程曉章, 劉 凡, 張子涵, 管金彪, 王 濤

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

當(dāng)前,隨著全球各國(guó)對(duì)能源以及環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注,面對(duì)汽車尾氣這一污染源,各國(guó)政府制定了相應(yīng)的排放法規(guī)。在中國(guó),號(hào)稱史上最嚴(yán)的國(guó)Ⅵ排放法規(guī)于2020年7月1日正式實(shí)施。國(guó)Ⅵ排放法規(guī)的實(shí)施也給柴油機(jī)后處理系統(tǒng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),柴油機(jī)排放的主要污染物為顆粒物(particulate matter,PM)和氮氧化物(NOx),若柴油機(jī)只使用缸內(nèi)燃燒等機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)來(lái)降低污染物排放,則很難達(dá)到國(guó)Ⅵ排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。因此,只有使用高效的尾氣處理技術(shù),才能滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。

目前國(guó)內(nèi)外比較成熟且得到廣泛應(yīng)用的后處理技術(shù)路線為柴油機(jī)氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+柴油顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)+選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)+氨氧化催化器(ammonia slip catalyst,ASC)。DOC主要通過(guò)吸附廢氣中的CO、碳?xì)浠衔?HC)和NO,將CO和HC氧化成CO2和H2O,并把NO氧化成NO2,方便后續(xù)處理;DPF通過(guò)內(nèi)部的顆粒過(guò)濾裝置,收集排氣中的顆粒物,在顆粒物收集達(dá)到一定程度時(shí),進(jìn)行DPF再生[2];SCR通過(guò)在柴油機(jī)排氣中噴入尿素水溶液產(chǎn)生氨(NH3),NH3與尾氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng),將NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O排出;ASC是將NOx還原反應(yīng)中過(guò)量的NH3轉(zhuǎn)化為N2等氣體[3]。

本文搭建柴油機(jī)后處理試驗(yàn)臺(tái)架,對(duì)臺(tái)架中溫度、NOx傳感器偏差進(jìn)行校對(duì),研究發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能與排放性能之間的關(guān)系,分析在一定廢氣流量下溫度、NH3存儲(chǔ)量和NOx轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系,并對(duì)DPF載體涂敷層對(duì)于排放性能的影響進(jìn)行探究,此外還進(jìn)行了尿素結(jié)晶試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)溫?fù)p試驗(yàn)。

1 后處理系統(tǒng)模型

1.1 DOC和DPF系統(tǒng)模型

DOC主要是氧化尾氣中的未燃HC、CO,將其轉(zhuǎn)化為CO2和H2O,同時(shí)將尾氣中含量較多的NO氧化為NO2,再通過(guò)DPF進(jìn)入SCR系統(tǒng)進(jìn)行處理。

DPF是通過(guò)交叉堵孔結(jié)構(gòu)來(lái)過(guò)濾尾氣中的顆粒物PM,PM捕集到一定程度需要進(jìn)行DPF再生,降低DPF中的積碳[4]。

DPF再生包括主動(dòng)再生和被動(dòng)再生,其中,DPF主動(dòng)再生能夠有效降低PM排放,通過(guò)缸內(nèi)后噴等方式來(lái)增加尾氣中未燃HC的量,經(jīng)過(guò)DOC氧化,提升排氣溫度,使沉積在DPF上PM被氧化燃燒。

DOC和DPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 DOC和DPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 SCR系統(tǒng)模型

SCR系統(tǒng)主要由電控系統(tǒng)、尿素存儲(chǔ)噴射系統(tǒng)、混合器、上下游排氣溫度傳感器以及NOx傳感器等裝置構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在SCR系統(tǒng)中,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%的尿素水溶液由尿素噴嘴噴入排氣管中,并在里面發(fā)生熱解水解反應(yīng),生成的NH3與NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生對(duì)環(huán)境友好的N2和H2O[5]。

圖2 SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 催化器載體化學(xué)反應(yīng)

在SCR催化器載體表面發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng):

(1)

(2)

(3)

(4)

