王杰，王世杰

（佛吉亞排氣控制技術(shù)開發(fā)（上海）有限公司，上海 201107）

前言

固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)與尿素噴射控制系統(tǒng)的最本質(zhì)的區(qū)別是噴射控制的介質(zhì)不同，固態(tài)氨噴射控制的純氨氣，而尿素噴射控制的 32.5%的尿素水溶液，關(guān)于車用尿素水溶液的特性本文不作討論。作為車用降氮氧化合物的一種尾氣后處理技術(shù)，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)在一些方面具有優(yōu)勢，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)不會產(chǎn)生尿素結(jié)晶[4]，同時在使用低溫催化劑的情況下可以實現(xiàn)低溫噴射，發(fā)動機尾氣與氨氣在無須額外混合器的情況下更容易混合。本文所述得的固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)主要由儲氨罐、氨氣噴射計量控制單元，儲氨罐電加熱裝置，電控單元，相關(guān)線束，氨氣噴嘴等組成，其中儲氨罐內(nèi)是以特殊結(jié)構(gòu)存放的氯化鍶絡(luò)合物鹽 SrCl2，當向儲氨罐中充入氨氣，氨氣與氯化鍶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氨合氯化鍶絡(luò)合物鹽Sr（NH3）8Cl2。常溫下氨合氯化鍶絡(luò)合物鹽以固態(tài)形式存在于儲氨罐內(nèi)，當給儲氨罐進行加熱，溫度升高到20攝氏度時氨合氯化鍶絡(luò)合物鹽【Sr（NH3）8Cl2】開始逐漸釋放出氨氣，氨氣經(jīng)過管路輸送到氨氣噴射計量控制單元，經(jīng)過計量之后輸送到氨氣噴嘴，然后噴射入柴油機排氣管路中。當儲氨罐內(nèi)溫度逐漸降低后，儲存在罐內(nèi)的氨氣又會重新與氯化鍶進行化學(xué)反應(yīng)生成氨合氯化鍶絡(luò)合物鹽，這一反應(yīng)是無須催化劑的可逆反應(yīng)。因此儲氨罐內(nèi)部常溫下并無氨氣，也無高壓，不存在安全隱患。氨氣釋放與存儲過程如圖1所示。

圖1 氨氣釋放與存儲過程

本文所用固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如2所示，為保證相同的實驗條件，對比試驗時固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)工作于被動模式，即通過CAN報文接收來自發(fā)動機ECU的噴射量指令，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)執(zhí)行噴射，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)不參與氨氣需求噴射量的計算。

圖2 固態(tài)氨噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 實驗條件

1.1 試驗柴油機技術(shù)參數(shù)

本對比試驗采用一臺滿足國五排放法規(guī)的 7L增壓中冷柴油機，柴油機基本技術(shù)參數(shù)如下表1所示：

表1 實驗用發(fā)動機參數(shù)

1.2 試驗所用催化劑及載體信息

試驗所用催化劑及載體信息如下表2所示：

表2 實驗用后選擇性催化器信息

1.3 試驗臺架安裝布局

試驗臺架安裝布局如下圖3所示：

圖3 選擇性催化還原器布局

2 試驗方法

此次試驗?zāi)康氖菍Ρ裙虘B(tài)氨噴射控制系統(tǒng)與尿素噴射控制系統(tǒng)對柴油機氮氧化合物的影響，確保二者試驗條件一致的情況下進行一系列的柴油機排放循環(huán)測試，包括穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（ESC）和瞬態(tài)測試循環(huán)（ETC）、世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)（WHTC），對比二者的排放結(jié)果，根據(jù)二者的排放結(jié)果評估固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)和尿素噴射控制系統(tǒng)性能差異。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 ESC循環(huán)排放對比測試

固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)和尿素噴射控制系統(tǒng)各進行了4次ESC循環(huán)NOx排放測試，4次測試兩種噴射控制系統(tǒng)都使用相同的排放控制策略，同時使用相同起噴溫度190攝氏度，測試結(jié)果對比如表3、表4，對比結(jié)果顯示，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)相比尿素噴射控制系統(tǒng)對 NOx的平均轉(zhuǎn)換效率提升1.2%。主要原因是 ESC循環(huán)內(nèi)排氣溫度普遍偏高，在整個ESC測試循環(huán)內(nèi)，SCR催化器上下游的溫度都高于250攝氏度，而參考銅基催化劑的特性，當溫度高于200攝氏度時，NOx的轉(zhuǎn)換相率就可以達到100%，因此ESC排放測試循環(huán)下，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)低溫起噴以及氨氣與排氣更容易混合的優(yōu)勢體現(xiàn)不明顯。

