輕型柴油機國Ⅳ升國Ⅴ策略研究

扈 靜, 周 平, 劉 屹, 余 昳, 謝振凱

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

輕型柴油機國Ⅳ升國Ⅴ策略研究

扈 靜, 周 平, 劉 屹, 余 昳, 謝振凱

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

為了滿足國家標準中對輕型柴油機排放物的要求,文章對加裝不同組合尾氣后處理器的輕型柴油機進行了臺架試驗,并針對不同工況下氮氧化物(NOx)和碳煙等常規(guī)排放物的比排放量進行了分析研究。闡述了原機排氣裝置氮NOx和碳煙的排放問題,并對降低輕型柴油機尾氣排放物的方法進行了研究;提出了加裝柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和顆粒物氧化催化器(particulate oxidation catalyst,POC)的改進方法,并分析了該后處理器組合對發(fā)動機各種常規(guī)排放物的影響規(guī)律;提出了通過提高軌壓、關(guān)閉廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)閥使回流率降低,并安裝DOC和選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)后處理器的改進方法。研究結(jié)果表明,改進后的輕型柴油車排放物標定值滿足國Ⅴ標準,因此所設(shè)計的優(yōu)化方法可行。

輕型柴油車;氮氧化物;顆粒物(PM);選擇性催化還原(SCR);后處理系統(tǒng)

與汽油車相比，柴油車尾氣中碳氫化合物、CO的排放量更低,是一種高效、節(jié)能且經(jīng)濟性能好的動力系統(tǒng);同時,因其具有良好的燃油經(jīng)濟性、動力性以及耐久性等優(yōu)點,在大功率車輛如大型客車、大型貨車上得到廣泛應(yīng)用[1]。柴油機的CO、碳氫化合物排放較少,但氮氧化物(NOx)和顆粒物(particulate matter,PM)排放高,因此,對于輕型柴油機的排放改進性研究變得尤為重要[2]。

NOx在陽光的作用下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧、醛、酮、酸、過氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物,增加低空大氣中的臭氧濃度;而PM除了會使大氣中懸浮顆粒增多、污染空氣、影響能見度外,還會直接進入人的呼吸系統(tǒng),對人體健康及環(huán)境造成極大的危害[3]。當(dāng)前,解決柴油機對環(huán)境污染問題的首要任務(wù)就是降低NOx和PM的排放。針對全柴4B2-95C40輕型柴油機,本文進行了后處理系統(tǒng)優(yōu)化方法的研究。

1 車用柴油機排放污染物現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外排放技術(shù)路線

降低柴油機NOx排放的根本措施是機內(nèi)凈化。但是,在歐Ⅳ及以上排放法規(guī)頒布實施后,中國的油品升級問題亟待解決,因此僅依靠機內(nèi)凈化方式已不能達到標準[4]。

不同國家輕型柴油車升級的技術(shù)路線對比見表1所列。在歐洲、美國、日本等市場上,輕型柴油車普遍采用柴油顆粒過濾器(diesel particulate filter,DPF)技術(shù)降低PM排放。從歐Ⅳ到歐Ⅴ階段,輕型柴油車采用廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)、優(yōu)化燃燒等方式,可以不用安裝NOx后處理裝置,只采用柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和DPF即可滿足排放法規(guī)要求[5]。

表1 輕型柴油車排放標準和技術(shù)路線選擇

國內(nèi)國Ⅲ升國Ⅳ的凈化路線一般采用高壓共軌結(jié)合中冷方式,調(diào)節(jié)EGR閥開度,并結(jié)合使用DOC和顆粒物氧化催化器(particulate oxidation catalyst,POC)裝置去除PM、CO等污染物；而國Ⅳ升國Ⅴ的凈化路線一般直接利用選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)去除排氣中NOx等污染物[6]。需要注意的是,各國升級路線的不同與國情及油品問題密切相關(guān)。

當(dāng)前國際上應(yīng)用在柴油車排氣凈化上的一種較為成熟的技術(shù)是DOC。DOC主要是氧化除去排氣中的CO、碳氫化合物以及PM中的輕組分，即有機可容成分(soluable organic fraction,SOF),此外,DOC的使用成本比DPF的低,因此具有較好的經(jīng)濟性和實用性。

