一款柴油機匹配后處理系統(tǒng)的試驗分析

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

自2023年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應(yīng)符合國家第六階段機動車污染物排放標準(以下稱“國六”標準)b階段限值要求。因此，國內(nèi)外的科研機構(gòu)和高校通過大量的研究，最終確定了柴油機后處理系統(tǒng)的主流技術(shù)路線為氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、柴油顆粒捕集器(DPF)、選擇性催化還原(SCR)等后處理技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)實際情況組合綜合使用[1]。由于多種后處理技術(shù)之間的性能影響因素較多，彼此之間還存在相互作用，如果與發(fā)動機匹配不當(dāng)，容易出現(xiàn)凈化效率低、增加發(fā)動機油耗等不良后果[2]，因此研究集成式后處理系統(tǒng)和車用柴油機的匹配顯得愈加重要。

1 后處理技術(shù)匹配要求

柴油機和后處理系統(tǒng)匹配時，要從柴油機和后處理兩方面進行綜合考慮。

在柴油機方面，著重考察匹配后的柴油機的性能和排放，性能要滿足開發(fā)目標，排放要滿足法規(guī)要求。本文選擇一款滿足國六排放的柴油機進行匹配試驗，著重考察匹配后排放能否達到國六排放法規(guī)要求。

在后處理方面，根據(jù)后處理技術(shù)的不同，考察方面也略有不同。DOC主要用于氧化碳氫化合物(HC)和CO，著重考慮其流體均勻性和催化劑涂層的氧化性。DPF基于物理過濾原理，用于過濾顆粒物(PM)，著重考慮其流動阻力和載體材料。SCR主要用于還原氮氧化物(NOx),著重考慮其流體均勻性和轉(zhuǎn)化效率。

2 柴油機與后處理系統(tǒng)

本次試驗選用一款增壓中冷高性能柴油機，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

本試驗選擇來自3個廠家的A、B、C共3套不同的后處理系統(tǒng)，其布置方式如圖1所示。

圖1 后處理系統(tǒng)布置方式

選擇3套后處理系統(tǒng)時，根據(jù)經(jīng)驗公式計算得到后處理系統(tǒng)的容積大致范圍，基于所匹配的發(fā)動機排量進行后處理系統(tǒng)容積的選擇[3]，匹配原則如表2所示。其中，DPF載體為堇青石，若采用SiC載體，則DPF容積大約為發(fā)動機排量的1.5倍。

表2 后處理與排量的關(guān)系

后處理系統(tǒng)的大致容積范圍確定好后，首先要通過計算流體力學(xué)(CFD)采用流體仿真的手段初步驗證后處理系統(tǒng)的流體均勻性。流體的均勻性一般包括流體的速度均勻性和流體的濃度均勻性。為了便于研究，本文選用流體速度均勻性。常用的速度均勻性分為面積加權(quán)平均和質(zhì)量加權(quán)平均，這兩種結(jié)果基本趨勢一致，計算結(jié)果稍有差別，本文選用基于面積加權(quán)平均的速度均勻性進行分析。通常用面積加權(quán)平均的均勻性系數(shù)γa衡量速度均勻性，其定義如式1和式2所示[4]。

(1)

式中，φi為經(jīng)過每一個載面單元的流體的法向速度，Ai為每一個載面單元的面積，φa為載面上的平均速度。

(2)

式中，Ai為每一個截面單元的面積，φi為經(jīng)過每一個截面單元的流體的法向速度，φa為截面上的平均速度，γa為用面積加權(quán)平均的均勻性系數(shù)。

由于這3套后處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置基本一致，根據(jù)CFD的流場分析結(jié)果顯示，這3套后處理系統(tǒng)的各截面處的流體均勻性也十分接近，因此僅以后處理系統(tǒng)B的CFD結(jié)果為例。如圖2所示，3個截面位置分別在DOC入口、DPF入口和SCR入口，后處理系統(tǒng)C的各截面處的均勻性系數(shù)均在0.9以上，滿足工程目標要求。因此，DOC氧化性和SCR的還原效率均通過臺架試驗可進一步研究。

圖2 CFD仿真結(jié)果

3 試驗設(shè)計

通過發(fā)動機臺架試驗，主要驗證以下3點：

(1)后處理系統(tǒng)和發(fā)動機匹配后的尾氣凈化能力；

(2)DOC的氧化能力；

(3)SCR的還原能力，特別是溫度在200 ℃附近的低溫區(qū)域的還原能力。

為了驗證上述問題，主要進行了國六法規(guī)排放試驗、DOC氧化性試驗、SCR轉(zhuǎn)化效率試驗。為了保障后處理系統(tǒng)的催化性能，這3套后處理器在正式試驗之前，均在臺架上先進行預(yù)處理，運轉(zhuǎn)工況選擇溫度和流量均滿足要求的發(fā)動機額定工況，穩(wěn)態(tài)運行2 h。