表3 固態(tài)氨與尿素噴射系統(tǒng)ESC循環(huán)性能對比（1）

表4 固態(tài)氨與尿素噴射系統(tǒng)ESC循環(huán)性能對比（2）

3.2 ETC循環(huán)排放對比測試

對于ETC瞬態(tài)循環(huán)排放測試，起噴溫度設(shè)置為190攝氏度，兩種NOx排放控制噴射系統(tǒng)各進行了兩側(cè)測試，去兩側(cè)平均值作為最終結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如表5、表6，對比結(jié)果表明固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)與尿素噴射控制系統(tǒng) NOx平均轉(zhuǎn)換效率接近，為ETC循環(huán)下SCR催化器上下游溫度都接近250度，而銅基催化劑下，無論是尿素噴射控制系統(tǒng)還是固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)，二者NOx轉(zhuǎn)換效率都幾乎達到100%。

表5 固態(tài)氨與尿素噴射系統(tǒng)ETC循環(huán)性能對比（1）

表6 固態(tài)氨與尿素噴射系統(tǒng)ETC循環(huán)性能對比（2）

3.3 WHTC循環(huán)排放對比測試

從以上ESC和ETC循環(huán)排放測試結(jié)果來看，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)和尿素噴射控制系統(tǒng)如果條件一致，起噴溫度一致，固態(tài)氨系統(tǒng)NOX轉(zhuǎn)化效率略高于尿素噴射系統(tǒng)，為了進一步對兩種系統(tǒng)在 NOX轉(zhuǎn)換效率進行對比，本文也進行了WHTC循環(huán)NOX排放對比研究，WHTC循環(huán)分為冷態(tài)循環(huán)和熱態(tài)循環(huán)，最終結(jié)果按照下式進行加權(quán)計算：

對于固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)進行了兩次冷態(tài)和兩次熱態(tài)W HTC循環(huán)測試，總共四次WHTC循環(huán)，一共得出兩次WHTC加權(quán)排放結(jié)果，最后取兩次平均值，以便于尿素噴射控制系統(tǒng)的測試結(jié)果進行比較。此次進行固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)系統(tǒng)WHTC循環(huán)測試時，氨氣的起噴溫度設(shè)定為120攝氏度，而尿素噴射控制系統(tǒng)的起噴溫度依然設(shè)定為190度，這是為了防止低溫噴射尿素無法分解并容易造成尿素結(jié)晶。尿素噴射控制系統(tǒng)進行了一次冷態(tài)和一次熱態(tài)WHTC排放循環(huán)測試。具體測試結(jié)果表7所示：

表7 固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)WHTC循環(huán)NOx排放數(shù)據(jù)

兩次WHTC加權(quán)后平均轉(zhuǎn)換效率為65.73%，冷態(tài)WHTC循環(huán)下氨氣消耗量也小于熱態(tài)循環(huán)下氨氣消耗量。尿素噴射控制系統(tǒng)的WHTC循環(huán)NOX排放測試結(jié)果如表8所示：

根據(jù)表7、表8數(shù)據(jù)對比，尿素噴射控制系統(tǒng)在WHTC循環(huán)下NOX轉(zhuǎn)換效率為39.73%，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)NOX平均轉(zhuǎn)換效率為 65.73%，WHTC循環(huán)下固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)比尿素噴射控制系統(tǒng) NOx轉(zhuǎn)化效率高 26%，得益于固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)較低的起噴溫度。

表8 尿素噴射系統(tǒng)WHTC循環(huán)NOx排放數(shù)據(jù)

3.4 固態(tài)氨和尿素噴射控制系統(tǒng)定點NOx轉(zhuǎn)換效率測試對比

根據(jù)固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)和尿素噴射控制系統(tǒng)的對比測試，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)在 WHTC循環(huán)下能夠大幅度提高NOx轉(zhuǎn)換效率，為進一步驗證固態(tài)氨系統(tǒng)的性能優(yōu)勢，進行了固定點NOx轉(zhuǎn)換效率測試對比，在保證相同的空速，相同的起噴溫度情況下進行了二者的轉(zhuǎn)換效率測試，測試結(jié)果如表7，固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)換效率在250攝氏度以下具有明顯的優(yōu)勢，分析原因是固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)所噴射的氣態(tài)氨氣與柴油機尾氣在低溫下有更好的混合效果，另外固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)可以解決尿素噴射系統(tǒng)結(jié)晶問題。

圖4 不同氨氮比與溫度下固態(tài)氨系統(tǒng)與尿素系統(tǒng)降NOx性能曲線

4 結(jié)論

從本文所研究的試驗對比方案來看，可以得出以下結(jié)論：

（1）固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)相比尿素噴射控制系統(tǒng)對NOx的平均轉(zhuǎn)換效率提升1.2%。

（2）WHTC循環(huán)下固態(tài)氨噴射控制系統(tǒng)比尿素噴射控制系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率高26%。

（3）定點噴射下，溫度250攝氏度以下固態(tài)氨系統(tǒng)比尿素噴射控制系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率提高5%～20%。

（4）固態(tài)氨噴射系統(tǒng)可以降低起噴溫度，無結(jié)晶風(fēng)險。