反應(yīng)式(1)表示異氰酸在催化劑表面水解產(chǎn)生NH3和CO2。因?yàn)樵诓徊捎脧U氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)技術(shù)的條件下,柴油機(jī)排氣中90%以上的NOx是以NO的形式存在,所以在SCR反應(yīng)過(guò)程中以反應(yīng)式(2)為主,故式(2)被稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。反應(yīng)式(3)被稱為SCR的快速反應(yīng),在低溫條件下,式(3)的反應(yīng)速率是式(2)的17倍,故而稱之為快速反應(yīng)。排氣中NO2的摩爾分?jǐn)?shù)不足10%,且2 mol的NO2需要4 mol的NH3才能反應(yīng)完全,因此反應(yīng)式(4)被稱為慢速反應(yīng)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 臺(tái)架搭建

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為某公司生產(chǎn)的4B5-70U32型國(guó)Ⅵ高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣方式為增壓中冷,參數(shù)見(jiàn)表1所列,試驗(yàn)所需的儀器儀表設(shè)備見(jiàn)表2所列。集成式后處理系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表3所列。其中,尺寸為裝置截面的長(zhǎng)×寬,單位dm。

表2 檢驗(yàn)用儀器設(shè)備

表3 后處理結(jié)構(gòu)參數(shù)

在試驗(yàn)中心搭建發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架,臺(tái)架采用集成式后處理系統(tǒng),分別如圖3、圖4所示。試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表4所列。

表4 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

圖4 后處理集成系統(tǒng)

2.2 后處理傳感器打點(diǎn)布置

按照試驗(yàn)要求,需要對(duì)集成式后處理系統(tǒng)打孔,在孔上安裝壓力、溫度和NOx體積分?jǐn)?shù)傳感器以及采樣接頭,方便后續(xù)試驗(yàn)。傳感器打點(diǎn)布置示意圖如圖5所示。

圖5 后處理傳感器打點(diǎn)布置示意圖

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 傳感器校對(duì)

對(duì)于柴油機(jī)后處理系統(tǒng)而言,各個(gè)后處理裝置后的排氣溫度、NOx體積分?jǐn)?shù)都是試驗(yàn)測(cè)試的重要內(nèi)容。傳感器數(shù)值的準(zhǔn)確與否影響了試驗(yàn)的精度,同時(shí)傳感器的安裝不能對(duì)氣流的通過(guò)產(chǎn)生阻礙,因此需要對(duì)傳感器進(jìn)行校對(duì),減少數(shù)值偏差,保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。后處理溫度傳感器以及前、后NOx傳感器校對(duì)結(jié)果如圖6所示。

圖6 后處理傳感器偏差

從圖6可以看出,前、后NOx傳感器偏差分布比較均勻,前、后NOx傳感器偏差分別分布在+3%、+2%左右,NOx傳感器誤差都在允許偏差(±5%)以內(nèi),符合試驗(yàn)要求。

在溫度傳感器校對(duì)中,溫度傳感器T5、T6偏差主要分布在-4%、-2%左右,且分布比較均勻,而溫度傳感器T4、T7上下偏差都在±5%以內(nèi),但是仍需調(diào)整其安裝位置,使其誤差盡量分布均勻,從而減少試驗(yàn)誤差。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試

為了驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能與其排放性能之間的關(guān)系,設(shè)計(jì)排放性能試驗(yàn)來(lái)探究?jī)烧叩年P(guān)聯(lián)性。通過(guò)電力測(cè)功機(jī)、油耗儀、煙度計(jì)和溫度傳感器分別采集發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、油耗率、排氣煙度值和排氣溫度,將得到的數(shù)值繪制成曲線,結(jié)果如圖7所示。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放關(guān)系曲線

