SCR和EGR聯(lián)合控制下NOx減排效果分析

彭美春，陳越，鄒康聰，黃文偉

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055 )

國家生態(tài)環(huán)境部2019年發(fā)布的《中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)》[1]顯示，重型柴油貨車占汽車保有量的2.96%，其NOx排放占汽車NOx總排放量的57.8%。SCR與EGR技術(shù)是降低柴油機(jī)NOx排放的有效技術(shù)，但低速、低排氣溫度下SCR對NOx凈化效率不高，高速、高負(fù)荷下EGR對NOx生成的抑制效果受限于EGR率,為了兼顧動(dòng)力性，一般不采用過高的EGR率。

彭美春等[2]采用車載測試技術(shù)分析了配備SCR的柴油貨車道路運(yùn)行NOx排放特性，發(fā)現(xiàn)排氣溫度高于150 ℃時(shí)SCR開始對NOx發(fā)生催化還原凈化作用。Kanok Boriboonsomsin等[3]研究了不同載體的SCR工作溫度范圍與NOx轉(zhuǎn)化效率的關(guān)系，結(jié)果顯示，銅基SCR工作溫度范圍為225～350 ℃，鐵基為350～575 ℃，銅基SCR在200 ℃下約有77%的NOx轉(zhuǎn)化效率，鐵基只有27%。袁帥等[4]仿真分析了EGR率對柴油機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)高負(fù)荷工況NOx排放高，40%的EGR率才能有效抑制NOx的排放，中等負(fù)荷工況下取30%的EGR率可平衡排放與經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，小負(fù)荷工況下NOx排放低，取20%的EGR率即可。

目前，采用臺(tái)架試驗(yàn)研究EGR和SCR對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放控制效果的成果較多。臺(tái)架試驗(yàn)工況與車輛實(shí)際道路運(yùn)行工況有較大差異，導(dǎo)致兩者NOx排放結(jié)果有較大差異。單獨(dú)分析SCR或EGR控制NOx排放的研究成果較多，報(bào)道SCR與EGR聯(lián)合控制的較少，其原因是國Ⅴ以前的車輛單獨(dú)配置SCR或者EGR即可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求。為滿足不斷嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，平衡實(shí)際道路運(yùn)行工況下的NOx排放與能耗水平及動(dòng)力性能，EGR與SCR聯(lián)合精確控制非常必要，目前尚少見該方面研究成果報(bào)道。

本研究以一款配置EGR和SCR排放控制系統(tǒng)的國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)重型柴油貨車為對象，應(yīng)用PEMS系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System)開展車輛實(shí)際道路運(yùn)行排放測試，采集瞬時(shí)NOx排放體積分?jǐn)?shù)、車輛速度、SCR出口溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷等數(shù)據(jù)，分析實(shí)際道路行駛工況、排氣溫度對NOx排放的影響，分析 EGR和SCR分別對NOx的減排效果以及兩者聯(lián)合使用的綜合控制效果。

1 車載測試方案

1.1 試驗(yàn)車輛與試驗(yàn)路線

試驗(yàn)車輛為1臺(tái)國Ⅵa排放標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油廂式貨車，配置EGR和SCR等排放控制技術(shù)，車輛主要技術(shù)信息見表1。

表1 試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)GB 17691—2018 《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[5]中實(shí)際行駛排放(Reality Driving Emission,RDE)車載測試要求，對試驗(yàn)車輛進(jìn)行配重，包括配重、測試設(shè)備、試驗(yàn)人員在內(nèi)的載質(zhì)量約為車輛標(biāo)定載質(zhì)量的50%。 按GB 17691—2018中RDE試驗(yàn)路線的要求，選取如圖1所示的測試線路,起點(diǎn)為深圳市區(qū)同沙路，終點(diǎn)為沿江高速的廣州黃埔收費(fèi)站，跨越深圳、東莞、廣州三地，包含市區(qū)、高速及模擬郊區(qū)車速路段，體現(xiàn)珠三角城市間貨運(yùn)運(yùn)行特點(diǎn)。

