程曉章, 朱博文, 王 浩, 常嘯天, 邢曉通

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

柴油機在商業(yè)交通運輸中扮演著不可或缺的角色,因其具有良好的動力性、燃油經(jīng)濟性和可靠性而被廣泛用于國內(nèi)外大型車輛和重型機械中[1]。但與汽油機相比,柴油機排放的尾氣因成分復(fù)雜、排放量大、污染嚴重等特點而難以得到有效的控制。隨著“國六”排放法規(guī)于2019年7月1日正式實施,對柴油機車尾氣污染物排放也提出了更為嚴格的要求[2]。

通過對柴油機采取優(yōu)化設(shè)計和缸內(nèi)凈化措施等方式已經(jīng)很難滿足尾氣排放達到“國六”法規(guī)的要求[3]，因此,需對柴油機加裝排氣后處理裝置來大幅降低污染物排放。在“國六”階段,常見的柴油機排氣后處理裝置主要包括氧化型催化轉(zhuǎn)換器(diesel oxidation catalyst,DOC)、催化型顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)和選擇性催化還原器(selective catalystic reduction,SCR)[4-6]。DOC作為柴油機車上應(yīng)用最廣泛、結(jié)構(gòu)最簡單的排氣后處理裝置,主要有以下作用:一方面能氧化排氣中HC、CO、顆粒物中的SOF以及刺激性氣味,將它們氧化成水和CO2,同時氧化氣缸內(nèi)二次噴油中未燃燒的HC和CO,加熱排氣,提高下游DPF再生效率;另一方面可以把NO氧化成NO2,為連續(xù)地進行DPF上的碳煙再生和提高NOx催化器轉(zhuǎn)化效率提供保證[7]。

目前,針對DOC國內(nèi)外已經(jīng)開展了廣泛的研究。文獻[8]研究了DOC對尾氣排放中HC、CO、NOx的影響,證明DOC能大幅降低尾氣中HC、CO的排放,但對NOx排放影響不大;文獻[9]著重分析了氧化型顆粒物催化轉(zhuǎn)化器(particulate oxidation catalyst,POC)在凈化氣體排放方面的效果和局限性;文獻[10-11]通過試驗證明了 DOC對 CO、HC有明顯的凈化功能,同時能為后級的DPF提供必要的NO2生成準備;文獻[12-14]從DOC、POC和DPF的工作原理和化學(xué)反應(yīng)進程上,闡述了相關(guān)組合對 NOx和顆粒在凈化方面的使用潛力。

本文基于GT-POWER軟件建立DOC氣態(tài)污染物排放化學(xué)反應(yīng)模型,探討DOC在不同進氣量和不同溫度的情況下對氣態(tài)污染物排放的影響,同時進行試驗驗證,為國六標準下后處理系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計提供一定的參考。

1 DOC系統(tǒng)建模

1.1 模型假設(shè)條件

根據(jù)已知的DOC參數(shù)和相應(yīng)的化學(xué)動力模型在GT-POWER軟件上進行建模。為了降低模型的復(fù)雜度,在滿足計算精度要求的情況下對系統(tǒng)進行如下假設(shè):

(1) 所有氣體均可視為理想氣體,各氣體的狀態(tài)參數(shù)(比熱容C、內(nèi)能U等)僅是溫度T的函數(shù)。

(2) 各個管路、氣缸、閥門等零件均視為剛體,且密封性良好。

(3) 氣體在模型中的流動可看成穩(wěn)定流動過程。

(4) 系統(tǒng)的外界環(huán)境為恒溫、恒壓,這里分別設(shè)為25 ℃、101 kPa。

(5) 由于氣體流速較小,將其視為不可壓縮流體。

1.2 化學(xué)反應(yīng)模型

柴油機尾氣中的氣體污染物主要包括CO、NOx和HC。其中,HC成分繁多,生成機理復(fù)雜。由文獻[15]研究可知,DOC中HC可看成2種成分組成:C3H6是HC中唯一一種對NOx具有還原作用的成分,用它表示部分氧化的HC;DF(C14.6H24.8)對NOx不具有任何還原作用,用它來表示未燃燒的燃料。

