針對(duì)歐4及未來(lái)法規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)高效排氣后處理解決方案

【丹麥】　A.Widd　M.Lewander

試驗(yàn)研究

針對(duì)歐4及未來(lái)法規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)高效排氣后處理解決方案

【丹麥】A.WiddM.Lewander

摘要：重型載貨車(chē)輛歐4法規(guī)在實(shí)施瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)的尾氣氮氧化物(NOx)排放限值時(shí)，還對(duì)氨(NH3)排放有所限制。為滿足法規(guī)要求，有幾種可能的策略，包括發(fā)動(dòng)機(jī)管理措施，以及采用以NH3作為還原劑的NOx催化后處理措施。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)排氣后處理系統(tǒng)的整體性能及安裝，以及運(yùn)行成本等一系列重要問(wèn)題進(jìn)行了闡述和討論。還討論了歐5及未來(lái)排放法規(guī)的相關(guān)因素。發(fā)動(dòng)機(jī)以高廢氣再循環(huán)(EGR)率運(yùn)行是在幾乎沒(méi)有NOx催化還原后處理情況下滿足歐5法規(guī)的可能路徑之一。將EGR與僅采用選擇性催化還原(SCR)解決方案的無(wú)EGR發(fā)動(dòng)機(jī)作了對(duì)比。此外，還說(shuō)明了通過(guò)使用氨逃逸催化器或改善尿素劑量控制策略來(lái)減小SCR催化器尺寸的可能性。通過(guò)在同一系統(tǒng)上進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)給出了不同尿素劑量策略的效果。另一個(gè)很重要的方面是后處理系統(tǒng)的熱管理和保溫，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行了說(shuō)明。最后，對(duì)未來(lái)法規(guī)研究領(lǐng)域的重要性進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣解決方案

0前言

目前的發(fā)動(dòng)機(jī)及其后處理技術(shù)為重型載貨車(chē)輛滿足法規(guī)排放限值提供了廣泛的可能性。發(fā)動(dòng)機(jī)方面采用包括廢氣再循環(huán)(EGR)，以及諸如排氣節(jié)流之類(lèi)的熱管理技術(shù)，每種技術(shù)都對(duì)后處理系統(tǒng)的要求和設(shè)計(jì)可能性有重大影響[1-5]。本文以系統(tǒng)總體性能為重點(diǎn)，對(duì)為滿足歐洲法規(guī)的幾種解決方案進(jìn)行了討論。為了滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī)，通常要提升較先進(jìn)技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)，以保持有利的工作溫度和尿素劑量策略。本文根據(jù)配裝靈活后處理系統(tǒng)的大型柴油機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)幾種不同的布置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較試驗(yàn)。

道路用重型載貨汽車(chē)的相關(guān)排放法規(guī)包括歐4、歐5和歐6。歐4和歐5法規(guī)[6]要求按歐洲瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(ETC)和歐洲穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(ESC)進(jìn)行試驗(yàn)，歐6的相關(guān)試驗(yàn)為全球統(tǒng)一的瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(WHTC)和全球統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(WHSC)。表1為相關(guān)法規(guī)的氮氧化物(NOx)、NH3、碳?xì)?HC)排放限值。

1廢氣后處理

為滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，用NH3作為還原劑[1-3]的NOx選擇性催化還原(SCR)技術(shù)在當(dāng)今的重型載貨車(chē)排氣后處理系統(tǒng)中發(fā)揮著核心作用。除

表1　歐4、歐5和歐6法規(guī)的排放限值(歐4和歐5法規(guī)的平均NH3逃逸限值通常作為工程目標(biāo)，它不是法規(guī)的正式部分，表中用“*”標(biāo)記)

