樓狄明，譚暢，譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)

(同濟(jì)大學(xué)，上海 201804)

柴油機(jī)具有熱效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、扭矩大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于載重貨車(chē)、客運(yùn)車(chē)等商用車(chē)領(lǐng)域。而柴油車(chē)是NOx排放和顆粒物排放的主要貢獻(xiàn)者，NOx排放占機(jī)動(dòng)車(chē)排放總量的70%，顆粒物排放超過(guò)總量的90%[1]。NOx是光化學(xué)煙霧的誘因之一，顆粒物對(duì)人體健康也有著不可忽視的危害。各類(lèi)后處理技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)是柴油機(jī)應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的主要手段。氧化型催化器(DOC)和催化型顆粒捕集器(CDPF)通常聯(lián)合使用來(lái)有效減少柴油機(jī)THC，CO以及顆粒物的排放，選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)則主要用來(lái)減少NOx的排放。因此聯(lián)合采用DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)是降低柴油機(jī)排放的有效措施[2-4]。

DOC常用的活性組分有鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)等貴金屬。Pt和Pd的主要貢獻(xiàn)是氧化CO和HC。Pd和Pt具有協(xié)同作用，能提高催化劑的抗老化能力，降低硫酸鹽的生成量[5]。DOC應(yīng)用于DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)中時(shí)，能將NO氧化為NO2，有助于CDPF的被動(dòng)再生和SCR的快速反應(yīng)[6-8]。CDPF是在顆粒捕集器DPF載體上涂覆催化劑(Pt，Pd等)，降低顆粒物的起燃溫度，促進(jìn)再生，能有效減少柴油機(jī)顆粒物排放[9]。SCR是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)降低 NOx排放的重要途徑[10]，其原理是將尿素水溶液(即AdBlue，濃度一般為32.5%)噴入柴油機(jī)排出的廢氣中，在催化劑作用下將廢氣中的NOx還原成無(wú)害的N2和H2O[11-12]。DOC，CDPF，SCR聯(lián)合應(yīng)用于柴油機(jī)后處理系統(tǒng)能夠促進(jìn)彼此的凈化能力，是目前主流后處理系統(tǒng)的重要技術(shù)路線之一。

為研究DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)對(duì)輕型柴油機(jī)排放特性的影響，本研究以某國(guó)五輕型柴油機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，分析了本機(jī)后、DOC后、CDPF后、SCR后4個(gè)測(cè)點(diǎn)的排放特性，研究了不同工況下DOC，CDPF，SCR聯(lián)合使用的凈化效果以及各自在減排中的貢獻(xiàn)。

1 試驗(yàn)方案和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)及設(shè)備

試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)1.91 L排量、直列4缸、廢氣渦輪增壓中冷輕型國(guó)五柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)所用檢測(cè)儀器包括MEXA-1600D氣態(tài)物分析儀和EEPS-3090顆粒粒徑分析儀。MEXA-1600D氣態(tài)物排放分析儀采用部分流采樣系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集CO，CO2，THC，NO，NO2等氣態(tài)物濃度數(shù)據(jù)。EEPS-3090顆粒粒徑分析儀可測(cè)量粒徑范圍在5.6～560 nm顆粒的數(shù)量濃度、體積濃度、質(zhì)量濃度以及表面積濃度的粒徑分布。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)的基本參數(shù)

試驗(yàn)后處理系統(tǒng)由DOC，CDPF，SCR按順序串聯(lián)組成,其中DOC和CDPF的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 DOC和CDPF基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。為了考察DOC+CDPF+SCR技術(shù)對(duì)輕型柴油機(jī)各類(lèi)污染物排放特性的影響，以及 DOC，CDPF，SCR在各類(lèi)污染物排放轉(zhuǎn)化中各自的貢獻(xiàn)，本試驗(yàn)選取本機(jī)后、DOC后、CDPF后以及SCR后共4個(gè)測(cè)點(diǎn)。臺(tái)架試驗(yàn)工況包括外特性試驗(yàn)、最大扭矩轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性試驗(yàn)、標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性試驗(yàn)。外特性試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍為1 200～3 200 r/min，以200 r/min為固定間隔。負(fù)荷特性下，在最大扭矩轉(zhuǎn)速2 000 r/min和標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速3 200 r/min下分別對(duì)負(fù)荷率10%，25%，50%，75%，100%進(jìn)行試驗(yàn)。共計(jì)21個(gè)測(cè)試工況點(diǎn)。每個(gè)測(cè)試工況點(diǎn)穩(wěn)定采樣≥1 min。在上述試驗(yàn)工況下，考察氣態(tài)物(NOx，THC，CO等)和顆粒物的排放特性。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)分布

