生物柴油對連續再生DPF再生平衡溫度的影響

高國有，陳 韜，回 春

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

近年來，隨著環境污染問題的日益突出，汽車的排放法規越來越嚴格，為滿足國Ⅵ和歐Ⅵ汽車排放標準對顆粒物（Particulate Matter，PM)排放的要求，汽車必須在發動機排氣系統中安裝DPF。DPF是目前公認的最有效的PM后處理凈化裝置[1]，能有效降低發動機PM排放，但DPF壓降會隨著過濾體中PM累積而增加，因此需要對DPF實施再生，減少DPF壓降對發動機動力性和經濟性的影響[2-3]。

DPF再生需要燃燒或氧化DPF過濾體中累積的含碳量高的PM[4-6]，需要增加過濾體溫度以達到PM的起燃溫度，或者使用催化劑降低PM起燃溫度至發動機的排氣溫度范圍。DPF催化再生是一種連續再生方式，通過將排氣中NO催化轉化為NO2，促進DPF再生，同時利用氧化催化劑降低PM起燃溫度，最終實現DPF完全再生。對于連續再生DPF而言，PM起燃溫度、NO催化為NO2的溫度以及DPF中PM積累和氧化平衡溫度點是3個關鍵的溫度變量[6]。其中，PM起燃溫度和NO催化轉化溫度主要取決于催化劑特性，屬于普遍屬性。PM積累和氧化的平衡溫度點是指在該溫度下DPF中PM積累速率等于氧化速率，需要發生在足夠低的溫度下，以適合典型柴油車輛工況范圍內的排氣溫度范圍。因此，這是一個尤為重要的溫度變量，決定柴油機DPF是否有能力滿足柴油發動機尾氣排放法規的要求。因為平衡溫度點取決于發動機排放和操作工況參數，其不是DPF的普遍屬性，已有的研究表明DPF平衡溫度點在不同的工作過程中是不一致的，其結果的可重復性一直是連續再生DPF的研究熱點[6-7]。

生物柴油具有可再生性，能減少溫室氣體排放，抑制煙塵的形成，已經作為替代柴油的燃料而被各國學者廣泛研究[8-10]。生物柴油是以油料作物、廢棄油脂等為原料通過酯交換工藝制成的液體燃料，具有十六烷值高、潤滑性好、可再生性等優點[11-12]，無需改動柴油機可直接使用[13-14]。國內外大量的研究表明，現代柴油機使用生物柴油作為燃料能直接減少污染物的排放，特別有利于減少PM和CO2的排放[5,15-16]，此外，生物柴油還可以降低DPF中微粒的燃燒溫度[17]。

綜上所述，生物柴油作為替代燃料可以在柴油機上直接使用，柴油機燃油性質的變化會影響柴油機的排放和工況，從而改變后處理系統中DPF的再生平衡溫度點。本研究將分別采用石化柴油和生物柴油作為柴油機燃料，通過臺架試驗對比分析不同工況下連續再生DPF的再生平衡溫度點，研究生物柴油對再生平衡溫度特性的影響。

1 試驗裝置及方法

試驗采用的發動機為渦輪增壓共軌柴油機，所用的燃料為滿足國Ⅴ標準的石化柴油和生物柴油，試驗總體裝置如圖1所示。試驗主要設備包括AVL電渦流臺架測試系統、數據采集系統、排氣分析儀系統和發電機電控單元（ECU）。其中，AVL電渦流臺架測試系統用于控制發動機工況、燃料流量、進氣條件等，數據采集系統用于監測發動機轉速和轉矩，以及進排氣系統、中冷器、燃油、機油等的溫度和壓力，排氣分析儀系統用于檢測排氣中的NO、NO2、NOx、CO、CO2、O2和煙度等的濃度，ECU可用于控制發動機的噴油量、噴油時刻、EGR率等參數。

圖1 試驗臺架示意圖

試驗采用壁流式連續催化再生DPF，DPF安裝在排氣管上，氧化催化轉換器（DOC）安裝在DPF上游，排氣系統的布局如圖2所示。在DPF前后端裝有壓力傳感器，可用于測量DPF壓差。排氣管上布置了3處排氣分析儀的取樣點進行排放分析，具體位置如圖2所示，取樣點1（SP1）位于發動機排氣出口處和DOC的上游，取樣點2（SP2）位于DOC下游和DPF系統的上游，取樣點3（SP3）位于DPF的下游。

圖2 后處理裝置示意圖

為研究連續再生DPF的再生平衡溫度，通過在試驗臺架上進行5個穩態工況的試驗循環，尋找DPF的再生平衡溫度點。試驗中，發動機轉速控制在中等轉速2 000 r/min，初始轉矩為10 Nm，每20 min發動機轉矩增加50 Nm，發動機的工況變化見表1。在同等工況試驗中，關閉發動機的EGR，消除廢氣再循環對試驗工況的影響。在同等排氣狀態的試驗中，開啟EGR，通過ECU調整發動機參數和EGR率，保證兩種燃料的排氣狀態保持一致。

