前置DOC對(duì)SCR系統(tǒng)柴油機(jī)NOx排放的影響

田茂軍， 朱紅國， 黃德軍， 徐輝， 李祚兵

(中國汽車工程研究院股份有限公司， 重慶 401122)

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前置DOC對(duì)SCR系統(tǒng)柴油機(jī)NOx排放的影響

田茂軍， 朱紅國， 黃德軍， 徐輝， 李祚兵

(中國汽車工程研究院股份有限公司， 重慶 401122)

對(duì)裝配前置DOC和無DOC的SCR系統(tǒng)柴油機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)試驗(yàn)，研究了前置DOC在不同循環(huán)狀態(tài)下對(duì)NOx排放的影響。結(jié)果表明：前置DOC能顯著提高SCR入口處NO2與NOx的體積比V(NO2)∶V(NOx)，加速SCR反應(yīng)，提高NOx轉(zhuǎn)化效率，改善NOx排放；在ESC非怠速工況下，DOC對(duì)V(NO2)∶V(NOx)的影響會(huì)隨著排氣中氧含量和排氣溫度、空速的提高逐漸降低；溫度超過一定范圍時(shí)，NH3對(duì)O2的選擇性突然提高，V(NO2)∶V(NOx)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響將減?。籇OC內(nèi)氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量有限，不足以提高SCR入口處排氣溫度，而DOC陶瓷載體的儲(chǔ)熱特性在瞬態(tài)循環(huán)下會(huì)對(duì)SCR入口溫度產(chǎn)生一定影響，但這并不是改善NOx排放的主要原因。

柴油機(jī)； 排放； 氮氧化物； 柴油機(jī)氧化催化器； 選擇性催化還原

隨著我國汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格，柴油機(jī)僅僅依靠燃燒優(yōu)化等機(jī)內(nèi)措施已不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。選擇性催化還原(SCR)技術(shù)由于其油耗低、油品適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品平臺(tái)繼承性好等優(yōu)點(diǎn)，成為國Ⅳ柴油動(dòng)力的首選排放技術(shù)路線[2]。但是當(dāng)排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)至國Ⅴ階段之后，小排量重型柴油機(jī)由于裸機(jī)排放偏高以及車載SCR布置安裝等因素，SCR系統(tǒng)往往距離發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器出口較遠(yuǎn)，單純依靠SCR實(shí)現(xiàn)國Ⅴ排放較困難，因而DOC+SCR成為了小排量重型柴油機(jī)國Ⅴ排放階段的主要技術(shù)路線。國內(nèi)諸多學(xué)者已針對(duì)氣態(tài)污染物和顆粒物排放分別對(duì)DOC和SCR進(jìn)行了深入研究[3-12]，但是鮮有DOC對(duì)SCR系統(tǒng)柴油機(jī)NOx排放影響的研究。本研究針對(duì)采用DOC+SCR技術(shù)路線的小排量重型柴油機(jī)，研究了不同試驗(yàn)循環(huán)下DOC對(duì)SCR系統(tǒng)柴油機(jī)NOx排放的影響。

1 SCR反應(yīng)機(jī)理

SCR催化還原反應(yīng)是十分復(fù)雜的綜合反應(yīng)，其主要的反應(yīng)為

由于發(fā)動(dòng)機(jī)原始排氣中的NOx以NO為主(約90%)，所以式(1)被稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。NOx轉(zhuǎn)化效率隨SCR入口溫度變化較大，隨著溫度升高，催化劑活性逐漸增強(qiáng)，當(dāng)溫度升高至350 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到峰值；溫度在350～450 ℃內(nèi)，催化器轉(zhuǎn)化效率都維持在較高水平，并不隨溫度變化而變化。當(dāng)溫度超過此范圍后，由于NH3對(duì)O2的選擇性突然升高，NOx的轉(zhuǎn)化效率開始下降。同時(shí)當(dāng)NO2與NOx體積比V(NO2)∶V(NOx)小于50%時(shí)，NOx的轉(zhuǎn)化效率隨著V(NO2)∶V(NOx)的增加而提高；當(dāng)V(NO2)∶V(NOx)達(dá)到50%時(shí)，轉(zhuǎn)化效率最高，所以式(2)被稱為快速SCR反應(yīng)。當(dāng)V(NO2)∶V(NOx)超過50%時(shí)，NOx的轉(zhuǎn)化效率則會(huì)由于緩慢SCR反應(yīng)(式(3))的主導(dǎo)而降低[11-14]。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用一臺(tái)DOC+SCR技術(shù)路線的國產(chǎn)小排量重型柴油機(jī)，其尿素噴射采用開環(huán)控制，同時(shí)帶瞬態(tài)修正策略。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1，DOC與SCR主要參數(shù)見表2。催化器安裝以實(shí)車為基準(zhǔn)，DOC安裝在距增壓器出口曲線約1 140 mm處，SCR安裝在距增壓器出口曲線約2 165 mm處，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。試驗(yàn)采用同一批次國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)用0號(hào)柴油，S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8×10-6。試驗(yàn)設(shè)備包括AVL 220 kW測功機(jī)、HORIBA MEXA7200D分析儀、HORIBA CVS-7400T全流稀釋系統(tǒng)和AVL ACS2400進(jìn)氣空調(diào)。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 DOC與SCR主要參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