SCR外，針對(duì)歐洲和美國(guó)最新排放法規(guī)的現(xiàn)代后處理系統(tǒng)一般由如下幾個(gè)單元組成： (1) 捕集顆粒物的柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器(DPF)；(2) 用以去除未燃HC和CO的柴油機(jī)氧化催化器(DOC)，它生成的NO2能使DPF中的碳煙氧化和SCR快速反應(yīng)；(3) NH3逃逸催化器，用以去除殘留在SCR催化器中的過(guò)量NH3。每個(gè)部件的基體和催化涂層都有幾種可能的設(shè)計(jì)選擇。每個(gè)部件的尺寸和消聲器設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能也具有重要影響。

1.1SCR

NOx還原的主要反應(yīng)為“標(biāo)準(zhǔn)”和“快速”SCR反應(yīng)，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

該反應(yīng)處理過(guò)程較快，但需要在氣體成分中含有NO2。

SCR需要靠吸附在催化器活性位置上的NH3來(lái)發(fā)生反應(yīng)。盡管NH3的吸附率通常與催化劑溫度無(wú)關(guān)，但解吸過(guò)程通常需要至少達(dá)到某一規(guī)定的溫度。由于催化器的可用NH3儲(chǔ)存量會(huì)隨溫度上升而降低，對(duì)瞬態(tài)運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)[7-8]。如果催化器在相對(duì)高覆蓋率下工作時(shí)發(fā)生溫度升高，那么當(dāng)過(guò)多的NH3被吸附，尾管排氣中就會(huì)有NH3逸出的風(fēng)險(xiǎn)。相反，當(dāng)溫度降低后，較大的NH3存儲(chǔ)量就需要靠增加尿素的加注劑量來(lái)達(dá)到所期望的NOx轉(zhuǎn)化水平。在汽車(chē)應(yīng)用中，通常用尿素作為還原劑。通過(guò)分解和水解反應(yīng)，尿素被轉(zhuǎn)化為NH3，其反應(yīng)式如下

(3)

為了避免尿素在排氣系統(tǒng)中沉積，該轉(zhuǎn)化反應(yīng)需要在最低為180～200℃的溫度下才能發(fā)生，這是實(shí)際運(yùn)行中還原劑要達(dá)到的有效溫度的下限。

1.2DOC、DPF及NH3逸出催化器(ASC)

隨著法規(guī)的排放限值越來(lái)越嚴(yán)格，需要配裝額外的零部件來(lái)滿足法規(guī)的要求。為了在不顯著增加體積的情況下提高SCR催化器的NOx轉(zhuǎn)化率，通常需要較高的尿素加注劑量。這將能更好地利用SCR催化劑對(duì)NOx的去除能力，但也會(huì)增加溫度瞬變時(shí)產(chǎn)生過(guò)多NH3逃逸的風(fēng)險(xiǎn)。可以在SCR催化器的下游安裝ASC來(lái)氧化剩余的NH3。除了具有高活性外，ASC的設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)該是對(duì)氮有很高的選擇性，同時(shí)還應(yīng)限制其選擇不需要的產(chǎn)物，如NOx和NO。

由于對(duì)顆粒物排放的限制更為嚴(yán)格，特別是對(duì)顆粒物數(shù)量的限制，因而需要安裝DPF。過(guò)濾器中存儲(chǔ)的碳煙可以利用O2和/或NO2使之氧化，以進(jìn)行被動(dòng)再生，或通過(guò)向排氣流中噴入附加燃油來(lái)提升排氣溫度，進(jìn)行主動(dòng)再生。為了便于通過(guò)NO2或噴入燃油來(lái)氧化碳煙，以進(jìn)行DPF再生，并在DPF前設(shè)置DOC。

2概要

本文首先介紹了試驗(yàn)設(shè)備，以及發(fā)動(dòng)機(jī)在無(wú)EGR和高EGR率工況下的試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果，并闡述了它們與后處理系統(tǒng)和燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系。介紹了1個(gè)用無(wú)EGR發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到歐4排放法規(guī)的研究案例，并說(shuō)明了包括ASC的比較研究。接著重點(diǎn)論述了按符合歐5排放標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)尿素劑量策略和保溫對(duì)后處理系統(tǒng)性能的影響。最后重點(diǎn)介紹了歐5之后的法規(guī)，并闡述了后處理系統(tǒng)達(dá)到有利工作溫度的重要性。采用排氣節(jié)流的熱管理技術(shù)和自動(dòng)起停技術(shù)進(jìn)行了符合歐6排放標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)。本文結(jié)尾對(duì)提供的結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和進(jìn)一步討論。

