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DOC+CDPF對燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)排放性能影響

2019-12-14 01:12:58陳東東張翠平張瑞亮
中國測試 2019年11期
關(guān)鍵詞:燃用后處理柴油機(jī)

陳東東,張翠平,張瑞亮

(太原理工大學(xué)車輛工程系,山西 太原 030024)

0 引 言

隨著礦產(chǎn)采集技術(shù)越來越成熟,井下無軌輔助運(yùn)輸車輛因具有效率高、機(jī)動性強(qiáng)、靈活性高等特點(diǎn),使其應(yīng)用范圍越來越廣泛,礦用防爆無軌運(yùn)輸車輛將會成為未來礦井下的必需品[1]。但由于井下工作特殊條件的限制,對無軌運(yùn)輸系統(tǒng)動力總成的排放性能有一定的特殊要求。MT990-2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中規(guī)定,排氣未經(jīng)稀釋CO和NOx排放濃度不應(yīng)超過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)或使用清潔替代燃料很難滿足礦用防爆柴油機(jī)的排放要求,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)越來越成熟,為防爆柴油機(jī)的尾氣凈化帶來了新的方法,采用DOC+CDPF的后處理技術(shù)可以顯著降低排放水平[4]。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于DOC+CDPF對普通柴油機(jī)排放性能的影響的研究,DOC+CDPF+SCR耦合設(shè)備可以使重型柴油機(jī)排放物PM和NOx滿足國V排放標(biāo)準(zhǔn)[5],NOx基于壁流式的DPF設(shè)備溫度低于450 ℃時(shí)也可以發(fā)生反應(yīng)[6],其中DOC+CDPF對THC和CO凈化起主導(dǎo)作用[7],比單獨(dú)的DOC具有更好的減排效果,在不同的駕駛條件下性能更加穩(wěn)定[8];同時(shí)能明顯降低燃用生物柴油的柴油機(jī)顆粒物排放和粒子數(shù)密度,NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)小幅下降[9-10],燃用B5生物柴油/0#混合燃料時(shí),DOC+CDPF對CO、HC和PM的轉(zhuǎn)化效率都是先增加后減少[11]。只有DOC出口溫度較高時(shí),DPF主動再生才能及時(shí)[12],加裝DOC和POC的柴油機(jī),燃用甲醇/柴油雙燃料使得柴油機(jī)的非常規(guī)排放物較0#純柴油多[13]。綜上可知,DOC+CDPF能夠有效地降低常規(guī)發(fā)動機(jī)燃用0#柴油、生物柴油和甲醇與柴油混合燃料的排放物,但對燃用F-T(Ficher-Tropsch合成)柴油的防爆柴油機(jī)上的排放性能的研究卻很少,也沒有對比分析后處理設(shè)備對分別燃用這兩種不同燃料時(shí)的轉(zhuǎn)化性能。

基于發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)平臺,對防爆柴油機(jī)原機(jī)(加裝了進(jìn)氣阻火器、排氣阻火器和水洗箱)和在此基礎(chǔ)上加裝DOC+CDPF后處理設(shè)備兩種情況進(jìn)行試驗(yàn)研究,以此來分析DOC+CDPF耦合設(shè)備對燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)性能的影響,及對燃油0#柴油和F-T柴油時(shí)尾氣的轉(zhuǎn)化效率,為DOC+CDPF在燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)上的應(yīng)用提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)為一臺直列四缸、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)過程基于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)室臺架進(jìn)行,臺架系統(tǒng)布置如圖1所示。試驗(yàn)所用測試設(shè)備主要有:ET2000發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)、DW320 型電渦流測功機(jī)、AVL DICom 4000五組份尾氣排放分析儀、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)

圖1 發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)

燃料F-T柴油和0#柴油的主要理化參數(shù)見表2。

表2 燃料理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行11工況點(diǎn)和負(fù)荷特性試驗(yàn),11工況點(diǎn)是根據(jù)煤礦井下防爆柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,MT220-90《煤礦用防爆柴油機(jī)械排氣中一氧化碳、氮氧化物檢驗(yàn)規(guī)范》提出在11點(diǎn)工況下進(jìn)行防爆柴油機(jī)排放性能的測定,具體檢測工況見表3。負(fù)荷特性選取 1 400 r·min-1和 1 800 r·min-1,負(fù)荷分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100% 10個負(fù)荷點(diǎn),主要測量發(fā)動機(jī)尾氣排放參數(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)見表4。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 排放特性對比

