不同海拔下柴油機(jī)氧化催化器與選擇性催化還原系統(tǒng)對柴油機(jī)性能與排放的影響

嚴(yán) 杰，畢玉華，聶學(xué)選，王 鵬，萬明定，申立中，彭益源

（1.昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點實驗室，昆明 650500；2.昆明云內(nèi)動力股份有限公司云南省內(nèi)燃機(jī)高原排放重點實驗室，昆明 650500）

0 概述

氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）和顆粒物（particulate matter，PM）是柴油機(jī)最主要的排放污染物［1］。中國第六階段排放法規(guī)對柴油機(jī)NOx和PM 等排放量有嚴(yán)格限值，同時國六b 階段海拔高度在2 400 m 以下均要滿足法規(guī)要求［2］。中國海拔高度在1 000 m 以上的國土面積約占58%，海拔高度在2 000 m 以上的面積大約占33%［3］。為滿足排放法規(guī)要求，加裝后處理系統(tǒng)是當(dāng)下必須采取的措施。 其中柴油機(jī)氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）系統(tǒng)因可以有效降低柴油機(jī)NOx排放而被廣泛關(guān)注。為滿足國六排放法規(guī)要求，SCR 系統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)化效率需要提升至90% 以上［4］。柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的運用會使排氣背壓升高，導(dǎo)致柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性下降。在高原環(huán)境下，大氣中含氧量與進(jìn)氣溫度等差異導(dǎo)致柴油機(jī)排氣溫度等性能與平原相比存在較大差異［5］，加裝后處理系統(tǒng)后柴油機(jī)排放特性也有差異。開展不同海拔下加裝后處理系統(tǒng)對柴油機(jī)性能的影響的研究對于柴油機(jī)與后處理系統(tǒng)的匹配和在高原環(huán)境下滿足排放法規(guī)具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對柴油機(jī)DOC+SCR 系統(tǒng)開展了大量研究。文獻(xiàn)［6］中研究了DOC+SCR 系統(tǒng)對顆粒物排放的影響，結(jié)果表明經(jīng)過DOC+SCR 系統(tǒng)后，有機(jī)物含量降低，顆粒物中碳煙含量降低最為顯著。文獻(xiàn)［7］中研究了7 種不同催化劑對DOC+SCR 系統(tǒng)的影響，提出了一種新的DOC 成分，可以顯著降低DOC+SCR 系統(tǒng)對硫的敏感性。文獻(xiàn)［8］中研究了不同催化劑溫度對SCR 系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響，結(jié)果表明催化劑溫度是影響SCR 轉(zhuǎn)化效率的顯著因素。文獻(xiàn)［9］中針對DOC+SCR 系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，優(yōu)化后DOC+SCR系統(tǒng)性能有明顯提升。文獻(xiàn)［10］中運用排氣熱管理措施從SCR 系統(tǒng)溫度提升程度、柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性與排放性等多個角度進(jìn)行了分析，得到了一套完整的SCR 排氣熱管理技術(shù)方案。文獻(xiàn)［11］中研究了不同類型的DOC 和SCR 的性能，結(jié)果表明鐵基催化劑的低溫活化性能比銅基催化劑更好。文獻(xiàn)［12］中的研究表明DOC+SCR 系統(tǒng)中，NOx的最佳轉(zhuǎn)化溫度為280 ℃～500 ℃。對于不同海拔下柴油機(jī)的相關(guān)性能，不同學(xué)者開展了大量研究［13-18］。文獻(xiàn)［19］中研究了在高原環(huán)境下加裝DOC 和催化型柴油機(jī)顆粒捕集器（catalyzed diesel particulate filter，CDPF）對柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果表明加裝后處理系統(tǒng)后，隨著試驗循環(huán)數(shù)的增加，發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性與原機(jī)相比略有下降。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對柴油機(jī)DOC+SCR系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特性、性能及不同海拔下柴油機(jī)性能開展了大量研究，但關(guān)于不同海拔DOC+SCR 系統(tǒng)對柴油機(jī)性能影響的研究非常有限?；诖吮尘?，本研究中利用大氣模擬系統(tǒng)，搭建試驗臺架，研究80 kPa、90 kPa、100 kPa 大氣壓力（對應(yīng)2 000 m、1 000 m、0 m 海拔高度）下加裝DOC+SCR 對柴油機(jī)性能的影響，該研究為柴油機(jī)在不同海拔運行時的后處理系統(tǒng)匹配提供實際指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗裝置與試驗方案