圖1 測試路線

試驗(yàn)起始路段為市區(qū)路況，為深圳南山區(qū)同沙路到沿江高速前海收費(fèi)站之間的市內(nèi)道路，自西北向東南方向行駛；接著是模擬市郊路況，位于深圳市與東莞市行政區(qū)范圍之間，運(yùn)行路段為沿江高速北上前海收費(fèi)站與東莞虎門鎮(zhèn)之間的廣深沿江高速道路，控制車速在要求的RDE測試市郊路段車速范圍內(nèi)；最后是高速路況，位于東莞與廣州兩個(gè)行政區(qū)間沿江高速北上東莞虎門鎮(zhèn)行駛至廣州黃埔收費(fèi)站路段。

1.2 測試設(shè)備

試驗(yàn)使用的車載排放測試設(shè)備是Sensors SEMTECH-ECOSTAR氣體排放測量系統(tǒng)、SEMTECH-CPN顆粒物數(shù)量車載測量裝置，主要包括排氣分析儀、粒子數(shù)測試儀、采樣管、尾氣流量計(jì)、OBD讀取裝置、環(huán)境溫濕度計(jì)、GPS系統(tǒng)和供電控制中心模塊等。采用不分光紅外法NDIR測量CO，CO2的體積分?jǐn)?shù)，采用非分散紫外分析法NDUV測量NO，NO2的體積分?jǐn)?shù)，采用凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)法(Condensation Particle Count, CPC)原理測量顆粒物的數(shù)量。OBD系統(tǒng)讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、進(jìn)氣流量、廢氣再循環(huán)流量等。GPS系統(tǒng)測試車輛地理位置、車速。尾氣流量管中安置了排氣流量、排氣溫度傳感器。PEMS測試設(shè)備在試驗(yàn)車輛上安裝示意見圖2。本研究主要分析排放控制技術(shù)對NOx的減排效果，故只針對NOx排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 車載測試設(shè)備安裝示意

1.3 試驗(yàn)方案

為分析SCR和EGR排放控制技術(shù)對NOx排放的控制效果，探究SCR與EGR聯(lián)合控制策略，設(shè)計(jì)了3種試驗(yàn)方案。方案1車輛配置有EGR+SCR，如圖2中①所示，排氣流過EGR和SCR，再進(jìn)入排氣采樣系統(tǒng)；方案2車輛配置EGR，不配置SCR，如圖2中②所示，排氣流過EGR，不流過SCR，進(jìn)入排氣采樣系統(tǒng)；方案3無EGR和SCR，即無排放控制裝置，如圖2中③所示，排氣離開發(fā)動(dòng)機(jī)后直接進(jìn)入測試采樣系統(tǒng)。如此形成3種排放控制技術(shù)配置方案，即SCR+EGR、單獨(dú)EGR(簡稱EGR)、無排放控制技術(shù)的原機(jī)(簡稱原機(jī)，或無)，分別開展RDE車載排放試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 運(yùn)行工況對原機(jī)NOx排放的影響

無排放控制裝置的原機(jī)試驗(yàn)中，車輛NOx排放體積分?jǐn)?shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的關(guān)系見圖3，NOx排放隨車輛速度、加速度的變化見圖4。

圖3 NOx排放隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化

圖4 NOx排放隨車速和加速度的變化

從圖3可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，負(fù)荷越大，NOx排放體積分?jǐn)?shù)也越大。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高、負(fù)荷越大，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量越多，燃燒溫度越高，有利于NOx生成。從圖4可以看到，NOx高排放區(qū)主要集中在高車速與大的加速區(qū)間，速度越高、加速度越大，NOx排放越多，這是因?yàn)檐囕v高速、高加速時(shí)，需要輸出更大的功率來維持動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量增加，燃燒溫度升高，使得NOx生成量增多，排放量增加。

2.2 排放控制技術(shù)與車速對NOx排放的影響

以10 km/h作為速度區(qū)間長度，每個(gè)速度區(qū)間的中間值作為參考值，得到分別配置SCR，EGR，EGR+SCR和無排放控制裝置4種情形下的NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨車速變化的關(guān)系(見圖5)，其中單SCR下的排放是基于EGR+SCR與單EGR兩組測試方案下的數(shù)據(jù)計(jì)算而得。速度大于85 km/h工況點(diǎn)占比較少，故略去不進(jìn)行分析。

圖5 NOx排放隨車速的變化

由圖5可見，原機(jī)的NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨車速的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。車速大于45 km/h，NOx排放隨車速增加而增加的幅度急劇增大，原因是車速越高，行駛阻力越大，發(fā)動(dòng)機(jī)為滿足車輛行駛的動(dòng)力性需要的噴油量增多，燃燒溫度升高，故NOx生成量大幅增加。