3試驗(yàn)裝置

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)

在1臺(tái)配裝可變幾何渦輪增壓器和低壓EGR系統(tǒng)的Volvo公司MD13型發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了不同EGR率和不同燃油噴射壓力影響的研究。發(fā)動(dòng)機(jī)采用瑞典商用MK1柴油。

催化后處理系統(tǒng)的試驗(yàn)在排量為11L和13L的無(wú)EGR大型發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。

3.2排放測(cè)量

用2臺(tái)Horiba MEXA 7000系統(tǒng)測(cè)量NO、NOx、CO、CO2、O2、HC和N2O的排放。系統(tǒng)在10Hz下進(jìn)行測(cè)量。這一裝置能在被研究催化器的前后取樣點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

采用2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)對(duì)NH3進(jìn)行測(cè)量。Siemens LDS 6是1個(gè)經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)調(diào)制的半導(dǎo)體激光光譜系統(tǒng)，可用以探測(cè)任何環(huán)境中的氨[9]。LDS串聯(lián)安裝在后處理系統(tǒng)之后，可以只測(cè)量尾管中的NH3濃度。它能以良好的精度和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。第2個(gè)用于NH3測(cè)量的系統(tǒng)是配備1個(gè)專(zhuān)用泵/過(guò)濾器組合的Gasmet DX-4000傅立葉變換紅外光譜法(FTIR)系統(tǒng)。FTIR系統(tǒng)也能另外給出NO、NO2、N2O、CO、CO2和H2O的測(cè)量結(jié)果，但其速率比MEXA系統(tǒng)稍低。

4EGR與SCR的對(duì)比

滿足歐4法規(guī)的1種可行的策略是采用EGR來(lái)抑制發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放水平，這樣在后處理系統(tǒng)中就不需要進(jìn)一步去除NOx。這時(shí)，后處理系統(tǒng)可以主要由DOC和DPF組成，以控制因高EGR運(yùn)行產(chǎn)生的較高的顆粒數(shù)。另一方面，由于需要采用冷卻EGR回路和高壓燃油噴射系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)會(huì)更復(fù)雜。如果需要DPF的主動(dòng)再生，則必須設(shè)定1個(gè)燃油噴射點(diǎn)或必須進(jìn)行燃油后噴。

第2種對(duì)策是采用很少EGR或沒(méi)有EGR，它能使顆粒物排放降低，但會(huì)增加NOx排放水平。這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)可以較為簡(jiǎn)單。在這種情況下，后處理系統(tǒng)必須包括NOx去除功能，通常是采用SCR催化器的形式，有時(shí)后面要接1個(gè)ASC，同時(shí)還需要1個(gè)還原劑的定量加注點(diǎn)，通常采用以尿素溶液形式存在的NH3。

圖1中給出了在3種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放和煙度水平，以及有效燃油消耗率(BSFC)和排氣溫度?；鶞?zhǔn)線是在50%EGR率和空燃比(λ)約1.5h運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)。去掉EGR系統(tǒng)，保持空燃比不變，結(jié)果發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放升高，而煙度降低，同時(shí)有效燃油消耗率降低約10%，這主要是由于氣體交換效率提高的緣故。相應(yīng)地，排氣溫度大幅升高，它為排氣系統(tǒng)中的催化劑創(chuàng)造了有利條件。

圖1　高EGR、無(wú)EGR和無(wú)EGR并降低噴射壓力的對(duì)比

在運(yùn)行成本方面，還原劑的增加可以通過(guò)降低燃油耗來(lái)抵消。另外，為使后處理系統(tǒng)更有效，在后處理系統(tǒng)達(dá)到有利工作溫度的途徑也并不復(fù)雜。Scania公司的無(wú)EGR歐6系統(tǒng)達(dá)到了最低的運(yùn)行成本(包含燃油消耗和AdBlue尿素消耗)[5]。