1.1 試驗裝置

研究對象為一臺增壓中冷直列4 缸柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。試驗所用的DOC 與SCR 主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。試驗主要儀器設(shè)備有AVL PUMA 測控系統(tǒng)、AVL 電力測功機(jī)、AVL 662 燃燒分析儀、AVL 735 燃油質(zhì)量流量計、AVL 553 冷卻水恒溫控制系統(tǒng)、AVL AMA i60 排放測試設(shè)備、AVL FTIR i60 排放測試設(shè)備、AVL 415S 煙度測試儀、上海同圓測試設(shè)備有限公司生產(chǎn)的大氣模擬裝置等。臺架布置示意圖如圖1 所示，臺架布置實物圖如圖2 所示。

圖1 臺架布置示意圖

表1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 DOC 與SCR 主要參數(shù)

1.2 試驗方案

本研究在原機(jī)與加裝DOC+SCR 條件下選取80 kPa、90 kPa、100 kPa（對應(yīng)海拔高度約為2 000 m、1 000 m、0 m）3 種大氣壓力進(jìn)行試驗。試驗所處地為昆明，海拔約為2 000 m，利用大氣模擬系統(tǒng)對進(jìn)排氣加壓模擬0 m 和1 000 m 海拔試驗，試驗中大氣壓力誤差控制在0.5 kPa 以內(nèi)，同時保證柴油機(jī)進(jìn)氣溫度為25 ℃±2 ℃，進(jìn)氣濕度為50%±5%。本研究選取外特性工況進(jìn)行試驗。試驗中，不同海拔下發(fā)動機(jī)供油量由電控單元（electronic control unit，ECU）控制策略進(jìn)行調(diào)整。

2 試驗結(jié)果及分析

分別在80 kPa、90 kPa、100 kPa 大氣壓力下對比柴油機(jī)加裝DOC+SCR 系統(tǒng)前后的性能變化規(guī)律，在6 個外特性工況點下分別計算出性能參數(shù)變化的百分比，再求出6 個變化百分比的平均值以得到最終的性能參數(shù)變化百分比。

2.1 不同海拔下DOC+SCR 系統(tǒng)對動力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒性能的影響

圖3 為不同海拔下加裝后處理裝置對功率、轉(zhuǎn)矩、有效燃油消耗率、缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響。由圖3 可知，加裝后處理裝置后，柴油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩下降，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下功率和轉(zhuǎn)矩均分別平均下降1.11%、1.89%、1.96%。隨著海拔的升高，柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩也略微下降。這是因為隨著海拔的升高，空氣密度下降，導(dǎo)致柴油機(jī)每循環(huán)進(jìn)氣量減小，缸內(nèi)燃燒惡化，使得柴油機(jī)動力性下降。加裝后處理系統(tǒng)后，柴油機(jī)排氣背壓升高，排氣阻力增大，增大了排氣損失，此外加裝后處理系統(tǒng)后柴油機(jī)進(jìn)氣流量有所下降，使得柴油機(jī)動力性下降。隨著海拔的升高，有效燃油消耗率增加，加裝后處理后80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均增加1.64%、2.87%、2.94%。這是因為隨著海拔的升高，空氣密度下降導(dǎo)致進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)減小，燃燒惡化，柴油機(jī)熱效率降低從而導(dǎo)致油耗升高。加裝后處理裝置后由于排氣背壓升高，排氣阻力增加，缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增加，另外加裝后處理系統(tǒng)需要開啟后噴以提升排氣溫度使后處理系統(tǒng)處于高效運轉(zhuǎn)區(qū)域，導(dǎo)致油耗增加。平原環(huán)境下，發(fā)動機(jī)的排氣壓差與進(jìn)氣壓差較大，使平原環(huán)境下泵氣損失高于高原環(huán)境，相對于加裝后處理系統(tǒng)，泵氣損失對發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性影響更加明顯，故加裝后處理裝置對平原環(huán)境下發(fā)動機(jī)性能的影響小于高原環(huán)境。

由圖3 還可知，由于高原環(huán)境下進(jìn)氣氧含量的減小導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒不充分，使得高原環(huán)境下缸內(nèi)最大壓力小于平原地區(qū)。加裝后處理裝置后排氣背壓升高，排氣阻力增大，缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增加，缸內(nèi)氧含量減小，燃燒不充分，致使缸內(nèi)最大壓力下降。加裝后處理后，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下缸內(nèi)最高燃燒壓力分別平均降低8.47%、7.50%、6.24%。

