不同路線國IV車用重型柴油機(jī)非常規(guī)排放試驗(yàn)研究

郭紅松 方茂東 曹 磊 陸紅雨 王益民

（中國汽車技術(shù)研究中心）

1 前言

我國和世界其它各國傳統(tǒng)法規(guī)關(guān)于汽車尾氣主要針對(duì)常規(guī)排放物諸如 NOx、顆粒物（PM）、THC、CO進(jìn)行了規(guī)范，而對(duì)諸如 NO2、HCHO、SO2、NH3等非常規(guī)排放卻沒有具體的要求[1]。對(duì)于NH3排放，我國也僅在文獻(xiàn)[2]中規(guī)定，在ETC排放測(cè)試循環(huán)中，氨排放平均值不超過25×10-6（國IV和國V階段），而關(guān)于NO2排放也僅對(duì)采用EGR技術(shù)的柴油機(jī)有要求。2009年，美國環(huán)保署（EPA）開始對(duì)裝有排放控制裝置的柴油機(jī)的NO2排放量進(jìn)行了規(guī)定，要求NO2的排放量不能超過NOx排放的20%[3]。

然而，非常規(guī)排放對(duì)人體的危害極大[4]，SO2、NO2是刺激性很強(qiáng)的有毒氣體，HCHO則是大氣中致癌的頭號(hào)因素，吸入過量的NH3輕則肺氣腫，重則致死?，F(xiàn)在國內(nèi)外正在探討是否在新的排放標(biāo)準(zhǔn)中增加這幾項(xiàng)限制[5]。本文使用AVL全流取樣系統(tǒng)對(duì)采用3款不同技術(shù)路線的國IV重型車用柴油機(jī)進(jìn)行了非常規(guī)排放對(duì)比試驗(yàn)研究[6～8]。

2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖1所示，研究所使用主要設(shè)備型號(hào)見表1所列。其中，常規(guī)排放測(cè)試使用的是奧地利AVL公司生產(chǎn)的CEBII排氣分析儀。FTIR氣體分析儀可測(cè)量包括NH3、NO2、SO2和HCHO等22種不同的氣體成分[10]。

表1 試驗(yàn)用設(shè)備型號(hào)

試驗(yàn)用3臺(tái)國IV柴油機(jī)為直列四缸，供油系統(tǒng)均為高壓共軌，進(jìn)氣系統(tǒng)均為增壓中冷，基本技術(shù)參數(shù)見表2所列。研究中SCR系統(tǒng)為開環(huán)控制，使用的尿素溶液質(zhì)量濃度為32.5%，尿素噴射量為NH3/NOx=1；SCR催化器尾部帶有氨氧化（AMOX）裝置用來減少NH3泄漏。

表2 試驗(yàn)用柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)使用的是國IV標(biāo)準(zhǔn)柴油，其主要理化特性見表3所列。

表3 試驗(yàn)用國IV柴油主要理化特性

按照GB17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國III、IV、V 階段）》，分別對(duì) 3 臺(tái)柴油機(jī)進(jìn)行了 ESC（European Steady Cycle）和 ETC（European Transient Cycle）循環(huán)試驗(yàn)。ESC和ETC試驗(yàn)循環(huán)工況點(diǎn)分別如圖2和圖3所示[1]。其中，ETC循環(huán)中前600 s為城市街道工況，中間600 s為鄉(xiāng)村道路工況，后600 s為高速公路工況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了便于分析結(jié)果，本文定義了變量δ=NO2/NOx·100。

3.1 不同技術(shù)路線常規(guī)排放比較

表4給出的是不同路線ESC、ETC循環(huán)下國IV柴油機(jī)常規(guī)排放結(jié)果。DOC是通過催化氧化反應(yīng)降低柴油車尾氣中CO、THC和PM中部分可溶有機(jī)成分以及醛類物質(zhì)[8]。POC主要通過催化氧化方式降低廢氣中微粒的含量，但POC降低廢氣中微粒含量的能力較差，如果要達(dá)到與DPF同樣的排放效果，則要求發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)生成的微?？偭枯^低，因此增加了發(fā)動(dòng)機(jī)控制的難度[8]。如表4所列，無論是ESC循環(huán)還是ETC循環(huán)，3種技術(shù)路線都可以使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到國IV排放標(biāo)準(zhǔn)要求，且DOC+POC、DOC+DPF以及SCR 3種技術(shù)路線的PM排放依次降低，這和DPF對(duì)PM的凈化效率大大高于POC有關(guān)，同時(shí)SCR允許較高的NOx排放來盡可能降低PM排放，結(jié)果SCR的PM排放最低；3種技術(shù)路線下NOx排放大致相當(dāng)，但DOC+POC路線難以保證在PM達(dá)標(biāo)的情況下進(jìn)一步大幅降低 NOx；DOC+POC及DOC+DPF路線的CO排放較SCR路線明顯低很多，尤其是在ETC循環(huán)下，這是由于DOC、POC可以高效氧化CO的結(jié)果。