DOC模型中的化學(xué)反應(yīng)主要包括HC、NO、CO的氧化反應(yīng)以及NO2的分解反應(yīng)、CO與NO2之間的反應(yīng),即

(1)

(2)

(5)

(3)

(4)

由Arrhenius方程可以計算各反應(yīng)速率常數(shù),即

k=Ae-E/RT

其中:A為指前因子;E為反應(yīng)活化能;R為摩爾氣體常數(shù);T為反應(yīng)溫度。

根據(jù)Sampara和Bissett[16]的試驗研究得出各反應(yīng)相關(guān)參數(shù),見表1所列。

表1 化學(xué)反應(yīng)參數(shù)

本文所用的DOC特征參數(shù)見表2所列。其中,DOC采用蜂窩堇青石陶瓷載體。

表2 DOC特征參數(shù)

建立DOC的一維模型,該模型主要由DOC進氣環(huán)境、排氣環(huán)境、連接管路及閥門、DOC主體、監(jiān)測模塊、表面反應(yīng)模塊等部分組成。

2 試驗布置及模型驗證

2.1 試驗布置

發(fā)動機參數(shù)見表3所列,采用的是直列、增壓中冷、高壓共軌的柴油發(fā)動機。在DOC入口處和出口處分別布置溫度傳感器、壓力傳感器和氣體分析儀,通過調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來控制進氣量和進氣溫度，以達到試驗工況的要求。

表3 發(fā)動機參數(shù)

臺架主要測試設(shè)備見表4所列。

表4 臺架測試設(shè)備

臺架布置如圖1所示。

圖1 臺架布置示意圖

試驗中,進氣量穩(wěn)定在300、600 、1 000 kg/h 3個工況點,在這3個工況點中,均以30 ℃的溫度梯度調(diào)節(jié)進氣溫度處在180～550 ℃之間,因為進氣流量1 000 kg/h時溫度最低只能達到260 ℃,所以其最低溫度調(diào)節(jié)為260 ℃。采用MEXA-7500D氣體分析儀、溫度傳感器、壓力傳感器收集DOC入口以及出口處的CO、HC、NOx的質(zhì)量分數(shù)以及進出口溫度和壓力,待發(fā)動機在各工況點穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時記錄試驗數(shù)據(jù)。因為DOC入口處NOx成分主要為NO,所以根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算CO、HC、NO的轉(zhuǎn)化效率。

2.2 壓降驗證

對上述所建立的模型進行穩(wěn)態(tài)壓降試驗驗證,控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,保持進氣量為常量,進氣溫度逐漸由180 ℃上升至480 ℃,待發(fā)動及工況穩(wěn)定后記錄DOC壓降。DOC壓降隨溫度變化的試驗值與模擬值對比如圖2所示。由圖2可知，在試驗工況內(nèi),模型壓降試驗值與模擬值誤差保持在5%范圍內(nèi),模型符合工程實際。

圖2 壓降試驗值與模擬值對比

3 結(jié)果及分析

3.1 不同進氣量下溫度對污染物轉(zhuǎn)化率的影響

GT-POWER設(shè)置的邊界條件見表5所列。

表5 各工況點邊界條件

根據(jù)已建好的模型進行仿真。將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比,分別得到進氣量在300、600、1000 kg/h時,氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化效率隨DOC入口溫度變化的曲線,如圖3所示。

由圖4可知,進氣流量在300、600、1 000 kg/h時,DOC模型仿真值與試驗工況點計算值誤差很小,說明該模型值能準確預(yù)測不同進氣量下氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化趨勢。