圖3 不同海拔下加裝后處理裝置對功率、轉(zhuǎn)矩、有效燃油消耗率、缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響

2.2 不同海拔下DOC+SCR 對進(jìn)排氣參數(shù)的影響

圖4 為不同海拔下加裝后處理裝置對進(jìn)排氣參數(shù)的影響。由圖4 可知，進(jìn)氣流量隨著海拔的升高而降低，不同海拔下進(jìn)氣流量隨轉(zhuǎn)速變化趨勢均一致。加裝后處理裝置后進(jìn)氣流量有所下降，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下進(jìn)氣流量分別平均下降3.32%、3.91%、4.62%。原因是隨著海拔的升高，大氣壓力下降，進(jìn)氣壓力不足導(dǎo)致進(jìn)氣流量減小。加裝后處理裝置后，由于排氣背壓升高，渦輪增壓器效率下降，導(dǎo)致增壓壓力降低，從而進(jìn)氣量隨之下降。

由圖4 中不同海拔下加裝后處理裝置對中冷后壓力的影響規(guī)律可知，由于高原地區(qū)大氣壓力低于平原地區(qū)，不同海拔下中冷后壓力也呈現(xiàn)不同程度的變化。加裝后處理裝置后，中冷后壓力下降，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均下降3.86%、4.17%、4.32%。

圖4 不同海拔下加裝后處理裝置對進(jìn)排氣參數(shù)影響

由圖4 中不同海拔下加裝后處理裝置對排氣溫度的影響規(guī)律可知，相同轉(zhuǎn)速下，排氣溫度隨著海拔的升高而升高，不同海拔下的影響規(guī)律趨勢均一致。加裝后處理裝置后排氣溫度明顯升高，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均升高7.35%、7.21%、7.11%。分析其原因是隨著海拔的升高，進(jìn)氣量減小導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，同時為了降低高原地區(qū)缸內(nèi)燃燒的惡化程度，柴油機(jī)采用較大增壓比，使得進(jìn)氣溫度升高。此外，隨著大氣壓力的降低，增壓比升高，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量也升高，但增壓器的增壓效果仍不足以抵消大氣壓力下降帶來的壓力損失，造成高原環(huán)境下的缸內(nèi)燃燒效果仍然差于平原地區(qū)。以上原因?qū)е铝烁咴貐^(qū)排氣溫度高于平原地區(qū)。加裝后處理后，由于排氣背壓的升高，排氣阻力加大，廢氣無法及時排出，使缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增大，影響了缸內(nèi)燃燒，且加裝后處理裝置后ECU 開啟后噴以匹配后處理系統(tǒng)，導(dǎo)致加裝后處理裝置后排氣溫度顯著升高。

由圖4 中不同海拔下加裝后處理裝置對排氣流量的影響曲線可見，相同轉(zhuǎn)速下隨著海拔的升高，排氣流量降低，加裝后處理裝置后排氣流量也降低，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均降低3.13%、4.75%、4.98%。排氣流量是進(jìn)氣流量與燃油質(zhì)量流量的總和，燃油質(zhì)量流量的變化相對較小，排氣流量下降的主要原因是進(jìn)氣流量下降。

由圖4 中不同海拔下加裝后處理裝置對排氣背壓的影響曲線可見，高原環(huán)境下排氣阻力低于平原地區(qū)，加裝后處理裝置后排氣背壓明顯升高，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均升高28.02%、27.08%、26.81%。排氣背壓是影響柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)，過高的排氣背壓會影響缸內(nèi)的燃燒，使動力性下降，油耗上升。平原地區(qū)的大氣壓力相對較高，排氣出口壓力相對于高原地區(qū)高，排氣阻力高于高原地區(qū)，因此平原地區(qū)的排氣背壓高于高原地區(qū)。由于后處理系統(tǒng)的管道和載體結(jié)構(gòu)加大了排氣阻力，并且加裝后處理系統(tǒng)后缸內(nèi)最大壓力下降，以上原因?qū)е录友b后處理系統(tǒng)后排氣背壓升高。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，加裝后處理系統(tǒng)后排氣背壓差值升高，這是由于隨著轉(zhuǎn)速升高，柴油機(jī)的排氣體積流量增大，加裝后處理系統(tǒng)后排氣阻力的增加對排氣背壓增加量的影響更加顯著。

