宋桂金 陳 順 彭雪松 林 赫 管 斌 黃 震

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 上海 200240）

引言

隨著機(jī)動車保有量的迅速增加，其所帶來的環(huán)境污染問題和能源消耗問題愈加嚴(yán)峻。為此，我國在不斷加嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)的同時，制定了愈發(fā)嚴(yán)格的油耗標(biāo)準(zhǔn)。GB 19578-2014《乘用車燃料消耗量限值》的實(shí)施，確保了2020 年5 L/100 km 節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)將會進(jìn)一步降低油耗限值，提高乘用車產(chǎn)品市場準(zhǔn)入的最低要求[1]。

對于汽油機(jī)而言，傳統(tǒng)燃燒模式很難滿足愈加嚴(yán)格的油耗標(biāo)準(zhǔn)。稀薄燃燒（簡稱稀燃）能夠大幅度提高燃料轉(zhuǎn)化效率，從而降低油耗[2]，使得越來越多的發(fā)動機(jī)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)開始對其進(jìn)行大力研究。但當(dāng)汽油機(jī)處于稀燃模式時，過量空氣系數(shù)大于1，即空燃比λ 大于14.7，傳統(tǒng)的三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）只能高效去除尾氣中的HCs 和CO，無法有效去除尾氣中的NOx[3]。所以，NOx排放成為制約稀燃汽油機(jī)發(fā)展及應(yīng)用的關(guān)鍵因素。廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)[4-5]是通過優(yōu)化燃燒過程來降低NOx排放，但火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著EGR 率的升高而降低，導(dǎo)致油耗升高，不符合降低油耗的要求。催化技術(shù)[6]是降低稀燃NOx排放的另一條途徑，主要包括NOx選擇還原催化轉(zhuǎn)化器、NOx吸附還原催化轉(zhuǎn)化器和NOx分解。目前，最常用的是通過NOx吸附還原催化劑（NSR）來去除NOx。NSR 技術(shù)首次提出是在1994 年[7]，原理是通過將汽油機(jī)運(yùn)行模式不斷在稀燃和濃混合氣燃燒（簡稱濃燃）之間切換來去除NOx。當(dāng)汽油機(jī)運(yùn)行在稀燃模式時，NSR 催化劑將排氣中的NOx不斷吸附；當(dāng)汽油機(jī)運(yùn)行在濃燃模式時，排氣中的大量HCs 和CO 還原去除所吸附的NOx，使NSR 催化劑再生。稀燃模式時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濃燃模式時間，這樣既降低了發(fā)動機(jī)的排放，又使發(fā)動機(jī)保持著高燃油經(jīng)濟(jì)性[8]。但是，傳統(tǒng)的NSR技術(shù)難以解決高溫時NOx轉(zhuǎn)化率較低的問題。這主要是由于高溫時NSR 催化劑的NOx吸附率降低所致[9]。NSR 催化劑的典型溫度區(qū)間為250～450 ℃，但是在高負(fù)荷下，渦輪后排氣溫度可達(dá)到550 ℃，最大空速能達(dá)到150 000 h-1[10]，傳統(tǒng)的NSR 技術(shù)在此溫度和空速下難以實(shí)現(xiàn)較高的NOx轉(zhuǎn)化率。于是，亟待開發(fā)出新的后處理技術(shù)來控制稀燃汽油機(jī)的NOx排放。

相關(guān)研究表明[11]，在NSR 催化劑前端以一定的頻率噴射碳?xì)淙剂?，能夠在催化劑上形成具有還原性的活性中間物種-CN 和-NCO。在汽油脈沖噴射期間，活性還原物種不斷生成、消耗，從而還原NSR催化劑上吸附的NOx，使NSR 催化劑實(shí)現(xiàn)再生[12]。采用此項技術(shù)，發(fā)動機(jī)可一直運(yùn)行在稀燃模式，避免切換至濃燃模式。本文基于稀燃汽油機(jī)的特點(diǎn)和相關(guān)后處理技術(shù)研究，制定了TWC+汽油噴射+NSR 耦合的后處理技術(shù)路線。在自主設(shè)計搭建的稀燃汽油機(jī)臺架后處理系統(tǒng)上驗(yàn)證了該技術(shù)路線的可行性，同時探究了汽油噴射頻率、汽油噴射壓力和工況對NOx轉(zhuǎn)化率的影響。

1 系統(tǒng)搭建與試驗(yàn)流程

按照TWC+汽油噴射+NSR 的后處理技術(shù)路線，自主設(shè)計搭建了稀燃汽油機(jī)臺架系統(tǒng)，如圖1 所示。在汽油機(jī)下游依次布置TWC 催化器和NSR 催化器，其中TWC 催化器能夠有效去除HCs 和CO；通過在NSR 催化器前端低頻噴射汽油，可以在NSR 催化劑上形成活性中間物種-CN 和-NCO，從而高效還原NOx。