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)力性

圖2示出外特性下加裝DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)前后的動(dòng)力性變化。由圖2可知，外特性下，柴油機(jī)扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后降低，加裝后處理裝置后柴油機(jī)扭矩有所降低,尤其是在中等轉(zhuǎn)速1 800 r/min時(shí)，這是因?yàn)镃DPF內(nèi)加載有炭煙顆粒，導(dǎo)致排氣背壓逐漸升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性下降，有效功率與輸出扭矩均有不同程度的損失[13]。圖3示出外特性下加裝DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)的壓降?？梢钥闯?，隨著轉(zhuǎn)速的提高，空速提高，后處理系統(tǒng)帶來(lái)的壓降也基本呈直線提高，1 200 r/min時(shí)壓降最低，為3.2 kPa，3 200 r/min時(shí)壓降最高，為12.5 kPa。加裝后處理后扭矩平均降幅為1.3%，最高降幅為2.5%，加裝后處理裝置對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力有一定影響。

圖2 外特性下加裝后處理前后柴油機(jī)動(dòng)力性對(duì)比

圖3 外特性下加裝后處理系統(tǒng)后的壓降

2.2 經(jīng)濟(jì)性

圖4示出2 000 r/min和3 200 r/min負(fù)荷特性下加裝DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)前后的經(jīng)濟(jì)性變化。由圖4可知，負(fù)荷特性下，柴油機(jī)燃油消耗率隨著負(fù)荷的增加而降低，加裝后處理裝置后柴油機(jī)燃油消耗率惡化的比例也隨負(fù)荷的增加而降低。這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)的經(jīng)濟(jì)性同樣受到排氣背壓的影響。外特性下加裝后處理后柴油機(jī)燃油消耗率增加比率平均約為2.6%，對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有一定影響。

圖4 負(fù)荷特性下加裝后處理裝置前后柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2.3 常規(guī)氣態(tài)物及顆粒物排放特性

2.3.1NOx排放特性

圖5示出2 000 r/min和3 200 r/min下NOx的轉(zhuǎn)化率和SCR入口溫度隨負(fù)荷的變化。從圖中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，排氣溫度和NOx的轉(zhuǎn)化率逐漸增加，這是因?yàn)樨?fù)荷增大導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度升高，而較高的排氣溫度能促進(jìn)SCR的催化還原。在低負(fù)荷下，SCR后的NOx排放沒(méi)有得到有效控制，這是因?yàn)榈拓?fù)荷下排氣溫度較低，SCR催化劑活性受到抑制，SCR的工作效率不高。隨著負(fù)荷的提高，排氣溫度升高，此時(shí)NOx轉(zhuǎn)化率達(dá)到最佳。試驗(yàn)結(jié)果表明：在SCR入口溫度達(dá)到230 ℃時(shí)，NOx的轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%；低負(fù)荷下，SCR入口溫度較低，NOx的轉(zhuǎn)化率不超過(guò)40%；在75%和100%負(fù)荷下，平均轉(zhuǎn)化率分別為98.7%，94.7%，高負(fù)荷下溫度的進(jìn)一步提升反而會(huì)促進(jìn)NH3的氧化反應(yīng)，略微降低NOx的轉(zhuǎn)化率。