分別對(duì)裝配前置DOC和無DOC的SCR系統(tǒng)柴油機(jī)進(jìn)行ESC，ETC和WHTC試驗(yàn)，在去除SCR狀態(tài)下分別對(duì)帶DOC和無DOC系統(tǒng)柴油機(jī)進(jìn)行ESC，ETC和WHTC試驗(yàn)，同時(shí)測量DOC入口溫度、出口溫度，SCR入口溫度，NO2與NOx體積比。為排除SCR內(nèi)NH3存儲(chǔ)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在試驗(yàn)前，大負(fù)荷運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)使NOx排放穩(wěn)定后再進(jìn)行試驗(yàn)。在進(jìn)行無DOC狀態(tài)試驗(yàn)時(shí)，采用相同材質(zhì)的空管代替DOC，保證試驗(yàn)時(shí)SCR距增壓器出口的距離相同。同時(shí)固化ECU與DCU數(shù)據(jù)，保證試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)一致。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 ESC試驗(yàn)分析

圖2示出ESC試驗(yàn)各工況的NOx轉(zhuǎn)化率。由圖2可看出，除怠速與第10 工況點(diǎn)外，其余各工況點(diǎn)裝配前置DOC時(shí)NOx的轉(zhuǎn)化率較無DOC時(shí)明顯提升。除無尿素噴射的怠速工況外，裝配前置DOC時(shí)NOx的轉(zhuǎn)化率平均達(dá)75.4%，比無DOC時(shí)高5.1%，在循環(huán)的第2工況點(diǎn)轉(zhuǎn)化效率最高，達(dá)到88.5%，而無DOC狀態(tài)僅有79%。裝配前置DOC時(shí)，NOx排放結(jié)果為1.707 g/(kW·h)，較無DOC狀態(tài)的2.076 g/(kW·h)改善了17.8%。

圖3示出ESC試驗(yàn)各工況SCR入口排氣溫度。除怠速工況外，其余各工況點(diǎn)有無DOC時(shí)SCR入口溫度基本一致，因此可知DOC內(nèi)氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量有限，不足以提高SCR入口排溫。

圖4示出DOC對(duì)SCR入口處NO2與NOx體積比的影響。由圖4可知，裝配前置DOC可以提高SCR入口處NO2與NOx體積比14%～30%，除怠速工況外，其余各工況點(diǎn)NO2與NOx體積比均在50%以內(nèi)，同時(shí)各工況點(diǎn)NOx轉(zhuǎn)化率普遍提高。第10工況點(diǎn)NOx轉(zhuǎn)化率并沒有因?yàn)閂(NO2)∶V(NOx)的提高而改善，原因是此工況排氣溫度超過450 ℃，此時(shí)NH3對(duì)O2的選擇性突然提高，而排氣中氧含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NOx含量，NH3和O2的接觸機(jī)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NOx，大部分NH3與O2發(fā)生反應(yīng)[15]，由于NH3與O2反應(yīng)的主導(dǎo)，所以排氣溫度超過一定值時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化率受V(NO2)∶V(NOx)的影響減小。由此可知，穩(wěn)態(tài)工況下，前置DOC提高了SCR入口排氣中V(NO2)∶V(NOx)，使催化反應(yīng)朝向快速SCR反應(yīng)發(fā)展，從而提高NOx轉(zhuǎn)化效率。