圖1 稀燃汽油機(jī)臺架后處理系統(tǒng)

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為2.0T 汽油機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，可以準(zhǔn)確調(diào)控空燃比、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)稀燃。通過Horiba 氣體分析儀得到汽油機(jī)原始排放數(shù)據(jù)和NSR 催化劑后的尾氣排放數(shù)據(jù)，將原始排氣濃度與NSR 后測得的排氣濃度進(jìn)行計算，即能得到此工況下的各排氣污染物轉(zhuǎn)化率。在汽油噴射控制系統(tǒng)中，鋼瓶提供的0.5 MPa 壓力的氮?dú)馔ㄟ^氣管進(jìn)入油箱，油箱中的汽油在氣體輔助下通過油管進(jìn)入噴油器組件。汽油經(jīng)過噴油器后，壓力大幅下降，需要氮?dú)庠俅屋o助。從鋼瓶中出來的氣體經(jīng)過調(diào)壓閥后壓力降為0.4 MPa，輔助汽油通過油管進(jìn)入噴嘴，然后噴射到不銹鋼排氣管中，噴射方向?yàn)檠刂鴼饬鞣较?，噴嘴后邊是NSR 催化劑。利用LabVIEW 軟件和NI cRIO-9474 控制器，根據(jù)NOx的濃度來調(diào)整汽油噴射的頻率和脈寬，進(jìn)而達(dá)到高效去除NOx的目的。同時，可以根據(jù)程序中的頻率和脈寬計算出每個工況下的汽油噴射量。

通過汽油機(jī)臺架試驗(yàn)，首先驗(yàn)證了該技術(shù)路線的可行性；其次探究了汽油噴射頻率對NOx轉(zhuǎn)化率的影響，確定了最佳汽油噴射頻率和對應(yīng)的汽油噴射量；接著探究了汽油噴射壓力對NOx轉(zhuǎn)化率和汽油噴射量的影響；最后探究了該技術(shù)在不同工況下的NOx轉(zhuǎn)化效果。

2 汽油噴射控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的工作原理

汽油噴射控制系統(tǒng)是稀燃汽油機(jī)臺架后處理系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，其目的是用來提供震蕩噴射的汽油。使用噴油器來實(shí)現(xiàn)汽油的噴射，根據(jù)排氣管中的NOx濃度，利用LabVIEW 軟件編程來控制汽油的噴射頻率和脈寬，完全能夠滿足臺架試驗(yàn)要求。當(dāng)噴油器工作時，吸取油箱中的汽油，并在壓縮氮?dú)猓▔毫σ话銥?.4 MPa）輔助下，將汽油輸送至噴射單元，經(jīng)噴油器噴出；當(dāng)噴油器停止工作時，不吸取汽油，不進(jìn)行噴射。

2.2 系統(tǒng)的程序開發(fā)

為了方便控制，使用LabVIEW 軟件編程，通過串口與NI cRIO-9474 控制器通信，進(jìn)而控制噴油器工作。程序編寫主要考慮2 個變量，即汽油噴射頻率與噴射脈寬。在滿足噴油器正常工作的條件下，噴射周期（由噴射頻率換算得到）和脈寬的精度可達(dá)到1×10-6s（即1 μs）級別。使用LabVIEW 軟件所開發(fā)的控制程序和GUI 界面分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 汽油噴射控制程序

圖3 汽油噴射GUI 界面

2.3 系統(tǒng)的標(biāo)定

在進(jìn)行臺架試驗(yàn)前，首先需要對汽油噴射控制系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，以確定在不同周期及不同脈寬下的噴射量。標(biāo)定時，先將準(zhǔn)備好的干凈且干燥的錐形瓶稱重并記錄數(shù)據(jù)，然后將噴油器放進(jìn)錐形瓶開始噴射，當(dāng)噴射次數(shù)達(dá)到程序設(shè)定值時，停止噴射，再次將錐形瓶稱重并記錄數(shù)據(jù)。將前后2 次質(zhì)量的差值除以噴射時間，就可以得到噴射量。標(biāo)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同周期及不同噴射脈寬下的汽油噴射量

通過對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射周期一定時，噴射量與噴射脈寬基本成正比；當(dāng)噴射脈寬一定時，噴射量與噴射周期基本成反比。本系統(tǒng)的汽油噴射量在0.001～0.02 g/s 之間，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以滿足汽油作為還原劑去除稀燃汽油機(jī)尾氣中NOx所需的量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 技術(shù)路線的可行性研究