圖5 負(fù)荷特性下NOx轉(zhuǎn)化率和溫度的變化

圖6示出外特性下原機(jī)后、DOC后、CDPF后3個(gè)測(cè)點(diǎn)下NO2占NOx比例的變化。原機(jī)后NO2比例極低，在2 200 r/min時(shí)最大，僅為1.95%。DOC后NO2比例顯著提升，這是因?yàn)镈OC將部分NO氧化為NO2。低轉(zhuǎn)速下DOC氧化特性主要受到溫度的制約，轉(zhuǎn)速的提高導(dǎo)致溫度提高，NO2比例提高；高轉(zhuǎn)速下DOC氧化特性主要受空速影響，NO2比例逐漸下降。排氣進(jìn)入下游CDPF后，部分NO在催化劑的作用下繼續(xù)被氧化為NO2，部分NO2參與CDPF的被動(dòng)再生，氧化顆粒物從而被還原，這兩方面原因?qū)е铝薔O2比例的變化。從圖6中可以看出，CDPF后NO2比例略有上升，這說(shuō)明CDPF催化作用的NO2生成量要多于被動(dòng)再生消耗的NO2。

圖6 外特性下NO2比例的變化

圖7示出外特性下原機(jī)后、DOC后、CDPF后、SCR后4個(gè)測(cè)點(diǎn)的NOx排放特性。從圖中可以看出，原機(jī)后NOx比排放隨著轉(zhuǎn)速的增加先增加后緩慢降低。DOC后、CDPF后NOx排放略有降低，NOx減排的主要貢獻(xiàn)者還是SCR。在低轉(zhuǎn)速下，SCR仍然受溫度的影響工作效率不高，這與上文低負(fù)荷的情況類(lèi)似。隨著轉(zhuǎn)速的提高，SCR轉(zhuǎn)化率逐漸提高，在1 800 r/min時(shí)達(dá)到92.1%，NOx比排放量為0.94 g/(kW·h)，此后NOx轉(zhuǎn)化率在平均值92.2%左右波動(dòng)，NOx比排放量均在2 g/(kW·h)以下。

圖7 外特性下不同測(cè)點(diǎn)NOx的排放特性

2.3.2THC排放特性

圖8示出外特性下原機(jī)后、DOC后、CDPF后、SCR后4個(gè)測(cè)點(diǎn)的THC排放特性。總體而言，THC比排放受轉(zhuǎn)速增加影響不大。對(duì)比4個(gè)測(cè)點(diǎn)的THC排放規(guī)律可以看出，原機(jī)后、DOC后、CDPF后、SCR后4個(gè)測(cè)點(diǎn)的THC排放依次降低。DOC后THC的平均轉(zhuǎn)化率為86.2%，CDPF后THC的平均轉(zhuǎn)化率為87.9%，SCR后THC的平均轉(zhuǎn)化率為90.1%，可以看出，DOC是THC排放降低的主要貢獻(xiàn)者，CDPF、SCR能略微提高THC的轉(zhuǎn)化率。主要原因是DOC和CDPF均涂覆了貴金屬Pt和Pd，其中Pt對(duì)飽和碳?xì)浠衔锏难趸钚暂^高，Pd對(duì)不飽和碳?xì)浠衔锏难趸钚暂^高[14]，因此，在Pt和Pd的催化作用下，THC比排放顯著下降；同時(shí)，DOC內(nèi)氧化反應(yīng)也提高了排氣溫度，促進(jìn)了THC在CDPF內(nèi)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化；SCR中部分THC也可作為還原劑與NOx發(fā)生反應(yīng)。

