基于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)SCR排放標(biāo)定試驗(yàn)研究分析

程曉章, 張子涵, 劉 凡, 管金彪

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

隨著國(guó)家對(duì)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)的確定,在研究新能源車技術(shù)時(shí),對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)車排放,尤其是重型柴油機(jī)的尾氣排放處理也越來(lái)越重視[1]。在最新實(shí)施的國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)中:CO排放的限制值為500 mg/km;非甲烷烴類排放限制值為35 mg/km;氮氧化物(NOx)排放的限制值為35 mg/km;顆粒物(particulate matter,PM)排放的限制值為6×1011mg/km。這意味著柴油機(jī)依靠傳統(tǒng)的后處理技術(shù)難以達(dá)到日益增高的排放需求,高效的后處理技術(shù)成為柴油機(jī)必須采用的排氣控制手段[2]。

目前,在柴油機(jī)上較為成熟且穩(wěn)定的技術(shù)為柴油機(jī)氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+柴油顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)+選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR),主要用來(lái)滿足對(duì)顆粒物PM的捕捉、碳?xì)浠衔?HC)和CO的氧化、CO2和H2O以及NOx的還原。一些系統(tǒng)中還會(huì)添加氨氧化催化器(ammonia slip catalyst,ASC)實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氣(NH3)的氧化,防止NH3未完全反應(yīng)而造成的泄露[3]。

尿素SCR技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的降低柴油機(jī)NOx排放的方法之一。經(jīng)過研究表明,SCR系統(tǒng)的催化性能主要取決于催化劑,同時(shí)與系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)特性、尿素水溶液的分解、NH3的分布均勻性以及與尾氣混合度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)[4]。如果流暢內(nèi)部速度均勻性較低,或者還原劑分布不均勻,那么在通過載體時(shí)會(huì)造成載體局部壓力過大,使排氣背壓增大,同時(shí)造成催化器老化失效,使用壽命降低。

SCR系統(tǒng)中,混合器是提高NH3分布均勻性和尿素液滴蒸發(fā)分解效率的一種有效裝置:① 由于混合器的破壁設(shè)計(jì),當(dāng)液滴撞擊到混合器時(shí)可以破碎成更小的液滴,加速尿素水溶液的蒸發(fā)與分解,提高還原劑進(jìn)入催化載體時(shí)的均勻度;② 改變噴霧噴出后的流體流動(dòng)方向,可以避免攤布在壁面形成液膜,從而降低尿素結(jié)晶的生成風(fēng)險(xiǎn)?；旌掀鞯臄_流作用還可以加強(qiáng)還原劑與尾氣的混合度[5]。

本文通過搭建試驗(yàn)臺(tái)架,對(duì)后處理系統(tǒng)背壓、溫度損失以及NOx傳感器偏差進(jìn)行測(cè)試,研究不同混合器和NH3存儲(chǔ)量對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響,分析尿素結(jié)晶和排放限值問題。

1 選擇性催化還原系統(tǒng)

1.1 SCR系統(tǒng)模型

SCR系統(tǒng)主要由控制單元、尿素噴射單元和催化轉(zhuǎn)化單元構(gòu)成。其技術(shù)原理為:由電控單元計(jì)算并噴出適量的32.5%的尿素水溶液,尿素液滴經(jīng)過蒸發(fā)、熱解水解等一系列物理與化學(xué)反應(yīng),生成NH3,NH3與尾氣混合后再催化載體進(jìn)行還原反應(yīng),以達(dá)到降低NOx排量目的。SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[6]如圖1所示。

1.2 催化器表面化學(xué)反應(yīng)

在催化器載體內(nèi),HC、NO水解再次生成NH3,還原劑有選擇性地與尾氣中NOx發(fā)生還原反應(yīng),達(dá)到減排目的,且尾氣中的NOx相較于O2仍是較少的,因此反應(yīng)大多集中在富氧環(huán)境下發(fā)生[7]。

催化器載體內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)主要為:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

在排放的尾氣中,NO占據(jù)NOx的90%以上,式(2)也作為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng);隨著NO與NO2的比例發(fā)生變化,當(dāng)其質(zhì)量比約為50%時(shí),催化器內(nèi)部以式(3)為主,此時(shí)反應(yīng)速率變高,式(3)也被稱為快速SCR反應(yīng);當(dāng)NO2與NO質(zhì)量比持續(xù)增大時(shí),起主導(dǎo)作用的為式(4),該式也被稱為慢速SCR反應(yīng),此時(shí)NOx的轉(zhuǎn)化效率變低[8];當(dāng)催化載體內(nèi)部溫度過高時(shí),達(dá)到450 ℃以上,NH3對(duì)于O2的選擇性要高于還原劑,且在尾氣中O2的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NOx的含量,此時(shí)NH3則直接與O2產(chǎn)生氧化反應(yīng),在防止NH3泄露的同時(shí)也會(huì)造成NOx轉(zhuǎn)化效率的降低[9]。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架搭建