氧化催化轉(zhuǎn)化器一般包括壁流式的DPF和通流式的POC 2種。DPF的捕集效率一般為90%以上,而金屬網(wǎng)狀POC對于PM的捕集效率較低,一般僅能達到60%以上,它是通過特殊的載體結(jié)構(gòu)使排氣通過多褶皺不堵塞的通道,捕捉并氧化部分PM。與DPF、POC相比,金屬網(wǎng)狀POC孔壁更薄(約為0.03 mm),可保證低背壓,同時機械強度高,有很好的導(dǎo)熱率且啟動快,不會造成煙灰或顆粒的阻塞,不需要主動再生設(shè)備,可表面涂覆催化劑,免維護;同時具有成本低、開發(fā)周期短、可靠性好以及無需復(fù)雜的標定過程等優(yōu)點,更適合當(dāng)前國內(nèi)柴油機的發(fā)展及油品水平。因此,為滿足國Ⅳ的排放法規(guī)要求,采用DOC加POC的方法是一種較為經(jīng)濟且適合國情的后處理方法。

1.2 輕型柴油機排放標準和測試方法

歐洲標準及國家標準均規(guī)定了3種試驗工況,即歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況(European steady cycle,ESC)、負荷煙度試驗工況(European load response test,ELR)、歐洲瞬態(tài)循環(huán)工況(European transient cycle,ETC)。ESC和ETC的排放標準見表2所列,本文主要采用柴油車穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況下的排放標準。

表2 污染物和煙度的排放量限值 g/(kW·h)

污染物ESC國Ⅲ國Ⅳ國ⅤETC國Ⅲ國Ⅳ國ⅤCO2.101.501.505.454.04.0HC0.660.460.460.780.550.55NOx5.003.502.005.003.502.00PM0.100.130.020.020.160.210.030.03

2 4B2-95C40型臺架試驗

2.1 試驗用發(fā)動機及測試設(shè)備參數(shù)

本文試驗采用全柴公司生產(chǎn)的4B2-95C40型車用柴油機。試驗時,不對原發(fā)動機參數(shù)做任何調(diào)整,即發(fā)動機的供油壓力、噴油嘴啟噴壓力、供油提前角等參數(shù)均為原機數(shù)值。發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)見表3所列,原機無任何尾氣凈化裝置。

表3 4B2-95C40型車用柴油機主要技術(shù)參數(shù)

試驗主要儀器設(shè)備有AVL公司生產(chǎn)的燃油溫度控制器、燃油溫度控制器、測功機、油耗儀、HORIBA的排氣分析儀、水溫控制器以及微克天平等。該檢測中心采用標定設(shè)備不透光煙度計來測定煙度,柴油機國Ⅳ排放標準中煙度的標準值為0.5 m-1,本文試驗采用濾紙煙度計進行測量。

2.2 試驗方案及臺架的布置

2.2.1 試驗方案

本試驗采用2種方案對原機進行改裝,一種方式為安裝DOC+POC,內(nèi)部加裝EGR閥,以達到國Ⅳ標準;另一種改裝方案為安裝DOC后再加裝SCR，以達到國Ⅴ標準。按照GB17691—2005[7]中的ESC和ETC測試標準對原機及2種改裝后的發(fā)動機臺架進行試驗。試驗測試總布置臺架如圖1所示。

圖1 試驗測試總布置臺架

2.2.2 原機試驗臺架

原機試驗臺架采用的是未經(jīng)任何改裝的全柴公司生產(chǎn)的4B2-95C40型車用柴油機,即試驗時不對原發(fā)動機參數(shù)做任何調(diào)整,參數(shù)值均為原機數(shù)值。同時,不加裝任何外部凈化控制設(shè)備。在原機上接入采集分析儀,對原機排放尾氣中的各種氣體進行收集[8]。

2.2.3 國Ⅳ排放標準臺架布置

由于DOC具有同時降低HO、CO和PM的功能,常在發(fā)動機上與EGR同時使用,以全面提高發(fā)動機的排放水平[9]。

本文國Ⅳ排放標準臺架的布置為采用機內(nèi)安裝EGR閥、柴油機排氣管加裝DOC+POC同時配合提高噴油壓力和增壓中冷能力的改裝方法。改裝后試驗臺架測得常規(guī)排放物的比排放量達到了國Ⅳ排放標準。加裝DOC和POC后的試驗結(jié)果見表4所列。

表4 加裝DOC和POC后試驗結(jié)果 g/(kW·h)

