1 引言(Introduction)

柴油颗粒氧化催化转换器(POC，Particle Oxidation Catalyst)是一种针对柴油机颗粒物排放的排气后处理器，用以捕集并氧化柴油机排气中的颗粒物，与后处理系统配合使用，可将90%以上的CO和THC转化成H₂O和CO₂(Matsumoto et al., 2003; 霍少锋，2010).虽然POC对颗粒的转化效率不如颗粒捕集器(DPF，Diesel Particle Filter)，但其具有成本低，标定过程简单，不需要主动再生，可靠性好等优点(李树会，2008).POC一般与DOC组合使用以降低再生温度(管伟等，2012)，单独POC及DOC+POC组合，均能显著降低CO、THC的排放(马志豪等，2013)，但对NO_x排放总量几乎没有影响(王凤滨等，2011).由于POC对纯柴油发动机的颗粒物净化效率有限，难以满足国Ⅳ以上排放法规的要求，所以单纯的POC已经不被传统柴油机采用作为后处理装置.但对于柴油甲醇组合燃烧(DMCC)发动机而言，由于甲醇大量替代柴油，甲醇自身无烟无焰及不含硫的特点，并且甲醇以均质混合气参与燃烧，部分地改变了纯柴油机的扩散燃烧模式，使POC与DOC耦合可以将甲醇掺烧后的柴油甲醇二元燃料燃烧模式(DMDF)的排气烟度平均净化效率在60%以上，最大达到96%(姚春德等，2014).DMDF模式下，无后处理的甲醛和甲醇排量明显升高，采用DOC/POC组合处理后，对甲醇和甲醛的催化效率均超过94%，对苯和甲苯的催化效率均超过75%(姚春德等，2015).针对目前对POC的研究大部分是采用POC与DOC耦合方式，而DOC需要大量的贵重金属，为了降低发动机制造成本，单独使用POC对发动机排放影响的研究较少.为此，本研究探讨单独使用POC，通过对其结构参数对DMCC发动机排放的影响开展研究，以使后处理器对柴油机排气处理达到最佳效果，并为POC的选择提供依据.

2 试验和方法(Experiment and methods)

试验所用发动机为玉柴YC4D系列直列4缸增压中冷、电控单体泵柴油机，其主要技术参数如表 1所示.

在该柴油机进气总管上安装喷醇器，甲醇与增压后的空气形成均质混合气喷入气缸，以此实现柴油甲醇双燃料模式，甲醇的喷射量和喷射时刻由单独的电控单元(ECU)控制，试验发动机台架系统如图 1所示.

试验采用的测功机为水力测功机，对发动机的扭矩、转速、冷却水温度、进排气温度、机油温度和压力等参数进行实时监测和控制.测控系统为杭州奕科机电技术有限公司生产的发动机测控系统；烟度测量使用AVL公司生产的415滤纸式烟度计；柴油和甲醇的消耗量由两台FCM-05瞬态自动油耗仪测量；THC、NO_x气体含量由日本崛场(Horiba)生产的MEXA-7100型排气分析仪测量，CO、甲醛及甲醇的排放检测装置为日本崛场(Horiba)的MEXA-6000FT傅里叶变换红外分析仪.

试验采用的POC由某环保净化器公司提供，均为陶瓷载体，其结构如图 2所示，相关主要参数如表 2所示.

表 3给出了试验采用的柴油和甲醇主要物理化学性能参数.

为探究POC的催化效率与POC长度和孔密度的关系，根据控制变量法的原则，研究POC长度对DMCC发动机排放的影响时，试验选择的POC孔密度均为300目，长度分别为200 mm(POC1)、150 mm(POC2)、100 mm(POC3)；研究POC孔密度对DMCC发动机排放的影响时，试验选择长度为150 mm、孔密度分别为300目(POC2)和200目(POC4)的POC.

本试验在纯柴油和双燃料两种模式下，对比了ESC测试十三点工况下POC的结构参数对MDCC发动机排放的影响，试验发动机的工况点具体见表 4.受发动机失火和燃料经济性的影响，根据柴油甲醇组合控制策略在小负荷时基本不喷甲醇，而在高负荷时，甲醇的替代率受爆震影响的限制(王全刚等，2014)，因此试验过程中，甲醇替代率为30%时各转速的负荷低于25%的工况未进行试验，甲醇替代率为50%时，A、C转速负荷低于50%、B转速低于25%以及C转速100%负荷工况未进行试验.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 不同长度POC对DMCC发动机排放影响 3.1.1 不同长度POC对碳烟排放的影响

图 3为不同长度POC对碳烟净化效率的影响对比图，由图可以看出，纯柴油模式下，各工况点POC1的碳烟净化率均大于POC2和POC3，此时POC1、POC2、POC3对碳烟的平均净化效率分别为29.09%、12.76%、9.58%，甲醇替代率为30%时，对碳烟的平均净化效率分别为30.37%、23.06%、15.00%，替代率为50%时分别为32.59%、20.00%、20.36%，因此在整体上POC对碳烟的净化效率表现为POC1>POC2>POC3.