5無(wú)EGR發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到歐4排放標(biāo)準(zhǔn)

用11L無(wú)EGR發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了歐4法規(guī)驗(yàn)證試驗(yàn)。法規(guī)規(guī)定按ETC試驗(yàn)時(shí)的最大累計(jì)NOx比排放量為3.5g/(kW·h)。另外，平均NH3排放要保持在低于25×10-6。圖2所示為1次熱ETC試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)的累計(jì)NOx比排放量、排氣溫度和排氣流量曲線。在熱態(tài)試驗(yàn)開(kāi)始前，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了ETC循環(huán)調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)和10min暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx比排放量?jī)H為10g/(kW·h)以下。

用直徑為12.7in、長(zhǎng)度為7in的釩基SCR催化器構(gòu)建了1個(gè)只采用SCR的后處理系統(tǒng)，其總?cè)莘e約為14.5L，SCR容積與發(fā)動(dòng)機(jī)排量之比略大于1.3。累計(jì)NOx比排放量小于 3.2g/(kW·h)，平均NH3逃逸量為17×10-6，留有10%的NOx排放余量。

圖2　按ETC試驗(yàn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)特性(1次熱態(tài)ETC循環(huán)中累計(jì)的NOx比排放量、排氣溫度和排氣流量)

另一種解決方案為在SCR催化器的下游增加1個(gè)ASC。這一策略的特點(diǎn)是允許進(jìn)一步減小SCR的容積，并同時(shí)采用更積極的尿素劑量策略。為了說(shuō)明包含ASC的系統(tǒng)潛力，對(duì)采用ASC的后處理系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。ASC的直徑尺寸為12.7in，長(zhǎng)度為4.0in，總?cè)莘e小于8.5L，約為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的0.75倍。

僅采用SCR和僅采用ASC方案的累計(jì)NOx比排放量如圖3所示。2種方案達(dá)到的NOx排放水平非常相近，ASC方案的平均NH3逃逸量為9×10-6。很明顯，僅采用ASC的方案需要相當(dāng)高的尿素劑量。這一結(jié)果是可以預(yù)料的，因?yàn)锳SC的設(shè)計(jì)就是利用其對(duì)氮的高選擇性來(lái)氧化NH3。采用ASC的方案因增加了尿素消耗其運(yùn)行成本明顯高于僅采用SCR的方案。僅采用ASC方案的試驗(yàn)相當(dāng)于整個(gè)SCR已被去除的1個(gè)減小尺寸的極端情況。1種更現(xiàn)實(shí)的方案是，為了能減小SCR催化器的尺寸或保證SCR的安全裕度，可采用1個(gè)較小容積的ASC。然而，減小尺寸或增加安全裕度必須權(quán)衡ASC與SCR催化器之間的價(jià)格差異。

圖3　僅采用SCR或ASC后處理系統(tǒng)時(shí)按ETC試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和尾管累計(jì)的NOx排放量，以及累計(jì)NH3劑量

6針對(duì)歐5法規(guī)的尿素劑量策略和保溫措施

隨著越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)的推出，要求后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率也要隨之提高。對(duì)于本文中使用的高NOx發(fā)動(dòng)機(jī)，為了達(dá)到歐5排放標(biāo)準(zhǔn)，在ETC試驗(yàn)循環(huán)中要求達(dá)到的整體轉(zhuǎn)化率為小于70%。要達(dá)到歐6標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)化率要求超過(guò)80%。在這方面，尿素劑量的選擇和排氣溫度的管理變得越來(lái)越重要。

6.1尿素劑量策略

尿素劑量策略決定著在任意給定時(shí)間內(nèi)排氣中應(yīng)該添加的尿素溶液數(shù)量。設(shè)計(jì)尿素劑量的策略有幾種方式，各種方式在計(jì)算復(fù)雜性、相關(guān)的標(biāo)定，以及傳感器要求方面有很大的差異[2-8]。