從圖7a可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率開(kāi)始隨著轉(zhuǎn)速的上升而降低,在1 400 r/min后逐漸上升,在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定,之后再次下降,并在2 000～2 200 r/min區(qū)間內(nèi)緩慢增長(zhǎng),最后隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加,在到達(dá)最大轉(zhuǎn)速之前小幅下降;從圖7b可以看出,煙度在1 600 r/min前保持平穩(wěn)狀態(tài),達(dá)到1 600 r/min后劇烈上升,在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)煙度排放達(dá)到最大值后急劇下降,在2 000～2 200 r/min區(qū)間內(nèi)上下小幅度波動(dòng),最后隨著轉(zhuǎn)速的增加迅速上升;從圖7c可以看出,排氣溫度開(kāi)始隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸降低,在1 400 r/min后隨著轉(zhuǎn)速的增加,排氣溫度迅速上升,在最大扭矩點(diǎn)時(shí)排氣溫度達(dá)到最高,之后隨著轉(zhuǎn)速上升,排氣溫度下降,在2 000～2 200 r/min區(qū)間內(nèi),排氣溫度上下波動(dòng),最后,隨著轉(zhuǎn)速的增加,排氣溫度逐漸增加。

造成以上現(xiàn)象的原因與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程有關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷啟動(dòng)時(shí),因?yàn)闅飧诇囟鹊?燃油不易霧化,且噴油器向氣缸內(nèi)噴入過(guò)量燃油,氣缸內(nèi)是濃混合氣,所以此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率和排氣溫度較高,但此時(shí)尾氣中未燃HC、CO含量較高,煙度值較小。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)完成,此時(shí)噴油器向氣缸內(nèi)噴入的燃油量較少,混合氣中O2含量較高,混合氣能夠完全燃燒,且噴油量較少,故此時(shí)油耗率和排氣溫度有下降趨勢(shì),煙度值基本不變[6];之后發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增加,為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的需要,此時(shí)噴油器向發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴入的燃油量增加,氣缸內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定水平,混合氣濃度上升,此時(shí)氣缸內(nèi)混合氣燃燒不充分,排放較為惡劣,故隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加,排氣溫度、油耗率以及煙度值均上升;之后隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷降低,氣缸內(nèi)混合氣濃度下降,排放優(yōu)化,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率、排氣溫度、煙度值均隨著負(fù)荷降低而減小;最后,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)最大轉(zhuǎn)速前,由于轉(zhuǎn)速增加,噴油次數(shù)增多,而混合氣在氣缸內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間減少,混合氣燃燒不完全,部分混合氣還未燃燒完全就被排出缸外,排放較為惡劣,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、排氣溫度以及煙度值隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加[7]。

3.3 NH3存儲(chǔ)量與NOx轉(zhuǎn)化效率之間的關(guān)系

試驗(yàn)探究了廢氣流量在350 kg/h的情況下,不同溫度對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率與NH3存儲(chǔ)量(存儲(chǔ)在催化劑表面的NH3)之間的關(guān)系以及在350 kg/h廢氣量下開(kāi)氨存儲(chǔ)時(shí)不同溫度下的轉(zhuǎn)化效率,試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 NH3存儲(chǔ)量對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

從圖8a可以看出,在廢氣流量為350 kg/h的情況下,隨著NH3存儲(chǔ)量的增加,NOx轉(zhuǎn)化效率逐漸增加,這是由于NH3存儲(chǔ)量增加,吸附在催化劑表面上的NH3的量就增加,加快了NOx還原反應(yīng)的速率,從而增大了NOx的轉(zhuǎn)化效率[8]。

從圖8b可以看出,隨著溫度的增加,NH3存儲(chǔ)量逐漸減少,原因是隨著溫度的上升,催化劑活性增加,NH3與NOx的氧化還原速率增加,越來(lái)越多的NH3參與到氧化還原反應(yīng),導(dǎo)致吸附在催化劑表面上的NH3的量降低,故而NH3存儲(chǔ)量隨溫度升高而降低[9]。從圖8b還可以看出,NOx的轉(zhuǎn)化效率先增加,然后在一定溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,在480 ℃后,隨著溫度的增加,NOx的轉(zhuǎn)化效率略微下降。原因是隨著溫度上升,催化劑活性增加,NH3與NOx的氧化還原速率逐漸增加,在250～480 ℃溫度區(qū)間內(nèi),催化劑活性很高,氧化還原速率保持在很高的水平;當(dāng)溫度大于480 ℃時(shí),溫度對(duì)催化劑活性幾乎無(wú)影響[10-12],而NH3存儲(chǔ)量過(guò)低,對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率有一定影響,導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率降低[13-15]。