試驗(yàn)基于某公司H20-120E60國(guó)Ⅵ高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)行。在試驗(yàn)中心完成加裝后處理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架搭建系統(tǒng)[10],如圖2、圖3所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架

圖3 后處理集成系統(tǒng)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1所列,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣方式為增加中冷,供油系統(tǒng)形式為高壓共軌。檢驗(yàn)用儀器設(shè)備見表2所列。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 檢驗(yàn)用儀器設(shè)備

2.2 后處理傳感器打點(diǎn)布置示意圖

按技術(shù)要求對(duì)后處理器進(jìn)行打孔,安裝壓力、溫度傳感器以及采樣接頭,用于后續(xù)試驗(yàn)。各傳感器打點(diǎn)布置示意圖如圖4所示。

圖4 后處理各傳感器試驗(yàn)布置示意圖

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試

發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下排放示意圖如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下排放示意圖

從圖5a可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率在初始階段隨轉(zhuǎn)速的上升而降低,在1 400 r/min后逐漸上升,在最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定,之后再次下降,并在2 000～2 200 r/min區(qū)間內(nèi)緩慢增長(zhǎng)。分析可知在啟動(dòng)初始階段,需要向氣缸內(nèi)噴入濃混合氣,隨著啟動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)混合氣的濃度逐漸降低,故而油耗率降低;同時(shí)為確保發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性,需增加混合氣的濃度,故而油耗率再次增加;最后隨著轉(zhuǎn)速上升,混合氣燃燒不夠完全,導(dǎo)致油耗率在2 200 r/min后再次上升。

從圖5b可以看出,排氣煙度在1 600 r/min前保持平穩(wěn)狀態(tài),在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)煙度排放達(dá)到峰值后急劇下降,在2 000～2 200 r/min區(qū)間內(nèi)上下小幅度波動(dòng)。這是由于在啟動(dòng)工況時(shí),雖然噴入氣缸的是濃混合氣,但是多數(shù)燃油因溫度較低未被霧化,之后混合氣濃度逐漸降低,氧氣含量的增加增強(qiáng)了燃燒的充分性,煙度排放較小;在轉(zhuǎn)速增加到接近發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速時(shí),氣缸內(nèi)反應(yīng)時(shí)間降低,混合氣未完全燃燒,導(dǎo)致煙度排放增加。

從圖5c可以看出,開始階段排氣溫度隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸降低,而在1 400 r/min后隨著轉(zhuǎn)速的增加排氣溫度迅速上升,在最大扭矩點(diǎn)時(shí)排氣溫度達(dá)到最高,之后隨著轉(zhuǎn)速的增加,排氣溫度下降,最后趨于平穩(wěn)。這是由于開始噴入較濃混合氣,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較大,后來(lái)隨著混合氣濃度降低,燃燒完全,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度下降;之后由于再次噴入混合氣后,混合氣在氣缸內(nèi)燃燒不完全,排出氣缸后還在反應(yīng),導(dǎo)致排氣溫度再次上升。

3.2 排氣背壓測(cè)試

在加裝集成式后處理系統(tǒng)后,由于對(duì)內(nèi)部流程的擾動(dòng),不可避免地會(huì)引起壓力的損失。因此對(duì)后處理系統(tǒng)進(jìn)行各點(diǎn)位壓力測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表3所列。

表3 后處理系統(tǒng)壓損

由壓力傳感器可測(cè)得各部件的最大壓力損失如下:經(jīng)過DOC的壓損為3.7 kPa;流經(jīng)DPF的壓損為15.4 kPa;通過混合器的壓損為1.7 kPa;SCR的壓損為5.7 kPa。后處理系統(tǒng)總背壓為34.4 kPa,小于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的35.5 kPa,故滿足系統(tǒng)試驗(yàn)需求。