在每個循環試驗之初，必須對DPF中的PM進行完全清除，每次試驗循環開始前，需要將試驗所用DPF放置在650℃的電烤箱內20 min，使殘留PM再生完全。DPF完全再生后，將DPF裝置在排氣管上，發動機在臺架上以轉速3 000 r/min和BMEP 700 kPa的工況運行1.5 h，收集PM，DPF中PM的加載量大約為6 g/l，從而保證DPF中PM加載量的初始狀態一致。PM加載完成后，裝載DPF的發動機在2 000 r/min轉速下，從低轉矩到高轉矩開始運行，試驗在石化柴油和生物柴油兩類燃料間重復進行。

表1 試驗工況發動機參數

2 試驗結果和分析

2.1 同等工況試驗

柴油機DPF可以有效降低PM排放，但在發動機運行幾百公里或工作幾小時后，DPF需要采用適當的策略進行再生，DPF再生之間的時間間隔完全取決于發動機的工作條件。在一些特定工況下，發動機排氣溫度較高，DPF再生可以自發完成。

柴油機DPF的 BET是實現DPF連續再生和衡量DPF壓降變化的關鍵，通過增加發動機轉矩，提高排氣溫度，分析連續再生DPF壓差變化，可以有效評估BET。在低轉矩穩定工況下，發動機排氣溫度很低，一般小于300℃，排氣背壓隨著PM積累而增加。當轉矩升高時，排氣溫度不斷增加，DPF中過濾的PM開始氧化，當PM氧化速率超過積累速率時，DPF壓差減少。

圖3為5個穩定工況的循環試驗中石化柴油和生物柴油兩種燃料的DPF壓差、排氣溫度和發動機轉矩的變化特性。由圖3b可知，在工況1中，由于發動機排氣流量相對較低，DPF的壓降也較低。由圖3c可知，發動機開始運行時兩種燃料的排氣溫度都低于200℃，雖然在工況1中DPF壓降增加幅度很小，但卻在持續地增加，這主要是由于排氣溫度低時，DPF中的PM幾乎沒有發生氧化，PM一直處于累積狀態。

圖3 同等工況發動機轉矩及排氣變化特性

在工況2中，隨著發動機轉矩增加，DPF壓降隨著排氣流量的增加而增大，此時，雖然排氣溫度有所上升，但兩種燃料的排氣溫度都小于300℃（圖3c），DPF中PM沒有急劇氧化，整個工況中壓降變化平緩。

隨著發動機轉矩增加至110 Nm（工況3），排氣溫度和流量進一步增加，DPF壓降也增加，如圖3c所示，石化柴油的排氣溫度為350℃左右，生物柴油的排氣溫度超過330℃。隨著排氣溫度的升高，PM氧化加快，壓降曲線變化規律也隨之改變，壓降開始隨著轉矩激增至110 Nm，隨后開始變得平坦，然后開始下降。

在工況4中，隨著轉矩進一步增加，排氣溫度不斷提高，DPF進入完全再生模式，DPF壓降迅速下降（圖3c）。這是由于PM氧化速率開始高于捕集速率，DPF中PM加載量和壓降都開始降低。

在工況5中，排氣溫度和流量進一步提高，DPF再生繼續進行。

通過觀察圖3中兩種燃料試驗結果的區別，可以明顯地發現，在工況2（從1 200 s到2 400 s）中，生物柴油發動機的DPF壓差保持恒定，基本維持在5.8 kPa左右，這說明生物柴油發動機DPF中PM的氧化速率已經開始等同于捕集速率。而此時柴油發動機的DPF壓差略微升高，從7.2 kPa提高至8.1 kPa，這說明柴油發動機的DPF中PM還處于累積階段。

PM氧化和捕集速率的變化可以通過計算壓差與溫度的斜率獲得， BET可以通過分析每個步驟壓差與溫度的斜率獲得，斜率為正，DPF中PM捕集速率大于氧化速率，相反如果斜率是負的，則PM氧化速率大于捕集速率。計算后DPF壓差斜率和排氣溫度曲線的斜率如圖4所示，曲線通過壓差斜率為0時對應的橫軸排氣溫度認定為再生平衡溫度。

從圖4中兩類燃料的壓差斜率變化可以看出，石化柴油的BET出現在約310℃時，生物柴油的BET出現在約250℃，生物柴油連續再生DPF的BET明顯低于石化柴油，這主要是因為生物柴油排氣中NOx的排放水平較高，有利于PM氧化反應的進行[18]。