圖5示出ESC循環(huán)不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷狀態(tài)下，DOC對(duì)V(NO2)∶V(NOx)的影響。由圖5可知，在ESC試驗(yàn)中，當(dāng)DOC入口溫度較高(350 ℃以上)時(shí)，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，V(NO2)∶V(NOx)的提高率逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象有兩種原因：

1) 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，A，B，C轉(zhuǎn)速下NO體積分?jǐn)?shù)分別由330×10-6，267×10-6和268×10-6增加至827×10-6，650×10-6和492×10-6，當(dāng)排氣中NO濃度非常高時(shí)，Pt表面會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致NO和O-競爭活性位。研究表明，NO-Pt結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱于O-Pt，而柴油機(jī)排氣一直處于富氧狀態(tài)，氧含量的提高會(huì)抑制NO在Pt上的附著，從而降低NO向NO2的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，NO2是非常好的催化器表面氧原子來源，與O2相比，NO2在Pt 表面具有更高的黏附系數(shù)，因此NO2濃度的增加會(huì)抑制NO的氧化[16]。試驗(yàn)結(jié)果表明，此發(fā)動(dòng)機(jī)在25%～75%負(fù)荷下排氣中氧含量隨轉(zhuǎn)速的提高逐漸增加。

2) NO氧化是放熱過程，因此高負(fù)荷時(shí)，較高的排氣溫度會(huì)抑制NO氧化成NO2，同時(shí)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量相應(yīng)增加，導(dǎo)致排氣空速增加，從而引起NO氧化滯后，因此高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況會(huì)降低NO的氧化效率[16]。

3.2 ETC試驗(yàn)分析

裝配前置DOC時(shí)，DOC入口、出口排氣溫度見圖6。DOC出口平均排氣溫度較入口處高10 ℃。DOC出口溫度呈兩種變化特性：試驗(yàn)過程的前400 s，除少數(shù)負(fù)荷急劇增加的工況點(diǎn)外， DOC出口溫度均高于DOC入口溫度；在400～1 800 s，DOC出口溫度在加負(fù)荷工況均低于入口溫度，而在減負(fù)荷工況，出口溫度均高于入口溫度，且試驗(yàn)過程中，DOC出口溫度變化平順。由ESC試驗(yàn)可知，DOC內(nèi)催化氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量有限，不足以提升DOC出口溫度，且由DOC陶瓷載體的儲(chǔ)熱特性可知，試驗(yàn)前的標(biāo)定工況運(yùn)行所儲(chǔ)存的熱量，導(dǎo)致試驗(yàn)過程前400 s DOC出口溫度均高于入口溫度。而隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，DOC儲(chǔ)存的熱量逐漸減少，發(fā)動(dòng)機(jī)在加負(fù)荷工況DOC載體溫度低于入口排氣溫度，此時(shí)，DOC進(jìn)入儲(chǔ)熱狀態(tài)，吸收熱量，從而導(dǎo)致DOC出口溫度低于入口溫度；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)減負(fù)荷時(shí)，DOC載體溫度高于入口排氣溫度，此時(shí)DOC進(jìn)入釋放熱量狀態(tài)，從而導(dǎo)致DOC出口溫度高于入口溫度。而由于DOC儲(chǔ)熱功能的緩沖作用，DOC出口較入口溫度變化平順。

圖7示出SCR入口排氣溫度。由圖7可知，裝配DOC時(shí)SCR入口排氣溫度比無DOC時(shí)平均高20 ℃，說明進(jìn)行ETC試驗(yàn)時(shí)，DOC能在一定程度上提高SCR入口的平均排氣溫度。經(jīng)裝載相同載體但無貴金屬涂層且相同封裝的裝置再次進(jìn)行ETC試驗(yàn)時(shí)，SCR入口平均溫度比無DOC時(shí)高16 ℃，此時(shí)NOx比排放量為1.863 g/(kW·h)，比無DOC時(shí)的1.945 g/(kW·h)僅改善4.2%。去除SCR系統(tǒng)，裝配前置DOC與無DOC時(shí)V(NO2)∶V(NOx)分別為33%和11%，由此可知，前置DOC能顯著提高SCR入口處V(NO2)∶V(NOx)，裝配前置DOC的SCR試驗(yàn)結(jié)果為1.576 g/(kW·h)，較無DOC時(shí)改善19.0%。