POC在结构上属于通透式过滤催化器，一方面主要依靠直流通透孔道与出口段封堵孔道之间的压力差(刘洋等，2015)及孔壁的拦截作用达到对颗粒物的拦截；另一方面，排气中的NO₂进入POC后，在POC含有贵金属的特殊化学涂层的催化作用下，NO₂中的N—O键断裂，产生的O与碳颗粒燃烧，生成CO₂，从而除去碳颗粒(李树会，2008)，在相同工况下排气流量和流速一定，POC长度越长，尾气与催化剂接触时间越长，碳烟被拦截和被氧化的概率越大，对碳烟的净化效果越好.

除此之外，DMDF模式下，POC的碳烟净化率相较于纯柴油模式整体略有提高，且甲醇替代率越大，净化效率越高.可能一方面是因为DMDF模式下，由于甲醇的参与，甲醇自身含氧，甲醇中的氧可以被有效运送至缺氧区从而抑制碳烟的生成，有利于排气中烟度的降低(姚春德等，2014)；另一方面，在双燃料模式下燃料中部分甲醇逸出直接进入排气，导致排气中生成大量THC和CO(姚春德等，2007)，THC和CO在POC内氧化放热，使POC内部温度升高，碳烟在被吸附的同时可以与排气中的NO₂和O₂反应(霍少锋，2010)，从而使POC对碳烟净化效率升高.

3.1.2 不同长度POC对CO、THC排放的影响

研究表明，发动机在纯柴油模式下CO和THC的排放与DMDF模式相比较低，且甲醇替代率越大，CO和THC排放越高(刘军恒，2014)，因此分析不同长度POC对不同替代率下CO和THC排放的影响.

图 4分别为甲醇替代率为30%、50%时不同长度POC对CO和THC排放的影响，从图中可以看出POC对CO转化效率均表现为POC1＞POC2＞POC3，除甲醇替代率为30%时A100、B100、C75、C100工况及甲醇替代率为50%时的B100、C75工况外，POC对THC的转化效率表现为POC1＞POC2＞POC3.这是因为当排气流经排气管进入POC时，在适当的排气温度下，排气中的CO和THC在POC催化剂的作用下，与排气中的O₂发生反应生成CO₂和H₂O(马志豪等，2013)，POC长度越长，尾气流经POC时，与催化剂的接触面积越大、接触时间越长，THC和CO与O₂的反应时间越长.通过对比可以看出POC对尾气中CO的催化效率明显高于对THC的转化效率，这可能是因为在相同的条件下，POC内的催化剂更容易将CO氧化为CO₂(马志豪等，2013).

DMDF模式下，POC1和POC2对CO的转化效率受转速和负荷的影响不大，POC2的转化效率略低于POC1，POC1集中在98%~100%之间，POC2集中在96%~99%之间，POC3与二者相比对CO的转化效率较低，集中在90%~95%之间.尽管发动机采用DMDF模式后，CO和THC的排放有所升高，但POC对CO和THC尤其是CO的转化效率整体较好，基本可以将其从排气中除去.

3.1.3 不同长度POC对NO_x排放的影响

研究表明，POC中的氧化催化剂对于尾气中NO_x的整体作用极其微弱，只是影响了NO和NO₂的比例成分，对NO_x总量没有明显影响(马志豪等，2013)，因此图 5a分析了不同模式下经过不同长度POC后NO/NO_x值的变化.

从图中可以看出，经过POC后NO在NO_x中所占比例明显升高，因为NO₂具有强氧化性，在POC内与碳颗粒在催化涂层的作用下反应, 促使NO₂被还原为NO，因此经过POC后NO的排放增多.纯柴油模式下，大部分工况POC2略高于POC1和POC3，但从整体来讲经过POC长度对其影响差别不大.在甲醇替代率为30%和50%时，NO/NO_x的值整体呈现出POC1>POC2>POC3，这是因为POC的长度越长，NO₂与碳颗粒在催化剂的作用下反应时间越长，产生的还原产物NO也就越多.