6.2NH3-NOx比的策略

直接的對(duì)策就是基于NH3-NOx的比率(ANR)來(lái)選擇尿素劑量。選擇尿素劑量的原則是，使進(jìn)入SCR催化器的NH3濃度等于ANR乘以NOx濃度。標(biāo)定只涉及到尋找合適的ANR值，然而，其缺點(diǎn)是單一的ANR值對(duì)每個(gè)可能的運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)將不會(huì)都是最佳點(diǎn)。

6.3基于圖譜的策略

通過(guò)仔細(xì)地繪制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍的特性圖譜，可以為圖譜中的每個(gè)工況點(diǎn)確定合適的ANR。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，可從圖譜中確定目前工況點(diǎn)的相應(yīng)ANR，并在劑量系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。更先進(jìn)的系統(tǒng)還可以考慮瞬態(tài)效應(yīng)，如在溫度升高期間需要暫時(shí)減少劑量，以避免過(guò)多的NH3逃逸。圖譜方法的缺點(diǎn)是繪制會(huì)非常耗時(shí)，而且在發(fā)動(dòng)機(jī)或后處理系統(tǒng)改變后需要重新繪制圖譜。

6.4基于建模的策略

基于建模的策略是以SCR催化器的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的。利用該模型，可以實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)期的NOx轉(zhuǎn)化率和NH3逃逸量，以便為劑量決策提供依據(jù)，可以區(qū)分為瞬態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型。原則上，穩(wěn)態(tài)模型可用于對(duì)給定工況點(diǎn)確定合適劑量的ANR，但本質(zhì)上無(wú)法描述與溫度等相關(guān)變量的瞬態(tài)效應(yīng)。而瞬態(tài)模型可以描述這些效應(yīng)，因此可以用劑量策略對(duì)它們進(jìn)行補(bǔ)償?；谀Ｐ偷牟呗裕湫阅苋Q于基礎(chǔ)模型如何對(duì)SCR催化器進(jìn)行描述。附加的調(diào)整參數(shù)通常與針對(duì)的法規(guī)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)的其他特性有關(guān)。

6.5各種尿素劑量策略的試驗(yàn)對(duì)比

劑量策略對(duì)NOx減排有相當(dāng)大的影響，它會(huì)受到NH3逃逸的約束。采用1臺(tái)13L無(wú)EGR發(fā)動(dòng)機(jī)在僅用SCR后處理系統(tǒng)的情況下進(jìn)行了歐5驗(yàn)證試驗(yàn)。催化器尺寸為： 直徑12.7in，長(zhǎng)度12in，SCR催化器的體積約25L(約為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的1.9倍)。

圖4為采用3種不同尿素劑量策略時(shí)的累計(jì)NOx比排放量。“MB2”為基于瞬態(tài)模型的策略，“MB1”為基于穩(wěn)態(tài)模型的策略，“ANR”為ANR值0.75倍的ANR策略。圖4顯示了每種策略相應(yīng)的平均NH3逃逸水平?？梢钥闯?，3種策略均能滿足2g/(kW·h)的NOx排放限值。然而，采用ANR策略時(shí)，平均NH3排放水平為30×10-6，即比25×10-6的目標(biāo)值高出5×10-6。另外，用較低的ANR系數(shù)進(jìn)行了附加試驗(yàn)。正如預(yù)料的那樣，在較低的ANR系數(shù)下可以滿足平均NH3排放限值，但是會(huì)導(dǎo)致太高的累計(jì)NOx比排放量。因此，可以得出結(jié)論，對(duì)于上述采用現(xiàn)有后處理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，沒(méi)有1個(gè)單一的ANR值可以同時(shí)滿足2種排放物的限值。