2.2.4 國Ⅴ排放標準臺架布置

為了有效降低柴油機的主要有害排放物——NOx的排放量,選用在加裝有DOC的柴油機后再加裝SCR。SCR是通過在排氣中添加還原劑,并在催化劑的作用下,將氮氧化物轉(zhuǎn)化為水和氮氣[10]。

本文采用的國Ⅴ改裝策略為機外凈化路線,在原機加裝DOC后的排氣孔處安裝SCR,關(guān)閉EGR閥,且不安裝其他輔助部件。采用尿素輔助實現(xiàn)催化轉(zhuǎn)化過程。尿素SCR系統(tǒng)的優(yōu)點主要在于NOx轉(zhuǎn)化效率高(可達80%～95%)、發(fā)動機燃油經(jīng)濟性好且發(fā)動機控制簡單。

3 各改進策略測試結(jié)果及分析

根據(jù)ESC十三工況法,本文選取了代表發(fā)動機低、中、高轉(zhuǎn)速點的3個轉(zhuǎn)速1 880、2 430、2 880 r/min,研究不同后處理器組合對發(fā)動機各種常規(guī)排放物的影響規(guī)律。另外,瞬態(tài)工況下發(fā)動機本身的排放物濃度會增加,后處理器的氧化轉(zhuǎn)化率也會受到不同程度的影響。

為了研究瞬態(tài)工況下各種后處理器組合的氧化轉(zhuǎn)化效率,本文試驗根據(jù)ESC要求，主要針對包括原機在內(nèi)的3種試驗臺架進行穩(wěn)態(tài)排放測試以及在穩(wěn)態(tài)條件下不同后處理器對發(fā)動機各種常規(guī)排放物的影響規(guī)律[11-12]。

3.1 原機與國Ⅳ常規(guī)排放物對比

參照GB17691—2005[7]中ESC 十三工況法排放計算表,計算出1 980、2 430、2 880 r/min 3個轉(zhuǎn)速下,負荷分別為25%、50%、75%、100%時,原機與加裝DOC+POC后尾氣中NOx、CO、碳氫化合物、碳煙的比排放量數(shù)值,并繪制出對比圖,如圖2所示。

圖2 3種轉(zhuǎn)速下原機與加裝DOC+POC后各常規(guī)排放物的比排放量對比

在低等轉(zhuǎn)速(1 980 r/min)下,由圖2a可知,加裝DOC+POC的試驗臺架NOx的比排放量與原機相比變化不大,在低、中、高及全負荷時,改裝后的數(shù)值反而比原機數(shù)值稍大,即加裝DOC+POC對于發(fā)動機處于低速時NOx排放量影響不大;由圖2d可知,原機低負荷時CO最高排放量可達3.2 g/(kW·h),改裝后尾氣中比排放量大幅降低,降幅在80%以上,在低、中、高、全負荷時,均低于0.1 g/(kW·h),低于國Ⅳ規(guī)定的1.5 g/(kW·h)限值;由圖2g可知,加裝DOC+POC后,碳氫化合物的比排放量顯著降低,尤其是在低負荷時,降幅達95%以上,排放量均低于0.07 g/(kW·h),遠低于國Ⅳ規(guī)定的0.46 g/(kW·h)限值;圖2j中,原機在25%低負荷時碳煙的比排放量為0.045 g/(kW·h),遠高于國Ⅳ規(guī)定的限值0.02 g/(kW·h),加裝DOC和POC后,碳煙的比排放量則均低于國Ⅳ標準規(guī)定的0.02 g/(kW·h)的限值。由上述對比圖可知,加裝DOC+POC后的發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下所排放各常規(guī)廢氣的量滿足國Ⅳ排放標準要求。