通過以上試驗(yàn)可知，在ETC試驗(yàn)時(shí)，裝配前置DOC能在一定程度上提高SCR入口平均排氣溫度，但是排氣溫度的提高并不是改善NOx排放的主要原因，提高SCR入口排氣V(NO2)∶V(NOx)才是改善NOx排放的主要因素。

3.3 WHTC試驗(yàn)分析

圖8和圖9分別示出有無DOC時(shí)，WHTC試驗(yàn)冷態(tài)和熱態(tài)SCR入口溫度。由于DOC陶瓷載體具有儲(chǔ)熱特性，在WHTC冷態(tài)循環(huán)初期，DOC載體溫度低于排氣溫度，因此DOC需要一段儲(chǔ)熱升溫過程。由圖8可知，有DOC時(shí)SCR入口溫度上升明顯滯后于無DOC狀態(tài)，加負(fù)荷過程更加明顯，同時(shí)循環(huán)均值溫度也同樣低于無DOC狀態(tài)4 ℃。因此WHTC冷態(tài)循環(huán)時(shí)，前置DOC不能提高SCR入口溫度。去除SCR后，裝配DOC與無DOC時(shí)循環(huán)V(NO2)∶V(NOx)分別為34%和12%。由于WHTC冷態(tài)循環(huán)SCR入口溫度均低于350 ℃的理想溫度值，此時(shí)隨著溫度的降低，NOx轉(zhuǎn)化率降低。但是試驗(yàn)結(jié)果表明，裝配前置DOC較無DOC狀態(tài)WHTC冷態(tài)循環(huán)NOx排放改善16.5%，所以可知WHTC冷態(tài)循環(huán)下V(NO2)∶V(NOx)的提高加快了低溫狀態(tài)下NOx的催化反應(yīng)速度，從而改善NOx排放。

由圖9可見，熱態(tài)WHTC循環(huán)下裝配DOC時(shí)明顯遲緩了減負(fù)荷工況溫度的降低，保證了在急減負(fù)荷工況下SCR入口依然有較高溫度。同時(shí)由于DOC陶瓷載體經(jīng)過冷態(tài)循環(huán)后，受其內(nèi)部存儲(chǔ)的熱量的影響，SCR入口循環(huán)均值溫度較無DOC狀態(tài)提高10 ℃。裝配前置DOC時(shí)，在試驗(yàn)進(jìn)行400 s后，SCR入口溫度均高于尿素起噴溫度；而無DOC狀態(tài)，高于尿素起噴溫度的工況點(diǎn)明顯減少。熱態(tài)循環(huán)時(shí)裝配DOC不僅提高了SCR入口均值溫度，同時(shí)增加了高于尿素起噴溫度的工況點(diǎn)數(shù)量，且提高了SCR入口V(NO2)∶V(NOx)。結(jié)果表明，裝配前置DOC時(shí)WHTC熱態(tài)循環(huán)下NOx排放較無DOC狀態(tài)改善20.1%。

4 結(jié)論

a) 裝配前置DOC能顯著提高SCR入口排氣中V(NO2)∶V(NOx)，加快SCR反應(yīng)速度，提高NOx轉(zhuǎn)化效率，降低SCR系統(tǒng)柴油機(jī)的NOx排放,在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)循環(huán)均能降低NOx排放20%左右；

b) 在ESC工況下，由于DOC入口溫度處于較高水平(350 ℃以上)，DOC對(duì)NO2與NOx體積比的影響會(huì)隨著排氣中氧含量和排氣溫度、空速的增加逐漸降低，同時(shí)排氣溫度超過一定范圍(450 ℃以上)時(shí)，由于NH3對(duì)O2的選擇性突然提高，NO2與NOx的體積比對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響將減??；

c) 在ETC和熱態(tài)WHTC循環(huán)下DOC內(nèi)氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量有限，不足以提高SCR入口排氣溫度，但由于DOC具有儲(chǔ)熱功能，前置DOC能在一定程度提高試驗(yàn)循環(huán)SCR入口平均排氣溫度，但是溫度的提高對(duì)NOx排放的改善不足5%，其對(duì)NO2與NOx體積比的提高才是改善NOx排放的主要原因；

d) 裝配前置DOC對(duì)冷態(tài)WHTC循環(huán)SCR入口溫度無改善作用，但是其增加了冷態(tài)和熱態(tài)循環(huán)下高于尿素起噴溫度工況點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)提高了SCR入口處V(NO2)∶V(NOx)，改善了低溫狀態(tài)下SCR反應(yīng)速率，從而改善了WHTC循環(huán)NOx排放。

[1] 張紀(jì)元.重型柴油機(jī)SCR系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

[2] 陶澤民，宋崇林，呂剛，等.釩基SCR催化劑動(dòng)態(tài)反應(yīng)特性的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009(5):417-422.