配置SCR和EGR排放控制裝置的NOx排放體積分?jǐn)?shù)明顯較無排放控制裝置的低，其中配置SCR+EGR的最低。速度高于40 km/h時(shí)，隨著速度的增加NOx排放體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，高速區(qū)NOx排放體積分?jǐn)?shù)低于低速區(qū)，其原因是排放控制技術(shù)發(fā)揮了凈化作用。對于降低NOx排放的效果，SCR總體優(yōu)于EGR，尤其在高速工況下；EGR+SCR降低NOx排放的效果又優(yōu)于單獨(dú)的SCR或EGR。

研究結(jié)果表明，高速區(qū)SCR凈化效果最明顯，低速區(qū)EGR和SCR也有降低NOx排放的效果。因此，在RDE測試車速范圍內(nèi)，EGR和SCR技術(shù)均有降低NOx排放效果。

2.3 不同路況下排放控制技術(shù)對NOx排放的影響

根據(jù)GB 17691—2018車載排放測試的規(guī)定，依車速將行駛路線區(qū)域劃分為市區(qū)、市郊、高速3種。第一個(gè)出現(xiàn)車速超過55 km/h的短行程記為市郊的開始，第一個(gè)出現(xiàn)速度超過75 km/h的短行程記為高速的開始，市區(qū)的平均車速在15～30 km/h，市郊的平均車速在45～70 km/h，高速路況的平均車速大于70 km/h。統(tǒng)計(jì)出的測試車輛3種路況區(qū)域下NOx平均排放體積分?jǐn)?shù)見圖6。

圖6 不同路況區(qū)域下NOx排放

由圖6可見，市郊與高速路況下原機(jī)的NOx排放高于市區(qū)，符合車速升高發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量增大，燃燒溫度高，NOx生成量增多的機(jī)理。

在配置EGR時(shí)，市郊路況下的NOx排放最高，其次是高速路況。該狀況下決定NOx排放的除發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況外，還有EGR對NOx生成的抑制效果，其與EGR率大小相關(guān)。

同時(shí)配置EGR和SCR的情況下，市區(qū)工況的NOx排放體積分?jǐn)?shù)最高，市郊次之，高速工況最低。該狀況下決定NOx排放的既有發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，也有EGR缸內(nèi)抑制NOx生成的作用，更有SCR對排氣中NOx的催化還原作用。SCR對NOx的催化還原反應(yīng)需要在合適的工作溫度下進(jìn)行，市區(qū)路況下運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較低，SCR對NOx催化還原效率不夠高，市郊、高速車速增加，排氣溫度升高，SCR對NOx催化還原效率明顯增大。

圖7示出了3種路況區(qū)域下，不同排放控制技術(shù)下的NOx降低率。EGR降低率是基于EGR配置方案和原機(jī)方案下的測試數(shù)據(jù)計(jì)算所得，EGR+SCR降低率是基于EGR+SCR配置方案和原機(jī)方案下測試數(shù)據(jù)計(jì)算所得，SCR降低率是基于EGR+SCR下降低率與EGR降低率計(jì)算所得。由圖7可見，EGR的降低率為16%～42%，SCR降低率為51%～82%，EGR+SCR的降低率為92%～99%?？梢姡珽GR與SCR聯(lián)合控制將實(shí)現(xiàn)全路況下很低的NOx排放。由圖可見，EGR對NOx的降低率在市區(qū)路況下最大，高速次之，市郊最低；SCR對NOx的降低率在市郊最高，高速次之，市區(qū)最低。EGR和SCR聯(lián)合控制下的NOx降低率在高速和市郊工況下相差不大，市區(qū)工況最小，這與市區(qū)工況NOx排放低于市郊和高速工況的情形相匹配。