對于CO而言,在各進氣量下,DOC均能完全將其氧化為CO2。

對于HC而言,在各個進氣量和不同進氣溫度時,DOC均有很高的轉(zhuǎn)化率,且隨著進氣量的增大,HC轉(zhuǎn)化率略有下降(進氣量為300 kg/h時,轉(zhuǎn)化率在94%左右波動;進氣量為600 kg/h時,轉(zhuǎn)化率在90%左右波動;進氣量為1000 kg/h時,轉(zhuǎn)化率在88%左右波動)。對于NO而言,其轉(zhuǎn)化率對溫度的敏感度要高于HC和CO,在各進氣流量下,NO轉(zhuǎn)化率曲線近似可看成一個開口向下的二次曲線,剛開始隨入口溫度上升NO轉(zhuǎn)化率增大,當入口溫度增大至320 ℃左右時,NO轉(zhuǎn)化率達到最大值,約為60%,后來溫度再上升,NO轉(zhuǎn)化率會不斷下降,500 ℃時降至20%左右;這是由于NO的化學(xué)反應(yīng)是可逆的,在低溫時NO不斷被氧化成NO2,當溫度上升至320 ℃后,逆向反應(yīng)開始起作用,NO2分解成NO,使NO轉(zhuǎn)化率下降。

3.2 低溫下進氣量對污染物轉(zhuǎn)化率的影響

3.2.1 DOC模型計算

根據(jù)上述DOC模型,將DOC入口溫度設(shè)置為180 ℃,調(diào)節(jié)進氣量,使其隨時間增大而不斷增大,得出低溫下氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化效率曲線,研究低溫下進氣量對氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化效率的影響。模型仿真得到的低溫下氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化率曲線如圖4所示。

圖4 低溫下污染物轉(zhuǎn)化率

3.2.2 試驗驗證

通過調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來控制進氣溫度穩(wěn)定在180 ℃,進氣量分別固定在300、600、1 000 kg/h,待發(fā)動機工況穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù),繪制污染物轉(zhuǎn)化率曲線,如圖5所示。

圖5 低溫下污染物排放試驗值

由圖5可知:在入口溫度為180 ℃時,CO基本能被完全氧化成CO2;隨著進氣量的增加,HC轉(zhuǎn)化率不斷降低,最終降至82%左右,NO轉(zhuǎn)化率顯著下降,最后降為0。

DOC入口溫度為180 ℃時,污染物轉(zhuǎn)化率試驗值與模擬計算值的對比如圖6所示。在進氣量試驗范圍內(nèi),CO、HC和NO轉(zhuǎn)化效率的試驗值與計算值在各工況點均吻合較好,最大誤差控制在5%以內(nèi)。這表明本文建立的DOC模型能準確預(yù)測低溫下發(fā)動機臺架的排放情況。

圖6 低溫下污染物轉(zhuǎn)化率試驗值與計算值的對比

4 結(jié) 論

本文建立了DCO氣態(tài)污染物排放化學(xué)反應(yīng)模型，研究了不同進氣量和不同溫度對DOC氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化中的影響，得到結(jié)論如下:

(1) 在進氣量為300、600、1 000 kg/h時,DOC能夠完全將CO氧化成CO2,同時在低溫條件下,DOC對CO的轉(zhuǎn)化率在99%以上。

(2) 在試驗溫度條件下,DOC對HC有很高的轉(zhuǎn)化率,隨著進氣量增大轉(zhuǎn)化率會略有下降。

(3) NO的轉(zhuǎn)化率曲線隨著溫度的增加呈先上升后下降的趨勢,當入口溫度為320 ℃左右時,NO轉(zhuǎn)化率達到最大值,約為60%。低溫條件下,NO轉(zhuǎn)化率隨著進氣量的增加將不斷下降,當進氣量達到700 kg/h時,NO不能被氧化。

(4) 為了使各種氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化率盡可能最大化,DOC入口溫度應(yīng)控制在300～350 ℃,進氣量應(yīng)控制在600 kg/h以下。