圖8 外特性下不同測(cè)點(diǎn)THC的排放特性

2.3.3CO排放特性

圖9示出外特性下原機(jī)后、DOC后、CDPF后、SCR后4個(gè)測(cè)點(diǎn)的CO排放特性?？傮w而言，CO原機(jī)比排放隨轉(zhuǎn)速的提高先降低后增加，在1 200 r/min時(shí)CO的比排放過(guò)高，達(dá)到18.5 g/(kW·h)，可能是缸內(nèi)燃燒不完全導(dǎo)致，但在DOC的減排作用下CO最終比排放不超過(guò)0.01 g/(kW·h)。CO的轉(zhuǎn)化率始終處于一個(gè)較高的水準(zhǔn)，平均轉(zhuǎn)化率達(dá)到91.3%，DOC是CO減排的主要貢獻(xiàn)者；CDPF能進(jìn)一步略微減少CO的排放，這是因?yàn)镈OC內(nèi)氧化反應(yīng)提高了排氣溫度，CDPF內(nèi)涂覆的貴金屬在排氣溫度提高的情況下進(jìn)一步發(fā)揮了作用；SCR對(duì)CO排放影響不大。后處理裝置后CO比排放保持在0.01～0.02 g/(kW·h)。

圖9 外特性下不同測(cè)點(diǎn)CO的排放特性

2.3.4顆粒物排放特性

圖10示出3 200 r/min不同負(fù)荷下的不同測(cè)點(diǎn)下顆粒粒徑(Dp)分布。由圖10可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)DOC和CDPF后，柴油機(jī)的顆粒物排放得到有效降低。顆粒物數(shù)量分布存在核態(tài)和聚集態(tài)兩個(gè)分布區(qū)，分割點(diǎn)在50 nm。其中，核態(tài)顆粒物粒徑在50 nm以內(nèi)，主要由含硫化合物、碳?xì)浠衔锏瓤扇苡袡C(jī)組分組成；聚集態(tài)顆粒物粒徑在50 nm以上，主要成分為高度聚合形態(tài)的含碳顆粒吸附含硫化合物、碳?xì)浠衔锏瓤扇苡袡C(jī)組分形成。隨著粒徑的增大，原機(jī)顆粒物數(shù)量總體呈先略微增加后減少的趨勢(shì)，粒徑分布呈單峰或雙峰分布。單峰分布峰值在粒徑45 nm附近；雙峰分布第一個(gè)峰值在粒徑10 nm附近，第二個(gè)峰值在粒徑45 nm附近，均處于核態(tài)分布區(qū)內(nèi)，第二個(gè)峰值接近于核態(tài)分布區(qū)和聚集態(tài)分布區(qū)的分界點(diǎn)，因此，核態(tài)顆粒物原機(jī)排放數(shù)量比聚集態(tài)更高，20～100 nm區(qū)域顆粒物數(shù)量最高，占排放總量的79.1%。

經(jīng)過(guò)DOC后，顆粒物數(shù)量有所降低，但顆粒物粒徑分布規(guī)律變化不大。隨負(fù)荷的增大，排氣溫度隨之升高，DOC對(duì)顆粒物的減排效果也更明顯。DOC對(duì)粒徑在100 nm以內(nèi)的顆粒物具有良好的減排效果；對(duì)于更高粒徑的聚集態(tài)顆粒物，DOC在10%負(fù)荷和100%負(fù)荷時(shí)減排效果較差，這是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)排氣溫度較低，DOC的催化性能不高，而高負(fù)荷時(shí)DOC前排氣溫度高達(dá)408 ℃，反而促進(jìn)了硫酸鹽的生成[15]。

圖10 3 200 r/min負(fù)荷特性下不同測(cè)點(diǎn)顆粒粒徑分布

經(jīng)過(guò)CDPF后，顆粒物粒徑主要呈三峰分布或多峰分布，峰值點(diǎn)散布于核態(tài)和聚集態(tài)兩個(gè)分布區(qū)。在粒徑20～200 nm區(qū)域，CDPF的顆粒凈化效率最高；對(duì)于粒徑在20 nm內(nèi)的顆粒物，CDPF的凈化能將顆粒物數(shù)量降低一個(gè)數(shù)量級(jí)；對(duì)于粒徑在200 nm以上的顆粒物，CDPF的凈化效果相對(duì)較差。以10%，50%和100%負(fù)荷為例：25%負(fù)荷下，CDPF后粒徑在200 nm內(nèi)、200 nm以上的顆粒物減排率分別為99.6%，85.9%；50%負(fù)荷時(shí)，CDPF后粒徑在200 nm內(nèi)、200 nm以上的顆粒物減排率分別為99.4%，80.3%；100%負(fù)荷時(shí)，CDPF后粒徑在200 nm內(nèi)、200 nm以上的顆粒物減排率分別為98.3%，81.9%。

