放量逐渐升高，这主要是因为随着负荷的增加，空燃比和温度较高，创造了裂解和脱氢的有利条件，使碳烟排放增加。加装后处理设备DOC、CDPF和DOC+CDPF后，防爆柴油机的PM排放明显降低，不透光烟度平均分别降低13%、92.2%和96.8%，这是因为，后处理设备DOC含有Pt、Pd、Rh贵金属氧化催化剂，可以催化氧化PM中的一些SOF，从而降低PM的排放量，而与PM中的DS并没有发生反应，所以DOC降低PM排放量效果并不是很好；后处理设备CDPF也含有贵金属氧化催化剂，用来降低被动再生温度，当尾气经过CDPF时，经过壁流式蜂窝陶瓷过滤体时，进行捕集，当温度达到200℃时，开始被动再生，由于试验时间短，所以捕集效果好，且没有使发动机背压增加，若要长时间单独使用CDPF，会有堵塞过滤器的可能；同时加装DOC+CDPF耦合设备时，两者都涂有的贵金属催化剂提高了对PM的被动再生能力，同时前边的DOC所发生的氧化反应放出大量的热，为CDPF提供了高温环境，更有利于净化PM。

图4 PM排放对比Fig.4 The Comparison of PM Emission

3.2 燃油经济性对比

防爆柴油机原机与加装后处理设备DOC和CDPF的燃油消耗率对比图，如图5所示。由图5可见，加装后处理设备DOC、CDPF和DOC+CDPF后，油耗率分别平均降低5.4%、4.5%和5.5%。究其原因，主要是因为防爆柴油机和普通柴油机不同，加装后处理设备后，碳烟颗粒减少，波纹排气阻火器上附着的碳烟减少，排气通畅，排气背压减小，燃烧室残余废气减少，泵气损失变小，缸内燃烧改善，燃烧热效率增高。

图5 燃油消耗率对比Fig.5 The Comparison of Fuel Consumption

3.3 排气压力对比

防爆柴油机原机与加装后处理设备DOC和CDPF的排气压力对比图，如图6所示。由图6可以看出，单独加装CDPF设备使排气压力增加1.6%，这是因为CDPF设备采用了壁流式蜂窝陶瓷过滤体，柴油机尾气进入多孔蜂窝孔道后，由相邻的孔道流出，颗粒物被拦截在孔道的内表面，堆积成颗粒层，形成滤饼过滤，实现对颗粒物的过滤捕集，但由于温度，不能及时再生，所以单独加装CDPF设备时，排气压力增加。单独加装DOC和DOC+CDPF设备使排气压力减小，分别减少15.6%和36.4%。（1）防爆柴油机后端加装了排气阻火器，当不加后处理设备时，碳烟过多附着在排气阻火器上；（2）DOC采用的是蜂窝陶瓷载体，但与CDPF不同的是它是通孔结构，阻力较小；（3）当同时加装DOC和CDPF时，虽然CDPF会增加阻力，但由于DOC的反应提供了高温环境使CDPF可以再生，所以附着在排气阻火器上的碳烟较少，阻力减小。

图6 排气压力对比Fig.6 The Comparison of Discharge Pressure

3.4 排气温度对比

防爆柴油机原机与加装后处理设备DOC和CDPF的排气温度对比图，如图7所示。由图7可以看出，分别加装DOC、CDPF、DOC+CDPF后排气温度都有所降低，分别为15.6%、7.2%和14.2%，但影响并不是很大。

图7 排气温度对比Fig.7 The Comparison of Discharge Temperature

4 结论

（1）后处理设备DOC、CDPF和DOC+CDPF均能降低防爆柴油机的CO和NOx气相排放物，其中，DOC+CDPF耦合设备对降低CO效果最佳，而单独使用DOC对降低NOx排放物最佳，主要由于防爆柴油机的特殊结构。

（2）后处理设备DOC、CDPF和DOC+CDPF均能降低防爆柴油机的PM固相排放物，其中DOC+CDPF耦合设备效果最佳，而DOC对PM的降低效果不大。

（3）后处理设备DOC、CDPF和DOC+CDPF均能降低防爆柴油机的油耗率，改善防爆柴油机经济性，但影响不是很大。

（4）后处理设备DOC和DOC+CDPF均能不同程降低防爆柴油机的排气背压，而CDPF由于防爆柴油机的特殊结构使防爆柴油机排气背压增加，但后处理设备的增加都使排气温度有不同程度的降低，其中DOC降低程度最大。