[3] 樓狄明，姚笛，高帆，等.SCR裝置對(duì)共軌柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)顆粒物排放特性影響的研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2014,35(2)：14-19.

[4] 佟德輝.降低車用柴油機(jī)NOx排放的SCR技術(shù)控制策略研究[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[5] 李孟良，張遠(yuǎn)軍，高繼東，等.安裝SCR系統(tǒng)的國Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2010,31(1)：43-46.

[6] 賈傳德，何超，李加強(qiáng)，等.氧化催化器對(duì)柴油機(jī)NO2排放影響的仿真研究[J]．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013(4)：46-49.

[7] 樓狄明，馬濱，譚丕強(qiáng)，等.車用柴油機(jī)氧化催化器的試驗(yàn)研究[J]．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009(2)：32-35.

[8] 鄧曉光.車用柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器的模擬計(jì)算與試驗(yàn)研究[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[9] 葛蘊(yùn)珊，趙偉，王軍方，等.DOC對(duì)柴油機(jī)排放特性影響的研究[J]．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(5)：460-464.

[10] 薛冬新，侯文俊，宋希庚.SCR系統(tǒng)降低柴油機(jī)NOx排放的試驗(yàn)研究[J]．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011(2)：79-82.

[11] 劉倩.柴油機(jī)氮氧化物(NO、NO2)選擇性催化還原SCR轉(zhuǎn)化率影響因素的研究[D]．鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010.

[12] 陳鎮(zhèn)，胡靜，陳國棟，等.提高柴油機(jī)尿素SCR系統(tǒng)氮氧化物轉(zhuǎn)化率的試驗(yàn)研究[J]．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010(6)：79-82.

[13] Enrico Tronconi,Isabella Nova,Cristian Ciardelli,et al.Redox features in the catalytic mechanism of the "standard" and "fast" NH3-SCR of NOxover a V-based catalyst investigated by dynamic methods[J]．Journal of Catalysis，2007,245：1-10.

[14] Isabella Nova,Cristian Ciardelli,Enrico Tronconi,et al.NH3-NO/NO2SCR for diesel exhausts after treatment: mechanism and modeling of a catalytic converter[J]．Topics in Catalysis，2007(42)：43-46.

[15] 辛喆，張寅，王順喜，等.柴油機(jī)Urea-SCR催化器轉(zhuǎn)化效率影響因素研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011(9)：30-34.

[16] 馮謙，樓狄明，計(jì)維斌，等.DOC/DOC+CDPF對(duì)重型柴油機(jī)氣態(tài)物排放特性的影響研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2014，35(4)：1-6.

[編輯： 袁曉燕]

Effect of Pre-DOC on NOxEmission for SCR Diesel Engine

TIAN Maojun, ZHU Hongguo, HUANG Dejun, XU Hui, LI Zuobing

(China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Chongqing 401122, China)

The steady and transient test of diesel engine were carried out under the conditions of pre-DOC and non-DOC and the effect of pre-DOC on NOxemission was studied. The results show that the pre-DOC can obviously increase theV(NO2)∶V(NOx) volume fraction ratio st SCR entrance, accelerate the SCR reaction, raise the conversion efficiency of NOxand improve NOxemission. Effect of DOC onV(NO2)∶V(NOx) volume fraction ratio decreases with the increase of oxygen content, exhaust temperature and air speed in ESC except idle. When the exhaust temperature exceeds a certain range, the effect ofV(NO2)∶V(NOx) volume fraction ratio on NOxconversion rate decreases due to the sharp increase in the selectivity of NH3to O2. The limited heat of DOC reaction is not enough to increase the entrance temperature of SCR，but the accumulated heat of ceramic substrate can increase the entrance temperature in ETC, however it is not the main method to improve NOxemission.

diesel engine; emission; nitrogen oxide; DOC; SCR

2015-03-29；

2015-05-07

田茂軍(1986—)，男，助理工程師，本科，主要研究方向?yàn)橹匦桶l(fā)動(dòng)機(jī)排放及性能試驗(yàn)；tianmao222@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.016

TK427

B

1001-2222(2015)04-0080-05