總體來(lái)說(shuō)，5.6～560 nm的PN減排率(顆粒物數(shù)量減排率)和PM減排率(顆粒物質(zhì)量減排率)可以由顆粒物的粒徑分布加權(quán)得出，3 200 r/min負(fù)荷特性下DOC+CDPF后PN及PM減排率見(jiàn)圖11。隨負(fù)荷的增大CDPF的PN減排效果略有衰減，這是因?yàn)楦哓?fù)荷下原機(jī)顆粒物排放數(shù)量更高，盡管CDPF捕集了更多的顆粒物，但總體減排率仍略有降低。由于CDPF對(duì)大粒徑顆粒物凈化效果相對(duì)小粒徑顆粒物較差，PM減排率略低于PN減排率，PM平均減排率為96.6%。在CDPF捕集顆粒物的過(guò)程中主要有三種捕集機(jī)理：布朗擴(kuò)散、直接攔截以及慣性碰撞。在整個(gè)捕集過(guò)程中，布朗擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，但隨著顆粒物粒徑的增大，布朗擴(kuò)散的作用下降，直接攔截和慣性碰撞機(jī)理的效果提高，但提高的效果有限，導(dǎo)致大粒徑顆粒物的凈化效果相對(duì)較差[16-17]；同時(shí)對(duì)于小粒徑顆粒物來(lái)說(shuō)，一方面CDPF表面涂覆的催化劑能將聚集態(tài)顆粒表面的可溶有機(jī)組分氧化，將它們轉(zhuǎn)化為核態(tài)區(qū)的小粒徑顆粒物，另一方面排氣中的NO2對(duì)碳顆粒的氧化作用也能降低其吸附可溶有機(jī)組分的能力，減小顆粒物粒徑，因此，盡管小粒徑顆粒物的布朗擴(kuò)散機(jī)理作用最強(qiáng)，但減排率仍略低于20～200 nm區(qū)域。

圖11 3 200 r/min負(fù)荷特性下PN及PM減排率

3 結(jié)論

a) 加裝DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有一定影響，扭矩平均降幅為1.3%，燃油消耗率平均增幅為2.6%;

b) 在合適的排氣溫度下，DOC+CDPF+SCR能有效降低NOx的排放，SCR是主要貢獻(xiàn)者;中低負(fù)荷以及低速工況下，排氣溫度在200 ℃以下，NOx的轉(zhuǎn)化率不高;75%和100%負(fù)荷下，排氣溫度超過(guò)300 ℃，NOx的平均轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.7%;DOC能有效提高排氣中NO2的比例，外特性下原機(jī)NO2的平均比例約為1.3%，DOC后NO2的平均比例達(dá)到29.0%，CDPF能將其進(jìn)一步提高到30.8%，促進(jìn)SCR的反應(yīng)效率;

c) DOC是THC和CO排放降低的主要貢獻(xiàn)者，效果顯著;外特性下THC經(jīng)過(guò)DOC+CDPF+SCR后的平均轉(zhuǎn)化率為90.1%，THC平均比排放為0.01 g/(kW·h)；外特性下CO經(jīng)過(guò)DOC+CDPF+SCR后的平均轉(zhuǎn)化率為91.3%，CO平均比排放為0.02 g/(kW·h);

d) 原機(jī)顆粒物粒徑分布呈雙峰分布，DOC后顆粒物粒徑分布規(guī)律變化不大，CDPF后顆粒物粒徑主要呈三峰分布及多峰分布;DOC對(duì)顆粒物有良好的凈化效果，僅在低、高負(fù)荷時(shí)對(duì)大粒徑顆粒物表現(xiàn)不佳;CDPF對(duì)20～200 nm粒徑顆粒物的凈化效率最高，粒徑在20 nm以下的顆粒物的凈化效率其次，200 nm以上最低;PN和PM平均減排率分別為99.1%和96.6%。