圖4 DPF壓差斜率變化規律

通過上文的分析可知，在相同發動機工況下，生物柴油能降低連續再生DPF的再生平衡溫度，然而，生物柴油相比石化柴油具有不同的化學和物理特性，特別是生物柴油凈熱值較低，這意味著發動機輸出相同功率，需要注入更多的燃料。上文分析了發動機功率相同和沒有EGR介入的情況下，石化柴油和生物柴油的連續再生DPF再生平衡溫度的試驗研究過程，為了保證發動機燃用生物柴油或者石化柴油能達到相同的輸出功率，必須針對不同燃料進行校準。因此，試驗中使用生物柴油時，發動機大部分參數（如進氣量、增壓壓力、燃料噴射量等）與使用石化柴油時的情況是不同的。

圖5為相同發動機工況和沒有EGR介入的情況下，兩種燃料的發動機進氣量、增壓壓力和燃料消耗的試驗結果。由圖5可知，在同工況BET測試試驗中，兩種燃料發動機的進氣量、增壓壓力和燃料消耗區別非常明顯，生物柴油的燃油消耗量較高，而進氣量和壓力較低。這也證明同工況BET測試試驗中，雖然兩種燃料試驗DPF中累積的PM質量相同，但在整個測試循環過程中，發動機使用生物柴油時測量的DPF壓差一直較低。

圖5 同等工況發動機參數變化特性

2.2 同等排氣狀態試驗

上文的分析說明，在EGR不介入時，相同發動機工況下生物柴油和石化柴油的排放水平存在著區別，而大量的研究已經表明發動機排放中NOx的含量對連續再生DPF中PM的再生影響非常明顯。因此，為評估發動機相同排放水平下DPF的BET，必須保證兩類燃料的排放溫度和NOx濃度保持一致。

試驗中通過ECU調整發動機參數以及EGR率，確保在工況1～4下，兩種燃料的輸出轉矩、排氣溫度和NOx濃度基本一致，具體如圖6所示。圖6中試驗結果的曲線顯示通過改變發動機參數和EGR率，兩種燃料的排放溫度和NOx排放濃度區別都很小，在同等排放狀態下，生物柴油的BET大約為310℃，而石化柴油的BET大約為350℃。在該試驗中，生物柴油和石化柴油的BET都升高了，這主要是由于為保證兩種燃料排放狀態一致，ECU對發動機參數的調整以及EGR的介入使兩種燃料排放的NOx都有所降低。

圖6 同等排氣狀態下發動機的排氣特性

2.3 生物柴油對排放的影響

在無EGR介入的同工況試驗中，在采樣點SP1、SP2和SP3利用排氣分析系統分別進行了排氣污染物CO、NO和NO2的采樣測量，在采樣點SP3利用不透光煙度計進行了排氣煙度的測量，通過對結果進行對比分析，可以發現兩種燃料會導致發動機的排放出現非常明顯的不同。圖7為兩種燃料CO排放結果的差異，其中，圖7a為石化柴油的CO排放結果，圖7b為生物柴油的CO排放結果。在工況1和2中，發動機出口SP1處生物柴油的CO排放較高，然后在其它工況下，CO排放迅速降低。除了工況1中，后處理系統中的DOC都能非常有效地將排氣中的CO氧化為CO2，CO轉換的效率達到90%以上。這是由于使用生物柴油時發動機在低轉矩工況下的排氣溫度很低，大約160℃，DOC中的催化劑在該溫度下還幾乎不能催化氧化CO。

圖7 不同采樣點CO排放濃度

圖8 NOx排放濃度

圖8為兩種燃料的NOx排放水平對比，相比石化柴油，生物柴油的NOx濃度在排氣中大幅增加25%左右。NO2作為DPF中PM再生所必需的氧化催化劑，排氣中NO2在NOx中的占比非常微小，其主要是通過催化排氣中的NO而生成的，排氣中NO2的濃度對PM的再生影響很大。通過對比不同工況下NOx中NO2/NOx的比例可以發現，在工況1和工況2中，NO2/NOx比率小于6%，其它工況下NO2/NOx比率都超過了20%，其中最大NO2/NOx比率（大約35%）是出現在工況3下，這說明該工況的排氣溫度350℃最有利于NO轉換為NO2。

3 結論

（1）在同等工況試驗下，與傳統石化柴油相比，生物柴油的燃油消耗量較高，而進氣量和壓力較低。石化柴油DPF的BET出現在約310℃時，生物柴油的BET出現在約250℃時，生物柴油連續再生DPF的BET明顯低于柴油。

（2）在同等排放狀態試驗下，生物柴油DPF的BET出現在310℃左右，石化柴油DPF的BET大約為350℃，生物柴油和石化柴油的BET因為NOx排放的降低而上升。

（3）在低轉矩工況下，發動機排氣溫度低，排氣中CO轉化率低，隨著轉矩增加，排氣溫度升高，CO轉換的效率明顯提高。低轉矩工況下，排氣中NO2/NOx比率很小，隨著轉矩和排氣溫度的升高，NO2/NOx比率增加，排氣溫度達到350℃時NO2/NOx比率最大。

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