在中等轉(zhuǎn)速(2 430 r/min)下,由圖2b可知,加裝DOC+POC后,NOx的排放量相較于原機的比排放量有一定程度的變化,在低、中負荷時,改裝后的數(shù)值反而比原機數(shù)值大10%～20%,全負荷時,加裝DOC+POC后的比排放量降幅不及10%,且排氣中NOx的排放量始終較高,即加裝DOC+POC對于NOx排放量的影響不大;由圖2e可知,原機在低負荷工況下比排放量最高可達4.25 g/(kW·h),而在改裝后尾氣中CO比排放量大幅降低,降幅在80%以上,均低于0.1 g/(kW·h),最低僅為0.05 g/(kW·h),低于國Ⅳ規(guī)定的1.5 g/(kW·h)限值,即加裝DOC+POC可以顯著降低尾氣中CO的含量;由圖2h可知,加裝DOC+POC后,碳氫化合物的比排放量在低負荷時,降幅達95%以上,且在低、中、高、全負荷4種工況時的比排放量均低于0.15 g/(kW·h),低于國Ⅳ規(guī)定的0.46 g/(kW·h)的限值;由圖2k可知,原機在75%高負荷比時碳煙的比排放量為0.021 g/(kW·h),稍高于國Ⅳ規(guī)定的限值0.02 g/(kW·h),然而,加裝DOC+POC后,碳煙的比排放量均低于0.007 5 g/(kW·h)。由上述對比圖可以得出,加裝DOC+POC后的發(fā)動機在中等轉(zhuǎn)速下,所排放各常規(guī)廢氣的量滿足國Ⅳ排放標準要求。

在高轉(zhuǎn)速下(2 880 r/min)，由圖2c可知,加裝DOC+POC的試驗臺架采集到的數(shù)據(jù)中,NOx的排放量相較于原機的比排放量略有變化,在低、中、高負荷時,改裝后的數(shù)值比原機數(shù)值高5%～10%,混合氣中含量仍較高;由圖2f可知,原機低負荷時CO最高可達6.1 g/(kW·h),改裝后尾氣中CO比排放量大幅降低,降幅均在80%以上,均不高于0.1 g/(kW·h),低于國Ⅳ規(guī)定的1.5 g/(kW·h)的限值,即加裝DOC+POC可以顯著降低尾氣中CO的含量;由圖2i可知,加裝DOC+POC后,碳氫化合物的比排放量顯著降低,尤其是在低負荷時,降幅達95%以上,在低、中、高、全負荷時,均低于0.38 g/(kW·h),低于國Ⅳ規(guī)定的0.46 g/(kW·h)的限值;由圖2l可知,在低負荷時,原機碳煙的比排放量為0.016 g/(kW·h),遠高于國Ⅳ規(guī)定的限值,當(dāng)加裝DOC+POC后,碳煙的比排放量均不高于0.007 5 g/(kW·h),顯著低于國Ⅳ標準規(guī)定的0.02 g/(kW·h)的限值。由上述對比圖可以看出,加裝DOC+POC后的發(fā)動機在高等轉(zhuǎn)速下所排放各常規(guī)廢氣的量滿足國Ⅳ排放標準要求。

3.2 國Ⅳ與國Ⅴ常規(guī)排放物外特性對比

加裝DOC+POC與加裝DOC+SCR后各常規(guī)排放物排放量外特性曲線如圖3所示。

圖3 加裝DOC+POC與加裝DOC+SCR后各常規(guī)排放物排放量外特性曲線

由圖3a可知,加裝DOC+POC的試驗臺架標定的NOx外特性曲線整體位于加裝DOC+SCR試驗臺架標定的外特性曲線之上,在常用工況范圍內(nèi),安裝了DOC+SCR的發(fā)動機所排出的廢氣中NOx物比排放量低于5 g/(kW·h),優(yōu)于國Ⅳ標準的試驗臺架。

由圖3b可知,發(fā)動機低于轉(zhuǎn)速1 400 r/min時,加裝DOC+POC的試驗臺架CO比排量均高于安裝了DOC+SCR的發(fā)動機,而在常用工況范圍內(nèi),安裝了DOC+SCR的發(fā)動機雖比加裝DOC+POC時排放量高,但最大值僅為0.12 g/(kW·h),遠低于限值1.5 g/kW·h。

由圖3c可知,在常用工況范圍內(nèi),安裝了DOC+SCR的發(fā)動機所排出的碳氫化合物比排放量相對較低(≤0.04g/(kW·h))。

由圖3d可知,低轉(zhuǎn)速下,安裝DOC+SCR的發(fā)動機碳煙排量明顯降低,而在常用工況范圍內(nèi),加裝DOC+POC的發(fā)動機則與安裝了DOC+SCR所排出的碳煙量相近,但均不高于0.02 g/(kW·h)。

4 結(jié) 論

(1) 原機加裝DOC+POC后,可以顯著降低CO、碳氫化合物和碳煙等常規(guī)排放物的排放量,其中,低轉(zhuǎn)速下碳煙的比排放量降低幅度可達95%,CO的比排放量降低幅度在80%以上,碳煙的比排放量降低幅度高于45%。