2.1.1 CO 排放

內(nèi)燃機(jī)排氣中的CO是烴燃料在燃燒過程中生成的中間產(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。

表3 礦用防爆柴油機(jī)排氣檢測工況

表4 DOC與CDPF參數(shù)1)

圖2為防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF的CO排放對比圖。由圖可知,原機(jī)燃用F-T柴油時(shí),在中低負(fù)荷時(shí)CO的排放量很低,只有在全負(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,第4和第7工況點(diǎn)CO排放最惡劣。加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF后,防爆柴油機(jī)的CO排放明顯降低,平均降低100%。

圖2 CO排放對比

究其原因,DOC+CDPF耦合設(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)生化學(xué)反應(yīng),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。在滿負(fù)荷4和7工況時(shí),盡管CO排放惡劣,但隨著負(fù)荷的逐漸升高,排氣溫度升高,后處理設(shè)備對CO的氧化效果也隨著溫度的升高而變好。所以,加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF耦合設(shè)備后對CO排放的改善效果明顯。

2.1.2 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的主要來源。

圖3為防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF的NOx排放對比圖。由圖可以看出原機(jī)燃用F-T柴油和加后處理設(shè)備燃用F-T柴油NOx排放的變化趨勢基本一樣,一定轉(zhuǎn)速下隨著負(fù)荷的增加,NOx的排放量不同程度的都顯著增加,加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF后,燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)的NOx排放平均降低8.5%,在7到11工況點(diǎn),不降反增。

圖3 NOx排放對比

究其原因,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。加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF后,因?yàn)楹筇幚碓O(shè)備進(jìn)行了催化反應(yīng),在低速和中低負(fù)荷條件下,由于排氣溫度較低,氮氧化物為經(jīng)過后處理設(shè)備后會發(fā)生如下反應(yīng):

但由于溫度較低,反應(yīng)不會很劇烈,所以NO排放會略微降低,在第4工況點(diǎn),由于滿負(fù)荷排氣溫度較高,NO排放降低較明顯。在高速或中高負(fù)荷時(shí),由于排氣溫度過高,氮氧化物經(jīng)過后處理設(shè)備時(shí)會發(fā)生如下反應(yīng):

高溫條件下,導(dǎo)致生成更多的NO,又加裝后處理DOC+CDPF耦合設(shè)備后,在高速或中高負(fù)荷時(shí),排氣背壓變大,排氣溫度也變大,由熱NO的生成條件可知,NO生成量增加。

2.1.3 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3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,碳煙主要是長碳鏈分子在特定環(huán)境下裂解形成。

圖4為燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)原機(jī)與加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF的PM排放對比圖。由圖可以看出,兩者的變化規(guī)律一致,并且隨著負(fù)荷的增加,PM的排放量逐漸升高;加裝后處理設(shè)備DOC+CDPF后,防爆柴油機(jī)的PM排放明顯降低,不透光煙度平均降低81.5%,在第4和第7工況降低效果尤為明顯。

圖4 PM排放對比

究其原因,隨著負(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。后處理設(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并沒有發(fā)生反應(yīng),后處理設(shè)備CDPF也含有貴金屬氧化催化劑,用來降低被動再生溫度,當(dāng)尾氣經(jīng)過CDPF時(shí),經(jīng)過壁流式蜂窩陶瓷過濾體時(shí),進(jìn)行捕集,當(dāng)溫度達(dá)到 200℃時(shí),開始被動再生,使用 DOC+CDPF耦合設(shè)備時(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排放。