首先，通過試驗(yàn)探究技術(shù)路線的可行性，即探究TWC+汽油噴射+NSR 耦合系統(tǒng)能夠有效控制稀燃汽油機(jī)的尾氣排放，尤其是NOx排放的可行性。

試驗(yàn)時，轉(zhuǎn)速n=2 500 r/min，負(fù)荷T=16～64 N·m，過量空氣系數(shù)=1.4，汽油噴射壓力p=0.4 MPa，汽油噴射頻率f=0.25 Hz，排氣溫度T排=400～550 ℃。此時，汽油機(jī)處于稀燃模式。試驗(yàn)結(jié)果如圖5 和圖6所示。

圖5 負(fù)荷對NOx 轉(zhuǎn)化率的影響

圖6 不同負(fù)荷下原始排氣濃度與處理后各氣體污染物濃度

從圖5 和圖6 可以看出，系統(tǒng)在未噴射汽油時，NOx轉(zhuǎn)化率不到50%；而在以f=0.25 Hz 的頻率噴射汽油之后，NOx轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%左右。同時，CO 和HCs 的排放保持在較低水平。另外，排氣溫度最高達(dá)到550 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過NSR 催化劑的最佳工作溫度250～450 ℃，但該系統(tǒng)仍能有效去除NOx，其原理是噴射的碳?xì)淙剂夏軌蛟贜SR 催化劑上形成活性中間物種-CN 和-NCO，此活性還原物種可以選擇性還原NOx。由此說明了所選技術(shù)路線的可行性和優(yōu)越性。

最佳汽油噴射量，即NOx轉(zhuǎn)化率最高且HCs、CO 排放最低時所需的汽油噴射量隨汽油機(jī)負(fù)荷的變化關(guān)系如圖7 所示。

圖7 負(fù)荷對汽油噴射量的影響

從圖7 可以看出，汽油噴射量隨著負(fù)荷升高而增加，其范圍在0.005～0.012 g/s 之間，燃油損失在1%以內(nèi)。此時，采用稀燃的節(jié)油率在10%左右。從總體來看，采用該技術(shù)仍然可以達(dá)到節(jié)省燃油的目的。

3.2 汽油噴射頻率的影響

汽油噴射頻率是影響本系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵因素，在確定了所選技術(shù)路線的可行性和有效性之后，需要對汽油噴射頻率做進(jìn)一步探究，以確定其最佳值，同時得到其對應(yīng)的最佳汽油噴射量。

試驗(yàn)時，轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，負(fù)荷T=16～64 N·m，過量空氣系數(shù)=1.4，汽油噴射壓力p=0.4 MPa，排氣溫度T排=300～450 ℃。此時，汽油機(jī)處于稀燃模式。試驗(yàn)結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

從圖8 和圖9 可以看出，以0.1、0.25、0.5、1、2 Hz 5 個不同頻率噴射汽油時，NOx的轉(zhuǎn)化率均能達(dá)到85%以上。在相同工況下，達(dá)到同樣的NOx轉(zhuǎn)化率時，汽油噴射量隨著噴射頻率的減小而小幅減少，但此時NOx轉(zhuǎn)化率不穩(wěn)定，且波動范圍較大。其原因是如果汽油噴射頻率太低，即汽油有無的時間間隔太長，汽油噴射期間，在NSR 催化劑上形成的中間活性物種-CN、-NCO 存在時間過長，易被尾氣中的氧氣氧化從而被消耗掉，導(dǎo)致無汽油階段沒有足夠的活性還原物種還原NOx，隨之NOx的轉(zhuǎn)化率降低，在整個周期內(nèi)表現(xiàn)出較大的波動性。如果汽油噴射頻率太高，中間活性還原物種-CN、-NCO 由于時間太短而難以生成，要達(dá)到較高的NOx轉(zhuǎn)化率，需要更多的汽油噴射量。所以，汽油噴射頻率不能太高也不能太低。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)的最佳汽油噴射頻率為0.25 Hz，可作為后續(xù)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)汽油噴射頻率。

圖8 不同汽油噴射頻率下NOx 轉(zhuǎn)化率

圖9 不同汽油噴射頻率下汽油噴射量

3.3 汽油噴射壓力的影響

由于汽油噴射壓力會影響汽油進(jìn)入排氣管的速度，進(jìn)而影響汽油到達(dá)NSR 催化劑的時間，所以探究汽油噴射壓力對NOx轉(zhuǎn)化率和汽油噴射量的影響顯得尤為重要。試驗(yàn)時，轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，負(fù)荷T=16～64 N·m，過量空氣系數(shù)=1.4，汽油噴射頻率f=0.25 Hz，排氣溫度T排=300～450 ℃。此時，汽油機(jī)處于稀燃模式。結(jié)果如圖10 和圖11 所示。

