DOC＋POC發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同基準(zhǔn)燃油尾氣排放研究

張瀟文，王鳳濱

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300162）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)目前已經(jīng)廣泛采用各種電控和排氣后處理等先進(jìn)技術(shù)以適應(yīng)更嚴(yán)格的法規(guī)要求。當(dāng)前DOC（柴油氧化催化器）結(jié)合DPF（顆粒物捕集器）或POC（顆粒物氧化催化器）的后處理裝置已成為中小功率柴油機(jī)滿足國(guó)Ⅳ排放要求所采用的主流技術(shù)路線［1］。這些技術(shù)對(duì)燃油品質(zhì)有很強(qiáng)的敏感性，燃油品質(zhì)任何一指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，都有可能影響排放。因此，在未來(lái)中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，燃油品質(zhì)問(wèn)題必然引起高度重視。

本研究以1臺(tái)國(guó)Ⅳ柴油機(jī)為研究對(duì)象，加裝DOC＋POC后處理裝置研究其燃用國(guó)Ⅲ柴油、國(guó)Ⅳ柴油、國(guó)Ⅴ柴油以及高硫柴油4種不同基準(zhǔn)柴油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的PM，HC，CO，NOx等污染物的排放特性。

1 原理

DOC集成在排氣管或消音器等排氣系統(tǒng)中，可去除50%～90%的CO和HC［2］以及部分顆粒物，可消除柴油燃料產(chǎn)生的乙醛氣味和黑煙。其化學(xué)反應(yīng)如下。

氧化HC和CO：

部分氧化SOF：

再生形成NO2：

硫酸鹽重要組成部分的形成：

POC用于捕捉并氧化發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的顆粒物。POC的結(jié)構(gòu)是一個(gè)多褶皺而不堵塞的通道，這種特殊的載體結(jié)構(gòu)使得排氣流體通暢的同時(shí)接觸面積廣，可以在保證背壓的同時(shí)捕捉部分顆粒物并在NO2的幫助下進(jìn)行再生。DOC將排氣中的NO轉(zhuǎn)化為NO2以提高排氣中NO2的濃度，而在POC中利用活性很大的NO2中的一個(gè)O來(lái)氧化顆粒中的C，以達(dá)到再生的目的。當(dāng)排氣溫度超過(guò)550℃時(shí)，POC中會(huì)發(fā)生再生反應(yīng)［4］，與柴油氧化催化器配合使用可去除50%～70% 柴油顆粒，并進(jìn)一步降低HC和CO排放。其化學(xué)反應(yīng)如下。

額外氧化HC和CO：

全部氧化SOF：

氧化炭煙（再生）：

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意見(jiàn)圖1，AMA i60氣體分析儀用于測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中柴油機(jī)的CO，THC，NOx排放，SPC 472用于采集顆粒物。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照GB l7691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ階段）》［5］，分別燃用國(guó)Ⅲ柴油、國(guó)Ⅳ柴油、國(guó)Ⅴ柴油以及高硫柴油對(duì)安裝DOC＋POC后處理裝置的國(guó)Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)（ESC）試驗(yàn)，ESC工況點(diǎn)見(jiàn)圖2，試驗(yàn)過(guò)程中記錄每個(gè)工況下CO，NOx和HC的排放情況。國(guó)Ⅲ柴油選用天津市售柴油，國(guó)Ⅴ柴油為北京市售柴油，國(guó)Ⅳ柴油和高硫柴油為中國(guó)石化生產(chǎn)的符合法規(guī)要求的基準(zhǔn)燃油。表2列出所用燃油主要特性參數(shù)。

表2 燃油主要特性參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 CO和HC排放

圖3示出國(guó)Ⅳ柴油機(jī)原機(jī)與加裝DOC＋POC后處理裝置后燃用4種不同基準(zhǔn)燃油的CO和HC排放曲線。由圖可知，在低負(fù)荷點(diǎn)，原機(jī)燃用4種不同種類燃油時(shí)，國(guó)Ⅳ柴油的CO和HC排放明顯高于其他3種柴油。這可能和國(guó)Ⅳ柴油餾出溫度最低有關(guān)。安裝DOC＋POC后處理裝置的國(guó)Ⅳ柴油機(jī)與原機(jī)相比，CO和HC排放降低非常明顯，除去怠速點(diǎn)，其他工況點(diǎn)CO和HC排放均接近于0。怠速工況下，由于排氣溫度低、混合氣少，CO不能充分燃燒成CO2，從而使CO排放高于其他工況點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算可得出，CO和HC的平均轉(zhuǎn)化效率隨著硫含量增加而降低，其中平均轉(zhuǎn)化效率最高者為國(guó)Ⅴ柴油，CO和HC的平均轉(zhuǎn)化效率分別為90.6%和86.6%，而平均轉(zhuǎn)化效率最低的則是高硫柴油，CO和HC的平均轉(zhuǎn)化效率分別為87.5%和59.7%。4種基準(zhǔn)燃油均在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷下轉(zhuǎn)化效率最高。這是因?yàn)槲矚饨?jīng)過(guò)DOC時(shí)，SO2發(fā)生氧化反應(yīng)生成SO3，會(huì)消耗一定的氧，從而對(duì)CO和HC的轉(zhuǎn)化不利，并且，燃油中的硫氧化、燃燒形成大量硫酸鹽，這些固態(tài)硫化顆粒物附著在POC催化器涂層無(wú)法清除，影響POC中催化劑的催化效果，使得氧不足，于是POC的額外氧化HC和CO的能力下降，導(dǎo)致HC和CO排放增加。