2.2 DOC+CDPF系統(tǒng)對燃用0#柴油和F-T柴油防爆柴油機(jī)排放的影響

2.2.1 NOx排放

圖5為加裝后處理DOC+CDPF的防爆柴油機(jī)燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)的NOx排放對比圖,由圖可知,在定轉(zhuǎn)速下,隨負(fù)荷的增大,燃用0#柴油和燃用F-T柴油的NOx排放變化趨勢一致,都呈現(xiàn)先快速升高,中等負(fù)荷時(shí)緩慢升高,高負(fù)荷時(shí)再快速升高,但在 1 800 r·min-1@80% 負(fù)荷時(shí),NOx排放突然開始降低。在 1 400 r·min-1負(fù)荷特性下,在低于70%負(fù)荷燃用F-T柴油時(shí)NOx排放低于燃用0#柴油,在高于70%負(fù)荷時(shí),NOx高于燃用0#柴油時(shí)。在 1 800 r·min-1負(fù)荷特性下,燃用 F-T柴油時(shí)NOx排放全負(fù)荷工況下都低于燃用0#柴油時(shí)。

圖5 NOx排放對比

圖6為加裝后處理DOC+CDPF的防爆柴油機(jī)燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)的NOx降低百分比對比圖,由圖可知,在 1 400 r·min-1負(fù)荷特性下,燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)都會出現(xiàn)負(fù)降低率的情況,其中燃用F-T柴油時(shí),負(fù)降低率的情況更加明顯;在1 800 r·min-1負(fù)荷特性下,燃用 0#柴油和 F-T 柴油時(shí)也都會出現(xiàn)負(fù)降低率的情況,但只出現(xiàn)在高等負(fù)荷時(shí),整體燃用0#柴油時(shí)的降低率偏高。

2.2.2 PM 排放

圖6 NOx降低百分比對比

圖7為加裝后處理DOC+CDPF的防爆柴油機(jī)燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)的PM排放對比圖,由圖可知,在 1 400 r·min-1負(fù)荷特性下,燃用 0#柴油和F-T柴油時(shí)防爆柴油機(jī)的PM排放量都隨負(fù)荷的增大而呈現(xiàn)先降低后升高再降低的變化規(guī)律,加后處理設(shè)備后,燃用F-T柴油時(shí)PM排放比燃用0#柴油時(shí)整體都偏高,但總排放量依然處于很低的水平。在 1 800 r·min-1負(fù)荷特性下,加裝后處理設(shè)備后燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)PM排放量隨負(fù)荷的增大呈現(xiàn)基本相同的規(guī)律。

圖7 PM排放對比

圖8為加裝后處理DOC+CDPF的防爆柴油機(jī)燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)的PM降低百分比對比圖,由圖可知,在 1 400 r·min-1和 1 800 r·min-1負(fù)荷特性下,燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)PM的降低率都為正的,整體上燃用0#柴油時(shí)比燃用F-T柴油時(shí)的降低率高,隨著負(fù)荷的增大,后處理的轉(zhuǎn)化效率基本呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。盡管DOC+CDPF更適合降低燃用0#柴油時(shí)的PM排放,但由于F-T柴油自身的特性使得PM排放本身較低,通過后處理后進(jìn)而更低,完全符合防爆柴油機(jī)的使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 PM降低百分比對比

3 結(jié)束語

1)后處理設(shè)備DOC+CDPF能降低燃用F-T柴油的防爆柴油機(jī)的CO和NOx氣相排放物和PM固相排放物,其排放變化規(guī)律基本一致,對CO的降低效果非常明顯,完全滿足防爆柴油機(jī)使用要求。

2)DOC+CDPF耦合設(shè)備在第4(最低工作轉(zhuǎn)速 1 000 r·min-1@100% 負(fù)荷)和第 7(最大扭矩轉(zhuǎn)速 1 500 r·min-1@100% 負(fù)荷)工況時(shí) CO 和 PM 排放降低尤為明顯。

3)防爆柴油機(jī)在第4和第7工況點(diǎn)的時(shí)候,CO、NOx和PM排放最差,防爆柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)該避開這兩個工況。

4)在 1 400 r·min-1和 1 800 r·min-1負(fù)荷特性下,燃用0#柴油和F-T柴油時(shí)NOx的降低率有正有負(fù),PM的降低率都為正,整體上燃用0#柴油時(shí)比燃用F-T柴油時(shí)的降低率高。

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