3.4 尿素結(jié)晶試驗(yàn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行WHTC工況試驗(yàn)。選取前345 s工況進(jìn)行連續(xù)24 h低溫結(jié)晶試驗(yàn),測(cè)得溫度傳感器T6平均溫度在200 ℃左右;結(jié)束后拆卸觀察結(jié)晶現(xiàn)象并稱重,結(jié)晶質(zhì)量為17.5 g,有輕微結(jié)晶現(xiàn)象,滿足試驗(yàn)要求,尿素結(jié)晶圖如圖9所示。尿素結(jié)晶原因可能是使用的尿素純度不高,或者是噴嘴安裝存在一定的空隙[16]。雖然SCR系統(tǒng)出現(xiàn)尿素結(jié)晶是正?，F(xiàn)象,但是尿素結(jié)晶到一定程度會(huì)影響后處理性能,因此后續(xù)需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少尿素結(jié)晶,減小其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

圖9 尿素結(jié)晶圖

3.5 穩(wěn)態(tài)溫度損失試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)溫?fù)p試驗(yàn)是指發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門開(kāi)度、轉(zhuǎn)速和其他主要參數(shù)保持不變的情況下進(jìn)行的溫度損失驗(yàn)證。溫度損失的大小為傳感器T5與T6的數(shù)值之差,T5表示DPF入口處溫度,T6表示SCR入口處溫度。取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min、扭矩為70 N·m(小負(fù)荷工況)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、扭矩為220 N·m(大負(fù)荷工況)2個(gè)工況點(diǎn),測(cè)得穩(wěn)態(tài)溫度損失分別為11 ℃和18 ℃,溫差大小符合試驗(yàn)要求,結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同工況下傳感器數(shù)值

3.6 DPF載體涂敷性能試驗(yàn)

為了探究DPF涂敷層對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響,試驗(yàn)用未涂敷材料的DPF空白載體(SiC載體)和使用涂敷量為40 g/L的堿金屬載體進(jìn)行比較,分別測(cè)試兩者的排氣背壓以及油耗情況,結(jié)果如圖11所示。

圖11 DPF載體涂敷性能影響試驗(yàn)結(jié)果

從圖11可以看出:DPF載體涂敷層對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓有一定的影響,涂敷堿金屬的DPF載體和空白載體的排氣背壓都近乎呈線性增長(zhǎng),且前者比后者排氣背壓高了5.2 kPa左右;涂敷載體的油耗略大于空白載體。這是由于涂敷載體的排氣背壓大于空白載體,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)功率,為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性,需要增加混合氣濃度來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出[17]。

4 結(jié) 論

本文基于4B5-70U32型柴油機(jī)搭建發(fā)動(dòng)機(jī)后處理試驗(yàn)臺(tái)架,通過(guò)一系列試驗(yàn)探究了后處理系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、排放情況的影響,得出以下結(jié)論:

1) 試驗(yàn)對(duì)后處理系統(tǒng)的溫度、NOx傳感器進(jìn)行校對(duì),并對(duì)后處理系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫?fù)p值進(jìn)行測(cè)量,得到的結(jié)果均符合試驗(yàn)要求。

2) 發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的油耗率、尾氣煙度以及排氣溫度均達(dá)到最高值,后續(xù)需要通過(guò)一系列技術(shù)手段降低最大扭矩點(diǎn)的排放值,降低對(duì)環(huán)境的污染。

3) 在一定廢氣流量的情況下,隨著NH3存儲(chǔ)量的增加,NOx轉(zhuǎn)化效率增加;隨著溫度增加,NH3存儲(chǔ)量減少,NOx轉(zhuǎn)化效率先增后降。

4) 在尿素結(jié)晶試驗(yàn)中,后處理尿素結(jié)晶量較少,符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),但后續(xù)仍需要改善,進(jìn)一步降低尿素結(jié)晶對(duì)后處理系統(tǒng)性能的影響。

5) DPF載體涂敷堿金屬涂層對(duì)于空白載體而言,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有一定的影響,但影響較輕微。