3.1 國六法規(guī)排放試驗

試驗主要分為標準循環(huán)測試工況(全球統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán)(WHTC)、全球統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(WHSC))以及非標準循環(huán)測試工況(WNTE)。標準循環(huán)測試工況的污染物排放限值如表3所示，根據(jù)后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和法規(guī)要求限值計算出原排放的目標限值。因為尾氣排放的測點在后處理系統(tǒng)后端，因此要考慮周期再生和老化的影響，目標限值的確定不僅要參考法規(guī)限值，還要綜合考慮Ki因子、劣化系數(shù)，以及工程余量(15%)。為了避免上述因素的差別對試驗結(jié)果的影響，采用老化件進行試驗。這3套后處理器使用相同的老化流程進行老化，老化后對載體進行封裝。綜上所述，最終結(jié)果可直接根據(jù)法規(guī)目標對后處理系統(tǒng)的性能進行評價。

表3 后處理系統(tǒng)與排量的關(guān)系

3.2 DOC氧化性試驗

DOC的主要作用有兩點：一是將排氣中的HC和CO氧化成對環(huán)境無害的CO2和H2O；二是將CO氧化成CO2，增加DPF內(nèi)部被動再生速率。不僅如此，催化劑涂層的氧化作用也可以增加NOx中NO2的比例，加快SCR反應(yīng)進行。由于氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此本次試驗通過考察相同時間內(nèi)的DPF入口溫度的溫升速率來評判DOC的氧化性，溫升速率越大說明氧化性越強。

3.3 SCR轉(zhuǎn)化效率試驗

利用尿素溶液的還原性，通過SCR反應(yīng)可以將排氣中的NOx清除90%以上，因此SCR技術(shù)在國六階段至關(guān)重要。但由于尿素溶液的固有屬性，在低溫時易出現(xiàn)尿素結(jié)晶，并降低轉(zhuǎn)化效率，因此本試驗通過考察不同的SCR入口溫度下SCR對NOx的轉(zhuǎn)化效率，評判SCR的還原能力。

4 試驗結(jié)果分析

為保證試驗結(jié)果的有效性，在試驗過程中嚴格控制環(huán)境溫度、燃油溫度、排氣背壓等試驗邊界條件，防止這些因素影響試驗結(jié)果。

4.1 DOC氧化性試驗結(jié)果分析

試驗在穩(wěn)態(tài)工況下進行，以廢氣溫度穩(wěn)定在240 ℃為試驗起始條件之一，開啟燃油后噴功能，保持總噴油量不變，持續(xù)300 s，查看溫度的變化情況，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：這3套后處理系統(tǒng)的升溫速率基本相同，說明燃油觸碰到DOC催化劑時發(fā)生的氧化反應(yīng)劇烈程度接近，并且放熱速率都明顯大于散熱速率。在最后溫度趨于平穩(wěn)時，后處理系統(tǒng)B的廢氣溫度最高，說明后處理系統(tǒng)B的DOC氧化性最好，因為實驗室內(nèi)部環(huán)境條件不變，不同后處理系統(tǒng)對環(huán)境的散熱基本相同，而此時廢氣溫度高說明燃油轉(zhuǎn)化效率高，放熱量大。相比之下，后處理系統(tǒng)A和后處理系統(tǒng)C的溫度低，這可能是由于在載體長度接近的情況下，后處理系統(tǒng)B的貴金屬含量高或涂覆均勻性較好導(dǎo)致的。

圖3 廢氣溫度變化曲線

4.2 SCR轉(zhuǎn)化效率試驗結(jié)果分析

根據(jù)所匹配發(fā)動機的經(jīng)常運行工況的溫度區(qū)間，選擇SCR入口溫度不同的幾個穩(wěn)態(tài)工況點進行試驗。試驗開始之前進行發(fā)動機檢查，確保發(fā)動機狀態(tài)正常，之后按照SCR入口溫度從低到高的順序，依次進行試驗，每個穩(wěn)態(tài)工況點至少運轉(zhuǎn)3 min之后進行測量并記錄數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果如圖4所示，這3套后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和SCR入口溫度之間的關(guān)系趨勢基本相同，都是隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)化效率先上升后下降。這是因為在溫度低于250 ℃的低溫區(qū)域，隨著溫度的升高，一方面SCR催化劑的催化活性升高，轉(zhuǎn)化效率升高，另一方面經(jīng)過DOC氧化后的NOx中NO2的比例升高，更有利于SCR快速反應(yīng)的進行。隨著溫度進一步升高，SCR催化劑活性下降，NO2的比例下降，因此SCR的轉(zhuǎn)化效率呈下降趨勢。