然而，基于穩(wěn)態(tài)模型的劑量策略能同時(shí)滿足法規(guī)要求的NOx和NH3排放水平。另外，基于瞬態(tài)模型的策略可在保持NOx轉(zhuǎn)化率的情況下使平均NH3逃逸量減少約8×10-6。由圖4中的累計(jì)NOx比排放量曲線明顯可以看出，基于瞬態(tài)模型策略的曲線形狀與其余2條曲線有明顯的差異。在試驗(yàn)循環(huán)的400s和約1000s后有2個(gè)較低的NOx轉(zhuǎn)化率時(shí)段。這兩個(gè)時(shí)段在圖2試驗(yàn)循環(huán)中的特性顯示，較低轉(zhuǎn)化率時(shí)段正是在排氣溫度快速變化時(shí)發(fā)生的。如前所述，這會(huì)引起從SCR催化器有過(guò)多NH3逃逸的風(fēng)險(xiǎn)，因而采取的劑量策略是要在相關(guān)時(shí)間點(diǎn)減少劑量。提高尿素劑量策略的精度可以增加現(xiàn)有后處理系統(tǒng)達(dá)到法規(guī)限值的裕度，或減小特定發(fā)動(dòng)機(jī)后的處理系統(tǒng)尺寸。

圖4　采用3種不同劑量策略時(shí)的歐5累計(jì)NOx比排放量

圖5所示的后處理系統(tǒng)包括1個(gè)SCR和1個(gè)ASC催化器。采用基于瞬態(tài)NH3模型的策略和ANR為 1.2 的策略時(shí)，ASC后的NOx排放水平高度相似，但是NH3逃逸峰值和NH3平均逃逸量有很大差異。

圖5　采用基于模型或ANR尿素劑量策略時(shí)SCR+ASC后處理系統(tǒng)的累計(jì)NOx比排放量和NH3逃逸量

6.6保溫技術(shù)

排氣溫度對(duì)后處理系統(tǒng)的性能有較大影響。正如上一節(jié)中所述，排氣溫度快速變化會(huì)使NH3逃逸量上升，從而對(duì)劑量策略提出了挑戰(zhàn)。排氣溫度也是決定SCR轉(zhuǎn)化效率的因素之一，排氣保溫是改善后處理系統(tǒng)整體性能的有效熱管理手段。

圖6為符合歐5中NOx和NH3排放限值的2次ETC試驗(yàn)循環(huán)的累計(jì)NOx排放量和排氣溫度。其中1次試驗(yàn)循環(huán)僅采用無(wú)保溫的SCR系統(tǒng)運(yùn)行，其催化器體積是發(fā)動(dòng)機(jī)排量的1.9倍，另一次試驗(yàn)循環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)與催化器之間，以及催化器本身都采用了保溫措施。后處理系統(tǒng)有保溫時(shí)累計(jì)NOx比排放量約比標(biāo)準(zhǔn)后處理系統(tǒng)的低10%左右，它是通過(guò)采用催化器體積-發(fā)動(dòng)機(jī)排量比為1.7得以實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)試驗(yàn)表明，保溫的效果是顯而易見(jiàn)的，尤其是在排氣溫度最低的時(shí)段效果更為明顯。試驗(yàn)采用如前所述的相同方式進(jìn)行，在2次連續(xù)的試驗(yàn)循環(huán)之間有10min的保溫期。這表明，保溫的好處不僅能減少當(dāng)前試驗(yàn)循環(huán)期間的熱量損失，而且還能提高起動(dòng)溫度，因?yàn)樵诒仄陂g能降低催化劑的冷卻溫度。增加保溫可以使催化器體積減小10%左右，并能有10%的NOx達(dá)標(biāo)余量。

圖6　有保溫和無(wú)保溫時(shí)的歐5累計(jì)NOx比排放量和排氣溫度曲線

7針對(duì)歐5以后法規(guī)的熱管理

歐5以后法規(guī)對(duì)后處理系統(tǒng)的要求有若干變化。歐6法規(guī)規(guī)定了相當(dāng)?shù)偷睦塾?jì)NOx比排放量限值，同時(shí)還規(guī)定了平均和最高NH3逃逸限值，以及顆粒物排放限值。相應(yīng)的瞬態(tài)試驗(yàn)為WHTC，按該試驗(yàn)循環(huán)運(yùn)行時(shí)，大部分時(shí)間的排氣溫度都比較低。