图 5a还可以看出，纯柴油模式时，同一转速下，原机NO/NO_x排放比值随负荷的增大而增大，这是因为随着燃烧温度的增加，有利于排气中的NO₂直接与排气中的其他成分反应，被还原为NO，导致NO增多.而经过POC后，随负荷增大，NO/NO_x呈下降的趋势.POC的氧化再生是通过排气中的NO₂与碳颗粒在催化剂作用下反应实现(刘洋等，2015).但随负荷增大POC可以促进排气中NO₂的生成，即使在与颗粒物进行的再生反应中会反应掉一部分NO₂气体，但POC后NO₂排放相比原机仍然高出不少(冯向宇，2015).

DMDF模式的NO/NO_x与纯柴油模式相比有所降低，也就是说排气中NO₂所占比例有所升高，这是因为甲醇在燃烧过程中，氧化热分解产生大量过氧化基团——HO₂，高温产生的NO被氧化为NO₂，从而导致NO所占比例下降(邹柯等，2015).

3.1.4 不同长度POC对未燃甲醇排放影响

原机排气中甲醇的含量很低，DMCC发动机排气中的甲醇主要来自于甲醇燃料的未燃部分(Avinash et al., 2015)，因此试验对比了甲醇替代率为30%、50%POC长度对未燃甲醇转化效率的影响.图 5b为不同长度POC对DMCC发动机排气中未燃甲醇的转化效率对比图.

可以看出在甲醇替代率为30%时，POC1对未燃甲醇的催化效率集中在95%~100%之间，POC2集中在85%~90%之间，而POC3集中在75%~85%之间，催化效率呈现出POC1＞POC2＞POC3；当甲醇替代率为50%时，整体情况与替代率为30%时一致.这是因为POC1的长度最长，未燃甲醇与催化剂接触时间最长，有足够的时间被转化.

甲醇替代率为50%时B50工况POC转化效率相对较低，可能是因为此时甲醇替代率较高，甲醇具有汽化潜热高的特点，随着甲醇的喷入，气缸内燃烧温度降低，导致燃料燃烧不充分，大量未燃甲醇直接随尾气排除，另一方面排气温度较低也导致转化效率降低.

3.1.5 不同长度POC对甲醛排放影响

排气中的甲醛是甲醇不完全燃烧的产物，一部分来自气缸内甲醇淬息层的不完全氧化，另一部分为排气管中的甲醇氧化生成(彭红梅，2008).

图 6为不同甲醇替代率下不同长度POC对甲醛的转化效率，可以看出除B100工况外，对甲醛的转化效率呈POC1＞POC2＞POC3，因为POC的长度越长，排气与催化剂接触时间越长.随着POC长度的降低，对甲醛的转化率逐渐降低，甚至在大部分工况出现小于0的情况，即甲醛的含量较发动机排气出口数值相比有所升高.这可能是因为排气中的未燃甲醇在POC内被氧化为甲醛，未来得及继续氧化就随尾气排出，导致甲醛排放升高(姚春德等，2016b).

在3个转速下，随负荷的增大，转化效率呈升高的趋势，因为负荷的增加导致燃烧温度增加，燃烧过程更加完全，甲醛生成量降低，同时排气温度升高，有利于POC内甲醛的氧化.但从整体来讲POC对甲醛的氧化能力有待提高.

3.2 不同孔密度POC对DMCC发动机排放影响 3.2.1 不同孔密度POC对碳烟排放的影响

图 7呈现的是不同孔密度POC对碳烟的净化效率，纯柴油模式下，POC2与POC4对碳烟的平均净化效率分别为12.76%、12.36%，甲醇替代率为30%时，POC2与POC4对碳烟的平均净化效率分别为23.06%、19.61%，替代率为50%时，分别为20.00%、18.31%，因此不同孔密度POC对碳烟的净化效率表现为POC2>POC4，也就是孔密度越大，对碳烟的净化效果越好，这是因为在长度和横截面积相同的情况下，POC的孔密度越大，孔道孔径越小，排气进入流道后流动阻力越大，碳烟更容易被载体壁所截留，净化效率也就越高(刘洋等，2015).

3.2.2 不同孔密度POC对CO、THC排放的影响

图 8分别为甲醇替代率为30%、50%时不同孔密度POC对CO和THC的转化率对比.从图中可以看出，在甲醇替代率为30%和50%时，POC对CO的转化效率均明显呈POC2>POC4的情况.因为在长度相同的情况下，孔密度越大，催化剂在POC内部分布更加均匀，CO流经POC时与催化剂接触更充分，转化效率也就越高.随着转速的升高，POC对CO的转化效率呈略有降低的趋势，因为转速越高，排气流经POC的流速越大，在POC内反应时间减少，CO来不及完全反应，转化效率有所降低.