圖10 不同汽油噴射壓力下NOx 轉(zhuǎn)化率

圖11 不同汽油噴射壓力下汽油噴射量

由圖10 和圖11 可知，在相同工況下，當(dāng)汽油噴射壓力分別為0.4 MPa 和0.6 MPa 時，NOx的轉(zhuǎn)化率均能達(dá)到90%以上，且汽油噴射壓力增大，NOx轉(zhuǎn)化率并無明顯提高，僅出現(xiàn)小范圍波動。其原因是汽油噴射壓力增加，汽油到達(dá)NSR 催化劑的速度變快，時間縮短，中間活性還原物種-CN、-NCO 由于時間太短而難以生成，導(dǎo)致沒有足夠的活性還原物種還原NOx，隨之NOx的轉(zhuǎn)化率降低，在整個周期內(nèi)出現(xiàn)波動。

另外，在相同工況下，要達(dá)到同樣的NOx轉(zhuǎn)化率，汽油噴射量隨著汽油噴射壓力的增加而小幅減少。其原因同樣是汽油噴射壓力增加，汽油到達(dá)NSR 催化劑的速度變快，時間縮短，從而減少了過程中的汽油燃燒損耗，所以汽油噴射量會有所減少。由于噴油器本身的工作壓力范圍在0.3～0.7 MPa，考慮到NOx轉(zhuǎn)化率的穩(wěn)定性，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)的最佳汽油噴射壓力為0.4 MPa，可作為后續(xù)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)噴射壓力。

3.4 不同工況對NOx 轉(zhuǎn)化率的影響

最后，通過試驗(yàn)探究該系統(tǒng)不同工況對稀燃汽油機(jī)尾氣中NOx轉(zhuǎn)化率的影響。試驗(yàn)時，轉(zhuǎn)速n=1 500～2 500 r/min，負(fù)荷T=16～64 N·m，汽油的噴射頻率f=0.25 Hz，汽油噴射壓力P=0.4 MPa 過量空氣系數(shù)分別為1.2、1.4、1.6。通過試驗(yàn)得到每個穩(wěn)態(tài)工況下能達(dá)到的最高NOx轉(zhuǎn)化率和所需的最佳汽油噴射量，結(jié)果分別如圖12、圖13、圖14 所示。

圖12 過量空氣系數(shù)=1.2 時NOx 轉(zhuǎn)化率等高線圖

圖13 過量空氣系數(shù)=1.4 時NOx 轉(zhuǎn)化率等高線圖

圖14 過量空氣系數(shù)=1.6 時NOx 轉(zhuǎn)化率等高線圖

從圖12、圖13、圖14 可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速為1 500～2 500 r/min，負(fù)荷為16～64 N·m 的工況范圍內(nèi)，過量空氣系數(shù)=1.2 時，NOx轉(zhuǎn)化率均達(dá)到92%以上；過量空氣系數(shù)=1.4 時，NOx轉(zhuǎn)化率均達(dá)到88%以上；過量空氣系數(shù)=1.6 時，NOx轉(zhuǎn)化率均達(dá)到85%以上。在相同的過量空氣系數(shù)（空燃比）及轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷越大，達(dá)到最佳NOx轉(zhuǎn)化率時所需的汽油噴射量越多；在相同的過量空氣系數(shù)（空燃比）及負(fù)荷下，轉(zhuǎn)速越高，達(dá)到最佳NOx轉(zhuǎn)化率時所需的汽油噴射量越多；在相同的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)（空燃比）越大，達(dá)到最佳NOx轉(zhuǎn)化率時所需的汽油噴射量越多。由此說明，本系統(tǒng)在較大的稀燃范圍內(nèi)，均可以有效去除NOx，進(jìn)一步驗(yàn)證了所選技術(shù)路線的可行性與有效性。

4 結(jié)論

1）對于稀燃汽油機(jī)，在較寬的空燃比范圍內(nèi)，采用TWC+汽油噴射+NSR 的后處理技術(shù)，均能夠有效去除尾氣中的污染物，尤其是NOx，提高了稀燃汽油機(jī)的可應(yīng)用性。

2）在汽油噴射頻率和噴射壓力相同的條件下，為使NOx轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高，汽油噴射量隨著負(fù)荷、轉(zhuǎn)速及空燃比的增大而增加，但是汽油最大噴射量僅為0.013 g/s，通過計算得知，燃油損失率在1%以內(nèi)。而一直運(yùn)行在稀燃模式下的汽油機(jī)，其節(jié)油率可達(dá)到10%左右?？傮w來看，此系統(tǒng)仍然可以節(jié)省燃油。

3）本系統(tǒng)中，汽油的噴射是開環(huán)控制。接下來可以研究如何根據(jù)排氣中NOx的濃度自主調(diào)節(jié)汽油噴射量，從而形成閉環(huán)控制。