表4 不同技術(shù)路線ESC、ETC循環(huán)下國Ⅳ柴油機(jī)常規(guī)排放結(jié)果 g/（kW·h）

3.2 不同技術(shù)路線非常規(guī)排放比較

表5給出的是不同技術(shù)路線ESC、ETC循環(huán)下國IV柴油機(jī)的非常規(guī)排放結(jié)果。從表5不難看出，無論是ESC循環(huán)還是ETC循環(huán)，DOC+POC、DOC＋DPF以及SCR 3種技術(shù)路線的HCHO和NH3排放依次升高，且SCR路線HCHO、NH3排放較其它2種路線高很多。前者是由于DOC、POC不僅可以氧化CO而且對(duì)醛類也有高效的氧化作用[9]，后者是由于SCR路線使用尿素溶液存在NH3泄漏所致。此外，3種路線的NO2、SO2排放基本相當(dāng)，沒有明顯規(guī)律性變化。然而，無論是ESC循環(huán)還是ETC循環(huán)，DOC+POC、DOC＋DPF以及SCR 3種路線的δ依次順序明顯下降，這是POC、DOC可以氧化NO促進(jìn)NO2生成的結(jié)果[8]。

表5 不同技術(shù)路線ESC、ETC循環(huán)下國Ⅳ柴油機(jī)的非常規(guī)排放結(jié)果

3.3 不同技術(shù)路線油耗和CO2排放比較

對(duì)3種技術(shù)路線重型國IV柴油機(jī)的油耗和CO2排放也進(jìn)行了比較，結(jié)果見表6所列。從表6可以看出，3種技術(shù)路線下油耗和CO2排放比較接近，但SCR路線油耗和CO2排放要略低于DOC+POC、DOC+DPF路線，在ESC和ETC循環(huán)下SCR路線較DOC+POC路線油耗分別要下降4.9%和4.6%。這是由于DOC+POC、DOC+DPF路線需要同時(shí)使用EGR技術(shù)，導(dǎo)致一部分功率損失，結(jié)果油耗升高。

4 結(jié)束語

本文 研 究的 DOC+POC、DOC+DPF、SCR 3種技術(shù)路線都可以使車用重型柴油機(jī)達(dá)到國IV排放標(biāo)準(zhǔn)要求，但其 CO、HCHO、NH3排放依次惡化，NO2在NOx中的比例依次明顯下降。DOC+POC、DOC+DPF路線非常規(guī)排放相對(duì)較低，SCR路線在油耗方面相對(duì)具有優(yōu)勢(shì)。DOC+POC路線難以保證在PM達(dá)標(biāo)的情況下進(jìn)一步大幅降低NOx，很難滿足國V車用重型柴油機(jī)的需要。

表6 不同路線CO2排放和油耗 g/（kW·h）

1 GB17691—2005車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法 （中國III、IV、V階段）．

2 HJ473—2008車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載診斷（OBD）系統(tǒng)技術(shù)要求．

3 U.S.Environmental Protection Agency （EPA）， Control of EmissionsFrom New HighwayVehiclesand Engines Guidance on EPA’s Certification Requirements for Heavy-Duty Diesel Engines Using Selective Catalytic Reduction Technology， 40 CFR Part 86， Federal register/Vol.76， No.109，2011.

4 蔡茂春，楊雪茹，孫平．增壓柴油機(jī)采用廢氣再循環(huán)的燃燒過程和排放特性研究．小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2008，37（2）：68～71．

5 Economic Commission for Europe （ECE）， Test Procedure for Compression-ignition（C.I.） Engines and Positiveignition（P.I.） Engines Fuelled With Natural gas （NG） or Liquefied Petroleum gas （LPG） With Regard to the Emission of Pollutants，ECE/TRANS/180/Add.4/Amend.1， 2010.

6 Vaarkamp M， Rodkin M.Diesel Emission Contral Systems，SAIT，Kenote Paper.

7 Brian Scarnegie.A LNT+SCR System for Treating the NOxEmissions from a Diesel Engine， SAE 2006-01-0210，2006.

8 Chatterjee S， Walk A P， Blackman P G.Emission Control Options to Achieve Euro IV and Euro V on Heavy Duty Diesel Engines，SAE 2008-28-0021.

9 李博，樓狄明，譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)，張斌.柴油機(jī)燃用生物柴油的氮氧化物排放特性.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（9）：5～8．

10 于津濤，王建海，田冬蓮.歐美常溫排放法規(guī)對(duì)比及試驗(yàn)分析，汽車技術(shù)，2011（4）：43～45.