甲醇替代率为30%时，POC2和POC4对THC的转化效率分别为86.27%、83.39%，替代率为50%时则分别为85.42%、84.91%，因此从整体来看POC对THC的转化效率受孔密度影响不大.

3.2.3 不同孔密度POC对NO_x排放的影响

根据图 9a可以分析孔密度对POC对NO/NO_x转化效率的影响，可以看出，在纯柴油模式和替代率为50%时，经过POC2后NO/NO_x的值明显大于POC4，这是因为POC孔密度越大，排气中NO₂与催化剂接触面积越大，NO₂与排气中碳颗粒越容易发生反应，被还原为NO.甲醇替代率为30%时，经过POC4后NO/NO_x略大于POC2.

纯柴油模式下，同一转速随着负荷的增大，NO所占比例呈升高的趋势，但经过POC后，随负荷增大，NO在NO_x中所占比例逐渐降低，且此时经过POC2后NO/NO_x明显大于POC4，这与此前分析不同长度POC对NO_x转化效率时呈相同的趋势.DMDF模式下，经过POC后NO在NO _x中所占比例与原机相比明显升高，因为排气中的NO₂在POC内与颗粒等还原性物质反应被还原为NO，导致NO含量升高(李腾腾等，2011).

3.2.4 不同孔密度POC对未燃甲醇排放影响

图 9b为不同孔密度POC对排气中未燃甲醇转化效率的影响.当甲醇替代率为30%时，除低转速小负荷工况外，POC2对甲醇的催化效率略大于POC4，且二者的转化效率均集中在80%~95%之间.这是因为POC2的孔密度较大，排气流经POC时未燃甲醇与催化剂接触面积更大，反应更加充分，除此之外，POC内气流分布的均匀程度影响着催化剂的催化转化效率(朱文军等，2012)，孔密度越大，气流在POC内分布越均匀，转化效率越高.

当甲醇替代率为50%时，与替代率为30%时相比转化效率没有明显的提高，且POC2对甲醇的转化效率同样呈现出略高于POC4的趋势.但在B50工况点POC的催化效率大幅度降低，这一点与POC长度对未燃甲醇影响试验结果相同.

3.2.5 不同孔密度POC对甲醛排放影响

图 10为甲醇替代率为30%和50%时不同孔密度POC对甲醛的转化效率.甲醇替代率为30%时，POC对甲醛的转化效率分别为-31.81%、-33.47%，替代率为50%时，对甲醛的转化效率分别为-44.67%、-35.15%，整体上看POC孔密度对甲醛的转化效率影响不大.甲醇替代率为30%时，在各个转速的50%负荷时，对甲醛的转化效率为负值且呈POC2 < POC4，当负荷升高至75%和100%时，对甲醛的转化效率呈POC2>POC4.这是因为DMDF模式下，未燃烧的甲醇经尾气排出后，在后处理器中氧化生成甲醛(姚春德等，2016a)，负荷较低时，排气温度负荷相对较低，此时排气中的甲醇在POC内被氧化为甲醛，导致甲醛含量升高，因为POC2的孔密度较大，排气与催化剂接触时间较长，因此经过POC2后甲醛的升高量要大于POC4；工况达到满负荷时，燃烧温度有所升高，一方面排气中未燃甲醇生成量降低，另一方面甲醇在POC内氧化为甲醛后可以进一步完全氧化，且此时POC2的氧化效率高于POC4.

4 结论(Conclusions)

1) 在DMCC发动机上加装POC可以大幅度提高对碳烟的净化效率.不同长度POC对DMCC发动机尾气净化效果差异明显.随着试验所采用POC长度的增加，POC对碳烟的转化效率纯柴油模式下从9.58%提高到29.09%，甲醇替代率为30%时从15%提高到30.37%.对CO、THC及未燃甲醇的转化效率也有了明显的增加，POC影响NO_x中成分比例，但长度参数对其影响不大.POC对甲醛的转化效率在双燃料模式下随着POC长度的增加而升高，但对其氧化能力明显不足.

2) DMDF模式下POC对碳烟的转化效率与纯柴油模式相比整体提高15%左右，最大可达到32.59%.随着甲醇替代率的升高，对碳烟的转化效率越高；相同工况下，POC对未燃甲醇的转化效率受甲醇替代率影响不大.

3) 不同孔密度POC对DMCC发动机排气影响效果差异不太明显.纯柴油模式下，POC孔密度越大，对碳烟以及甲醛的转化效率变化不大，NO/NO_x比值越大.DMDF模式下，整体表现为POC孔密度越大，对排气中的碳烟、CO、甲醇转化效率越高，但对THC和NO_x排放的影响相近；孔密度越大，相同条件下，对甲醛的氧化越容易起作用.