3.3 后處理溫度損失

后處理系統(tǒng)的溫度損失認(rèn)定為T5與T6之間的溫度差,T5為進(jìn)入DPF入口前的溫度,T6為SCR入口處溫度。

穩(wěn)態(tài)工況下的溫度損失如圖6所示。從圖6可以看出:穩(wěn)態(tài)工況下,2 370 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)(扭矩為70 N·m)測(cè)得的溫度損失為11 ℃(低負(fù)荷);1 450 r/min(扭矩為330 N·m)轉(zhuǎn)速時(shí)測(cè)得的溫度損失為18 ℃(高負(fù)荷)。

圖6 穩(wěn)態(tài)工況下溫度損失

瞬態(tài)工況下溫度損失定義為T4與T6之間的溫度差,如圖7所示。由圖7可知,在溫度損失瞬態(tài)分析中,WHTC冷態(tài)工況測(cè)得溫度損失為33 ℃,WHTC熱態(tài)工況測(cè)得溫度損失為12 ℃,均滿足系統(tǒng)的技術(shù)需求。

圖7 瞬態(tài)工況下溫度損失

3.4 NOx傳感器校對(duì)

在試驗(yàn)中要測(cè)量NOx的轉(zhuǎn)化效率來(lái)確定后處理系統(tǒng)的功效,因此在后處理系統(tǒng)入口和出口處均需安置NOx傳感器。傳感器安裝應(yīng)使傳感器流向標(biāo)志與流體流向一致,同時(shí)應(yīng)相互平行,使2個(gè)法蘭的中心位于同一軸線,避免產(chǎn)生附加應(yīng)力。這就需要對(duì)傳感器進(jìn)行校對(duì)以減小誤差,確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。傳感器誤差分析如圖8所示。

圖8 NOx傳感器誤差

從圖8可以看出:上游NOx傳感器在NOx體積分?jǐn)?shù)為4×10-4以上誤差在±5%以內(nèi),分布較為均勻,在NOx體積分?jǐn)?shù)為4×10-4以下誤差在±10%以內(nèi),仍滿足技術(shù)需求;下游NOx傳感器誤差在6%左右。可見,前、后傳感器誤差均值都在系統(tǒng)誤差值允許范圍以內(nèi),但仍需要調(diào)整其位置,進(jìn)一步提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3.5 loading and empty試驗(yàn)

loading and empty試驗(yàn)主要驗(yàn)證催化器性能以及初步標(biāo)定SCR模型,選點(diǎn)主要依據(jù)于WHTC中T6溫度和廢氣流量以及整個(gè)Engine Map中的范圍。試驗(yàn)測(cè)得NOx轉(zhuǎn)化率與NH3存儲(chǔ)量的關(guān)系以及轉(zhuǎn)換效率在不同廢棄流量與不同溫度下的轉(zhuǎn)變,結(jié)果如圖9所示。

圖9 NH3存儲(chǔ)量與NOx轉(zhuǎn)化效率之間的關(guān)系

從圖9可以看出,NOx轉(zhuǎn)化效率的變化趨勢(shì)是隨著NH3存儲(chǔ)量的增大而增加的,同時(shí)兩者的關(guān)系又受溫度和廢氣流量的影響。當(dāng)廢氣流量增大時(shí),NOx轉(zhuǎn)化效率降低,這是由于流量過大對(duì)于NH3的吸附和脫附都有著一定程度的劣化,同時(shí)流量增大也會(huì)造成尾氣無(wú)法與還原劑充分融合,氣體均勻度和反應(yīng)時(shí)間降低,使得系統(tǒng)整體的轉(zhuǎn)化效率降低。而在廢氣流量不變的情況下,SCR上游溫度上升時(shí),NH3存儲(chǔ)量不斷減少;NOx轉(zhuǎn)化效率則隨著溫度的上升呈拋物線趨勢(shì),SCR上游溫度在400 ℃以下時(shí),效率逐漸增加,在400 ℃以上時(shí),效率逐漸減小,這是由于銅基分子篩的后處理器特性,當(dāng)SCR溫度在高溫時(shí)SCR反應(yīng)會(huì)伴隨一些副反應(yīng),造成NOx轉(zhuǎn)化效率降低和催化劑活性下降。從NH3存儲(chǔ)時(shí)間分析,SCR上游溫度增加時(shí),NH3存儲(chǔ)效率不斷降低,而在250～450 ℃之間是后處理系統(tǒng)的最佳反應(yīng)溫度,反應(yīng)速率快,催化劑活性高,因此轉(zhuǎn)化效率增大的同時(shí)NH3儲(chǔ)存量也隨之降低。這意味著電控單元要隨時(shí)跟隨工況的改變來(lái)調(diào)節(jié)尿素水溶液噴射量,從而避免NH3泄露或還原劑不完全的風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 SCRFBC & AD試驗(yàn)