圖7 不同路況下EGR和SCR對NOx的降低率

2.4 EGR率對NOx排放的影響

為探究EGR對NOx排放的控制規(guī)律，統(tǒng)計(jì)了配置EGR控制裝置試驗(yàn)方案下測試車輛EGR率隨著車速、加速度的分布(見圖8)。

圖8 基于車速、加速度的EGR率分布

從圖8可以看出，0～50 km/h、高于70 km/h的減速區(qū)間EGR率較高，在28%～38%占比較多；高加速度區(qū)間EGR率最低，在10%以下；50～65 km/h的中速區(qū)間內(nèi)EGR率較低，在25%以下。該EGR率分布情況與圖7所示市區(qū)、郊區(qū)、高速3種路況下EGR對NOx的降低率結(jié)果基本對應(yīng)，也反映了EGR控制策略。高加速區(qū)間為了不影響車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，不宜采用較大的EGR率。市區(qū)工況車輛行駛速度低，排氣溫度較低，SCR活性較低，為了控制NOx排放需采用較大的EGR率來降低NOx的排放。市郊工況中等車速，排氣溫度處在SCR催化還原的最佳工作溫度范圍內(nèi)，SCR的催化還原效果最佳，為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與排放性能綜合優(yōu)化，采用較小的EGR率協(xié)同SCR的控制策略。高速工況下車輛排氣溫度可能超出SCR催化還原的最佳工作溫度的范圍[3]，使得SCR的凈化效果稍有降低，為了滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)不影響高速時(shí)車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)需要適當(dāng)提高EGR率來協(xié)同SCR使得NOx排放降低。

NOx排放隨EGR率的變化見圖9。隨EGR率增大，NOx排放體積分?jǐn)?shù)降低，EGR率大于35%時(shí)，EGR率的增大對降低NOx排放效果不明顯。

圖9 NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨EGR率的變化

2.5 排氣溫度對SCR凈化NOx排放的影響

根據(jù)張傳霞[6]、唐韜[7]等對柴油機(jī)SCR系統(tǒng)催化劑溫度場進(jìn)行研究的結(jié)果，穩(wěn)態(tài)工況下，SCR入口溫度與SCR出口溫度差別不大，故本研究選取SCR出口溫度代表排氣溫度，分析排氣溫度與SCR對NOx凈化效果的影響。以25 ℃為溫度間隔，得到每個(gè)溫度區(qū)間的時(shí)間占比分布情況(見圖10)。由圖10可見，測試車輛排氣溫度區(qū)間主要分布在200～350 ℃之間。

圖10 排氣溫度時(shí)間占比

圖11示出了配置SCR+EGR控制裝置下測試車輛NOx排放隨排氣溫度的變化。可以看到NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨著排氣溫度的增加總體呈降低趨勢，其原因是排溫升高，SCR活性增大，對NOx的凈化效率增大。但排氣溫度高于350 ℃時(shí)，NOx排放體積分?jǐn)?shù)隨溫度升高反而升高。Kanok Boriboonsomsin[3]等在對配備SCR的重型柴油車道路運(yùn)行實(shí)際排氣溫度分布的研究中發(fā)現(xiàn)，以銅基為載體的SCR最佳入口溫度是200～350 ℃，其結(jié)論與本研究結(jié)果相符，溫度高于350 ℃時(shí)，超出了SCR最佳溫度范圍，尿素經(jīng)熱解和水解分解出的NH3與NOx反應(yīng)的敏感度要遠(yuǎn)低于與O2反應(yīng)的敏感度，導(dǎo)致SCR的活性明顯降低，故導(dǎo)致NOx的排放呈現(xiàn)出升高的趨勢。

圖11 NOx排放隨排氣溫度的變化

由圖5和圖6可見，原機(jī)NOx排放隨車速增大而增大，在匹配SCR+EGR控制技術(shù)情形下，NOx排放隨車速增大而降低。圖8顯示市區(qū)EGR率高于市郊與高速工況。總之，NOx減排主要依賴SCR，市區(qū)車速低、排氣溫度低、SCR的活性低，導(dǎo)致市區(qū)NOx減排率不高。

3 結(jié)論

a) SCR對NOx的凈化率在51%～82%之間；當(dāng)溫度低于350 ℃時(shí)，排氣溫度升高，SCR對NOx凈化效果加強(qiáng)，當(dāng)溫度在200～350 ℃時(shí)，SCR對NOx轉(zhuǎn)化率最高，當(dāng)溫度高于350 ℃時(shí)，SCR對NOx凈化效果有所下降；

b) EGR對NOx排放的降低率在16%～42%，EGR率增大，NOx排放降低；EGR率在低速區(qū)較高，EGR率在28%～38%占比較多，中等車速區(qū)EGR率低于25%，高加速區(qū)間在10%以下；

c) EGR+SCR對NOx排放的降低率在92%～99%；配置EGR+SCR，NOx排放隨車速的增加而下降。