3.2 NOx 排 放

圖4示出原機(jī)與加裝DOC＋POC后處理裝置后燃用4種不同基準(zhǔn)燃油的NOx排放曲線。由圖可知，與原機(jī)相比，加裝DOC＋POC后處理裝置后NOx排放變化不大，多數(shù)工況點(diǎn)NOx排放不降反升，這表明不同基準(zhǔn)燃油對(duì)該機(jī)NOx的排放影響較小。

3.3 PM 排放

圖5示出了原機(jī)與加裝DOC＋POC后處理裝置后燃用4種不同基準(zhǔn)燃油的PM排放結(jié)果。由圖可知，隨著燃油硫含量的減少，原機(jī)和加裝DOC＋POC后處理裝置后的PM排放均下降，加裝DOC＋POC后處理裝置后下降明顯。加裝DOC＋POC后處理裝置后，在燃用高硫柴油、國(guó)Ⅲ柴油、國(guó)Ⅳ柴油時(shí)的PM排放高于原機(jī)，而在燃用國(guó)Ⅴ柴油時(shí)的PM排放卻明顯低于原機(jī)。經(jīng)計(jì)算可得出，該機(jī)加裝DOC＋POC后處理裝置燃用國(guó)Ⅴ柴油時(shí)，PM排放降低了81.8%，但在燃用高硫柴油時(shí)，PM排放增加了10.3%。一般認(rèn)為，PM主要是由炭煙、硫酸鹽和SOF組成，SOF占PM 的30%左右［6］。燃油中硫含量越高，排氣中硫酸鹽所占比例越大，導(dǎo)致尾氣中PM排放增加。在燃用高硫柴油、國(guó)Ⅲ柴油、國(guó)Ⅳ柴油時(shí)的PM排放高于原機(jī)，可能是由于這幾種燃油含硫量較高，硫氧化、燃燒形成大量的硫酸鹽，這些固態(tài)硫化顆粒物附著在POC催化器涂層無(wú)法清除，會(huì)使排氣壓力增大，惡化缸內(nèi)燃燒，而且會(huì)影響催化效果，引起催化器中毒而失去活性，從而使其PM排放增加。國(guó)Ⅴ柴油中硫含量很低，燃燒產(chǎn)生的硫酸鹽很少，不會(huì)影響排氣壓力和催化效果，因而可在催化劑的催化作用下使NO2分子鍵斷裂，產(chǎn)生的O與SOF反應(yīng)，生成CO2和H2O，從而排氣中的PM排放得到明顯改善。綜上所述，POC具有較強(qiáng)的硫敏感性，使用含硫量較高的燃油不會(huì)使PM排放得到改善，反而會(huì)增加PM排放。對(duì)符合要求的低含硫量燃油，PM排放改善明顯。

4 結(jié)論

a）燃油中的硫含量會(huì)影響DOC＋POC裝置對(duì)CO和HC的轉(zhuǎn)化效率，CO和HC的平均轉(zhuǎn)化效率隨著硫含量增加而降低；

b）加裝DOC＋POC后處理裝置后，不同基準(zhǔn)燃油對(duì)NOx的排放影響都較小；

c）加裝DOC＋POC后處理裝置后燃用國(guó)Ⅴ柴油時(shí)PM排放降低了81.8%，降幅較為明顯；隨著燃油硫含量的減少，加裝DOC＋POC后處理裝置前后的PM排放均下降；受燃油含硫量的影響，加裝DOC＋POC后處理裝置后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用其他3種高硫基準(zhǔn)燃油的PM排放沒(méi)有起到改善效果，反而有所增加。

［1］ 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.中國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展研究報(bào)告［R］.天津：中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，2008.

［2］ 周玉明.內(nèi)燃機(jī)廢氣排放及控制技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2001：132－139.

［3］ 艾華興，龐海龍，羅 濤，等.微粒氧化催化器與催化型燃油添加劑聯(lián)合降低重型柴油車微粒排放的試驗(yàn)研究［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009（6）：66－69.

［4］ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 17961─2005 車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 階段）［S］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

［5］ 丁 焰，葛蘊(yùn)珊，王軍方，等.生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放的理化特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31（3）：39－43.