(2) 柴油機尾氣經(jīng)DOC+SCR凈化后,NOx的含量明顯降低,相較于加裝DOC+POC時,最大降幅達45.6%,其他常規(guī)排放物含量均低于國家標準第Ⅴ階段的限值,而CO比排放量僅為0.12 g/(kW·h)。

(3) 排氣后處理系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代柴油機的重要組成部分，還需要進一步加強發(fā)動機與后處理系統(tǒng)的一體化優(yōu)化設(shè)計,以滿足日益嚴格的排放法規(guī),并實現(xiàn)對燃油經(jīng)濟性和系統(tǒng)設(shè)計成本的優(yōu)化。

[1] 方成,楊福源,歐陽明高,等.重型柴油機SCR控制系統(tǒng)開發(fā)[J].汽車工程,2014,36(2):151-154，144.

[2] 錢葉劍,左承基,徐天玉,等.EGR率對ZS195柴油機性能和排放的影響[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,32(9):1361-1364.

[3] 郭猛超,姜大海,王琛,等.柴油機排放控制技術(shù)發(fā)展綜述[J].內(nèi)燃機,2008(1):7-10.

[4] 鄧成林,羅云威,李浩,等.柴油機Urea-SCR系統(tǒng)標定試驗研究[J].汽車工程,2013,35(1):32-36,77.

[5] 李倩,王仲鵬,孟明,等.柴油車尾氣碳煙顆粒催化消除研究進展[J].環(huán)境化學(xué),2011,30(1):331-336.

[6] 樓狄明,嚴嶸,胡志遠,等.基于DOC+CDPF+SCR技術(shù)的國Ⅴ排放重型柴油機氣態(tài)物排放特性研究[J].環(huán)境工程,2014,32(10):79-84.

[7] 國家環(huán)境保護總局.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限制及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段):GB 17691—2005 [S].北京:中國標準出版社,2005.

[8] 劉洋，孫亮,白書戰(zhàn),等.DOC/POC/SCR組合后處理技術(shù)在非電控柴油機排放上的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機工程,2015,36(1):18-22.

[9] PRASAD R,BELLA V R.A review on diesel soot emission,its effect and control[J].Bulletin of Chemical Reaction Engineering and Catalysis,2010,5(2):69-86.

[10] 溫苗苗,呂林,高孝洪.柴油機選擇性催化還原后處理系統(tǒng)仿真[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2009(3):249-254.

[11] 霍少峰.柴油機氧化催化器及顆粒物氧化催化器對排放特性的影響[D].天津:天津大學(xué),2010.

[12] YU Y E, HE C,CHEN J S,et al.Regeneration of deactivated commercial SCR catalyst by alkali washing[J].Catalysis Communications,2013,39:78-81.

(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Strategy of meeting national standards of vehicle pollutant discharge from Ⅳ to Ⅴ for light-duty diesel engine

HU Jing, ZHOU Ping, LIU Yi, YU Yi, XIE Zhenkai

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to meet the requirements of national standard for light-duty diesel engine emissions, a bench test of light-duty diesel engine installed with different processors of combined off-gas is conducted. And the ratio among conventional emissions as nitrogen oxides(NOx) and soot under different operating conditions is analyzed. Firstly, the problem of original machine exhaust emissions of nitrogen oxides and carbon smoke is expounded. Then the method of reducing the light-duty diesel engine exhaust emissions is studied. On one hand, the diesel oxidation catalyst(DOC) and particulate oxidation catalyst(POC) are used, and the application effects of them are analyzed. On the other hand, DOC and selective catalytic reduction(SCR) are installed in the light-duty diesel engine, and the rail pressure is improved and the exhaust gas recirculation(EGR) valve is closed to reduce the recirculation ratio of diesel engine. The results show that the calibration value of improved emissions is lower than the limit of national Ⅴ standard, thus proving that the proposed optimization method is feasible.

light-duty diesel engine; nitrogen oxides(NOx); particulate matter(PM); selective catalytic reduction(SCR); aftertreatment system

2015-09-29；

2015-10-21

國家發(fā)改委和工信部產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造資助項目(中央評估)(發(fā)改投資2012[1938]號)

扈 靜(1972-),女,安徽六安人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師; 劉 屹(1978-),男,安徽池州人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.001

TK421.5

A

1003-5060(2017)02-0145-06