在溫度低于250 ℃的低溫區(qū)域，后處理系統(tǒng)B的轉(zhuǎn)化效率最高，后處理系統(tǒng)A次之，后處理系統(tǒng)C最低，這說明在低溫工況下，后處理系統(tǒng)B對于排放結(jié)果的有益影響是最大的。這個結(jié)果與DOC的氧化性試驗結(jié)果可以匹配。DOC的氧化性越強，SCR入口處廢氣中NO2的比例越大，SCR轉(zhuǎn)化效率越高。在SCR入口溫度為250 ℃和300 ℃之間時，后處理系統(tǒng)A和B的轉(zhuǎn)化效率最高，接近100%，后處理系統(tǒng)C的轉(zhuǎn)化效率相對較低，但也在95%以上。

在SCR入口溫度高于400 ℃時，后處理系統(tǒng)C的轉(zhuǎn)化效率下降比較明顯，甚至低于80%，后處理系統(tǒng)C在此溫度區(qū)間的轉(zhuǎn)化效率可能無法讓NOx的排放結(jié)果滿足法規(guī)要求，而后處理系統(tǒng)A和B的轉(zhuǎn)化效率在此溫度區(qū)間仍然能保持較高的轉(zhuǎn)化程度，這說明這兩套后處理系統(tǒng)的催化劑涂層在高溫區(qū)域仍然保持較高的活性。綜合考慮，后處理系統(tǒng)B在低溫區(qū)域和高溫區(qū)域均能有不錯的轉(zhuǎn)化效率表現(xiàn)，因此后處理器系統(tǒng)和發(fā)動機匹配后對NOx的凈化效果最好，轉(zhuǎn)化效率曲線見圖4。

圖4 SCR轉(zhuǎn)化效率曲線

4.3 國六法規(guī)排放試驗結(jié)果分析

本試驗運行國家標準GB 17691—2018中規(guī)定的標準循環(huán)工況(WHTC和WHSC)進行測試，為了保證結(jié)果準確性，每個循環(huán)工況運行3次，結(jié)果取平均值。最終循環(huán)測試結(jié)果如表4所示。

表4 WHSC尾氣排放結(jié)果

發(fā)動機匹配不同的后處理系統(tǒng)，在背壓等邊界條件相同的情況下，兩種法規(guī)循環(huán)的原始排放結(jié)果基本相同，說明后處理器本身對于發(fā)動機的影響不大。根據(jù)尾氣排放的結(jié)果顯示，在兩種法規(guī)循環(huán)下，這3套后處理系統(tǒng)對于CO、HC和PM的處理效果均十分理想，排放結(jié)果均低于法規(guī)要求。但是在國六階段，SCR的作用更加重要，對于NOx的處理能力直接反映了SCR系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。

從2個標準排放循環(huán)結(jié)果看，只有后處理系統(tǒng)B的NOx結(jié)果滿足法規(guī)要求，后處理系統(tǒng)A和C的NOx排放結(jié)果均超過法規(guī)限值，其中后處理系統(tǒng)C的WHSC結(jié)果甚至超過法規(guī)限值50%以上。出現(xiàn)上述情況的原因，可能是由于后處理系統(tǒng)A和C的DOC氧化性較差：一方面在低溫工況時無法及時將溫度提升至尿素的高效反應(yīng)溫度區(qū)間，導(dǎo)致循環(huán)一段時間的SCR反應(yīng)效率較低；另一方面，氧化性差會導(dǎo)致DOC出口的NO2占NOx的比例較低，影響SCR反應(yīng)速度，從而造成NOx排放結(jié)果偏大。因此，應(yīng)用后處理系統(tǒng)A和C可能會增加后續(xù)標定工作難度，最終選擇后處理系統(tǒng)B作為匹配方案。

表5 WHTC尾氣排放結(jié)果

5 結(jié)論

(1)柴油機和后處理的匹配效果關(guān)系到柴油機的動力性、經(jīng)濟性及匹配后的排放結(jié)果，因此匹配時要綜合考慮發(fā)動機和后處理系統(tǒng)兩方面。其中，后處理方面要著重考慮DOC的氧化性、DPF的再生能力、SCR的轉(zhuǎn)化效率及各部分的流體均勻性。

(2)DOC氧化性對DPF再生及SCR的轉(zhuǎn)化效率都有影響。DOC氧化性越強，燃油在DOC內(nèi)部的氧化反應(yīng)越劇烈，DPF主動再生的溫度就越高，同時DPF入口的NO2比例也越高，DPF被動再生的能力就越強，SCR轉(zhuǎn)化效率也越大。

(3) 在柴油機和后處理匹配的過程中，主要借助CFD仿真和臺架試驗兩種方法，對于流體均勻性此類難以通過臺架試驗驗證的屬性，可以借助CFD仿真的方式進行驗證，既可以節(jié)約試驗成本，也可以提高效率。本文所述方法具有通用性，可以推廣到其他項目。