圖7為1臺(tái)無(wú)EGR發(fā)動(dòng)機(jī)按冷態(tài)和熱態(tài)WHTC試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)的累計(jì)NOx比排放量、排氣溫度和排氣質(zhì)量流量。累計(jì)NOx比排放量約為 12g/(kW·h)。試驗(yàn)循環(huán)中有幾個(gè)階段的排氣溫度處于或低于200℃，這對(duì)尿素劑量策略提出了挑戰(zhàn)，并會(huì)限制SCR催化器的有效轉(zhuǎn)換效率。

7.1排氣節(jié)流熱管理

除了保溫外，熱管理是1種影響排氣溫度的有效工具。熱管理的1種形式是排氣節(jié)流(有時(shí)也稱(chēng)為排氣制動(dòng))。在行駛和怠速過(guò)程中，通過(guò)部分關(guān)閉排氣節(jié)流閥，可以減少排氣溫度的下降，也能使整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)中總體保持較高的排氣溫度。

圖7　按冷態(tài)和熱態(tài)WHTC試驗(yàn)循環(huán)運(yùn)行時(shí)的累計(jì)NOx比排放量、排氣溫度和排氣質(zhì)量流量

圖8為有和沒(méi)有熱管理及保溫時(shí)1次熱態(tài)WHTC試驗(yàn)中達(dá)到的累計(jì)NOx比排放量和SCR進(jìn)口溫度。這些試驗(yàn)在1臺(tái)11L裝有整套歐6后處理系統(tǒng)(包括DOC，DPF，SCR和ASC)的無(wú)EGR發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。NOx排放在ASC后測(cè)量，排氣溫度在SCR催化器前測(cè)量。需要指出的是，在發(fā)動(dòng)機(jī)與SCR催化器之間存在著明顯的溫度“過(guò)濾”。該“過(guò)濾器”的熱量導(dǎo)致冷態(tài)試驗(yàn)循環(huán)的加熱時(shí)間大大增加，但在隨后的熱態(tài)試驗(yàn)循環(huán)中產(chǎn)生了較高的起動(dòng)溫度?？蓮膱D8中的溫度曲線看出，在試驗(yàn)的第1min內(nèi)實(shí)現(xiàn)了可觀的溫度提升。特別是該試驗(yàn)循環(huán)的低排氣溫度時(shí)段被完全消除。采用熱管理試驗(yàn)時(shí)的NOx水平約為0.05g/(kW·h)，后處理系統(tǒng)不用熱管理時(shí)的NOx水平為1.7g/(kW·h)。

圖8　用和不用熱管理及保溫時(shí)的累計(jì)NOx比排放量和SCR進(jìn)口溫度

7.2起動(dòng)/停機(jī)熱管理

通過(guò)排氣節(jié)流的熱管理會(huì)引起一定的燃油損失。在圖8所示的試驗(yàn)中，燃油耗增加了約1.5%。1種能夠?qū)崿F(xiàn)較低燃油損失的有前途的熱管理技術(shù)是起動(dòng)/停機(jī)熱管理。發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)能阻止冷排氣流經(jīng)系統(tǒng)，從而可以減少后處理系統(tǒng)的冷卻，并能降低燃油消耗。1個(gè)有益的附帶效果是，在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)期間沒(méi)有尿素供應(yīng)，從而進(jìn)一步降低了運(yùn)行成本。圖9是采用熱管理時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果與采用起動(dòng)/停機(jī)技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的比較。其尾管的NOx排放和排氣溫度曲線與采用排氣節(jié)流時(shí)獲得的曲線非常相似，且燃油耗降低了約6%，尿素消耗率降低了約28%。應(yīng)該指出的是，在歐6法規(guī)中，WHTC試驗(yàn)的加權(quán)排放目標(biāo)為0.46g/(kW·h)。