2.3 不同海拔下DOC+SCR 系統(tǒng)對排放的影響

圖5 為不同海拔下加裝后處理裝置對柴油機(jī)排放特性的影響。

圖5 不同海拔下加裝后處理裝置對排放特性的影響

如圖5 所示，隨著海拔的升高，大氣壓力降低，柴油機(jī)進(jìn)氣氧含量較低，使缸內(nèi)缺氧區(qū)域增多，限制了NOx的生成，NOx排放降低。加裝后處理系統(tǒng)后，由于排氣流量降低導(dǎo)致進(jìn)氣流量降低，進(jìn)氣氧含量進(jìn)一步減小，NOx排放降低。加裝后處理后，SCR 后端NOx排放明顯降低，且在外特性工況下，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的SCR 最大轉(zhuǎn)化效率分別為88.86%、86.11%、84.76%。不同海拔下煙度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律基本相同，由于高原環(huán)境下進(jìn)氣流量減小導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，缸內(nèi)高溫缺氧的區(qū)域增多，碳煙排放增加。DOC 對碳煙中的可溶性有機(jī)物具有一定氧化作用，因此加裝后處理后排氣中煙度有所降低，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均降低8.94%、8.82%、8.41%。高原環(huán)境下排氣溫度較高有利于后處理系統(tǒng)工作，且高原環(huán)境下排氣流量較低使NOx和碳煙在后處理系統(tǒng)中停留時間增加，使反應(yīng)更加充分，故高原環(huán)境下DOC+SCR 系統(tǒng)對NOx和碳煙的轉(zhuǎn)化效率高于平原環(huán)境。

由不同海拔下加裝后處理裝置后HC、CO 的變化規(guī)律可知，由于高原環(huán)境下進(jìn)氣含氧量減小，缸內(nèi)燃燒惡化，燃燒不完全，導(dǎo)致未燃HC 和CO 排放增多，加裝后處理后DOC 的氧化作用使HC 和CO 排放明顯降低。在大氣壓力80 kPa 下，DOC 對HC 和CO 的轉(zhuǎn)化效率分別為91.33% 和79.88%；90 kPa下，對HC 和CO 的轉(zhuǎn)化效率分別為98.29% 和77.38%；100 kPa 下，對HC 和CO 的轉(zhuǎn)化效率分別為99.18% 和75.31%。大氣壓力較高時，排氣含氧量較大，使DOC 中氧化反應(yīng)能力增強(qiáng)，而不同大氣壓力下DOC 對HC 和CO 的轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，這是由于DOC 中單位質(zhì)量的催化劑發(fā)生氧化反應(yīng)的能力有限，HC 和CO 在DOC 內(nèi)的氧化反應(yīng)存在一定競爭關(guān)系，從而當(dāng)HC 的轉(zhuǎn)化效率上升時，CO 的轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)出下降趨勢。

3 結(jié)論

（1）隨著海拔的升高，柴油機(jī)進(jìn)排氣流量、中冷后壓力、排氣背壓降低，排氣溫度升高。加裝DOC+SCR 后，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的進(jìn)氣流量分別平均降低3.32%、3.91%、4.62%；中冷后壓力分別平均降低0.41%、4.17%、4.32%；排氣溫度分別平均升高7.35%、7.01%、7.11%；排氣流量分別平均降低3.13%、4.75%、4.98%；排氣背壓分別平均升高28.02%、27.08%、26.81%。

（2）隨著海拔的升高，柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、缸內(nèi)最高燃燒壓力下降。加裝DOC+SCR 后，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的功率和轉(zhuǎn)矩變化一致，分別平均降低1.11%、1.89%、1.96%；有效燃油消耗率分別平均升高1.64%、2.87%、2.55%；缸內(nèi)最大壓力分別平均降低8.47%、7.50%、6.24%。

（3）隨著海拔的升高，柴油機(jī)NOx排放降低，碳煙、HC、CO 排放升高。加裝DOC+SCR 后，外特性工況80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的SCR 的最大轉(zhuǎn)化效率分別為87.86%、89.11%、85.76%；煙度分別平均下降8.94%、8.82%、8.41%；DOC 對HC 的平均轉(zhuǎn)化效率分別為91.33%、98.29%、99.18%；DOC 對CO 的轉(zhuǎn)化效率分別為79.88%、77.38%、75.31%。