圖9　　　　采用熱管理和起動(dòng)/停機(jī)時(shí)的累計(jì)NOx　　　比排放量和SCR進(jìn)口溫度

8總結(jié)

本文闡述了有關(guān)重型載貨車(chē)實(shí)現(xiàn)歐4、歐5及未來(lái)排放法規(guī)的幾個(gè)問(wèn)題。無(wú)EGR發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到較低的燃油耗和較低的顆粒物排放。試驗(yàn)結(jié)果表明，僅采用SCR系統(tǒng)(SCR體積與發(fā)動(dòng)機(jī)排量之比為1.3)時(shí)可以使較高的NOx排放降低到歐4水平。僅采用ASC后處理系統(tǒng)的試驗(yàn)表明，引入ASC有進(jìn)一步減小系統(tǒng)的體積和增加法規(guī)限值達(dá)標(biāo)的裕度。必須通過(guò)對(duì)ASC的價(jià)格和SCR體積相應(yīng)減少的價(jià)格進(jìn)行比較后找出最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

歐5法規(guī)提出了更為嚴(yán)格的排放限值，從而也增加了對(duì)更先進(jìn)尿素劑量策略的需求。對(duì)幾種策略進(jìn)行了討論，并對(duì)ANR劑量策略和2種基于模型的劑量策略進(jìn)行了比較。需要考慮的與劑量策略相關(guān)的其他因素是傳感器信號(hào)的質(zhì)量和可用的計(jì)算資源。在本文介紹的試驗(yàn)中，傳感器用來(lái)獲取NOx排放、溫度和流量的信號(hào)，用以作為計(jì)算尿素加注率的基礎(chǔ)。另一種選擇是從發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖譜中獲得1個(gè)或幾個(gè)信號(hào)。這可以降低安裝成本，因?yàn)椴恍枰~外的傳感器，然而，在考慮運(yùn)轉(zhuǎn)條件(如環(huán)境溫度和濕度)的變化時(shí)需要面臨更大的挑戰(zhàn)。

通過(guò)歐5試驗(yàn)，說(shuō)明了后處理系統(tǒng)保溫的好處，試驗(yàn)顯示尾管NOx排放降低和SCR體積減小都得以實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)指出，本文給出的試驗(yàn)結(jié)果都是在發(fā)動(dòng)機(jī)不安裝專(zhuān)用消聲器的情況下得到的。使用消聲器時(shí)產(chǎn)生的排氣保溫水平肯定會(huì)超過(guò)在這些試驗(yàn)中觀察到的基本保溫水平。

針對(duì)歐5以后的法規(guī)，保持后處理系統(tǒng)滿足有利工作溫度的重要性變得更加明顯。通過(guò)在WHTC試驗(yàn)循環(huán)的行駛和怠速過(guò)程中采用排氣節(jié)流，試驗(yàn)證明了熱管理對(duì)歐6系統(tǒng)尾管排放的顯著影響。結(jié)果是NOx比排放從1.7g/(kW·h)降低到了0.05g/(kW·h)以下。后處理系統(tǒng)效率的這一改善會(huì)在節(jié)流閥起作用時(shí)導(dǎo)致一定的燃油損失。

對(duì)起動(dòng)/停機(jī)技術(shù)也進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，它能使NOx轉(zhuǎn)化率有類(lèi)似的改善，同時(shí)還能降低燃油和尿素消耗，有可能在改善后處理系統(tǒng)溫度的同時(shí)限制燃油損失。另一項(xiàng)措施是，在低功率運(yùn)行時(shí)采用停缸技術(shù)。這能使其余氣缸的指示平均有效壓力增加，從而在保持輸出功率的情況下增加排氣溫度和減少排氣流量。

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程玉發(fā)譯自SAEPaper2015-26-0103

朱炳全校對(duì)

虞展編輯

衷心感謝廣大讀者、編委單位

對(duì)本刊的關(guān)心和支持！

(收稿日期：2015-08-17)