SCRFBC & AD試驗(yàn)選擇將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在某一個(gè)工況下(對(duì)應(yīng)一定的廢氣量和T6溫度),尿素一直保持著自動(dòng)噴射狀態(tài)(NH3存儲(chǔ)滿的狀態(tài)),將SCRAd-facadpMn1Av的值由1.0調(diào)整為0.7,同時(shí)系統(tǒng)會(huì)反饋出下游的NOx含量升高,當(dāng)處于穩(wěn)定后開始記錄。記錄數(shù)據(jù)并利用階躍響應(yīng)公式求出TN、KPR,再分別填入SCRFBC-tiNOxct1pi與SCRFBC-facNOxct1pi 2張Map圖。階躍響應(yīng)示意圖如圖10所示。

圖10 階躍相應(yīng)示意圖

通過對(duì)2張Map圖的標(biāo)定,達(dá)到對(duì)尿素噴射量動(dòng)態(tài)修正的目的,用于避免尿素量過少不達(dá)標(biāo)或者用戶往尿素里加水等情況,從而提升系統(tǒng)的動(dòng)力性能,減少系統(tǒng)的無(wú)用功。觀察FBC-FAC的動(dòng)態(tài)修正,若在尿素量過大時(shí)將FAC值降低,在尿素量過低時(shí)FAC值升高,則達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。?shí)際測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 實(shí)際測(cè)試結(jié)果示意圖

3.7 混合器對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

混合器可以使尿素水溶液在噴射進(jìn)入管道后更容易蒸發(fā)分解,與尾氣的混合度更高,提高還原劑濃度達(dá)到催化載體前的均勻性指數(shù),從而達(dá)到提升轉(zhuǎn)化效率的目的。

常規(guī)混合器與高效新型混合器模型對(duì)比如圖12所示。常規(guī)混合器工作原理較為簡(jiǎn)單,在氣體通過混合器后,由于其擾流或旋流作用,改變氣體原始流向,使其繞軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)形成渦流,在這期間尾氣與NH3混合,提高兩者的接觸面積和時(shí)間。而高效新型混合器在滿足上述功能的同時(shí)還需對(duì)氣流進(jìn)行二次變向,使其從渦流再轉(zhuǎn)變?yōu)檩S線直線氣流通過[11]。

圖12 常規(guī)混合器與高效新型混合器模型對(duì)比

不同轉(zhuǎn)速、不同扭矩下常規(guī)混合器與高效新型混合器對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的對(duì)比如圖13所示。其中,黑實(shí)線、紅虛線分別表示常規(guī)混合器、高效新型混合器對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率。

圖13 2種混合器對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的對(duì)比

由圖13可知:在低轉(zhuǎn)速下,常規(guī)混合器與高效新型混合器對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率均較低且較為接近,這是由于系統(tǒng)在低工況下溫度較低,整體反應(yīng)較為緩慢,反應(yīng)活性不高;而在高速高載荷下高效新型混合器對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率比常規(guī)混合器高出8%左右,且新型混合器對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率保持在9%以上,有利于系統(tǒng)性能的提升。

3.8 尿素結(jié)晶試驗(yàn)

對(duì)原結(jié)構(gòu)SCR系統(tǒng)和改進(jìn)后的SCR系統(tǒng)進(jìn)行尿素結(jié)晶試驗(yàn),試驗(yàn)方案為在臺(tái)架上進(jìn)行12 h城區(qū)路譜試驗(yàn),T6平均溫度保持在200～300 ℃。試驗(yàn)結(jié)束后拆卸觀察SCR系統(tǒng)各部件結(jié)晶現(xiàn)象,并通過3次稱重,取其平均值,再與各部件的原質(zhì)量進(jìn)行比較,得出最終的尿素結(jié)晶結(jié)果。

原SCR系統(tǒng)的尿素結(jié)晶試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。由于原SCR系統(tǒng)使用的是常規(guī)式混合器,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,對(duì)氣流的阻力較大,形成了較多的尿素結(jié)晶,而在其他位置幾乎沒有出現(xiàn)尿素結(jié)晶。

圖14 原SCR系統(tǒng)的尿素結(jié)晶

原SCR系統(tǒng)各部件尿素結(jié)晶變化見表4所列。從表4中數(shù)據(jù)可以看出,混合器部分的尿素結(jié)晶量最大,試驗(yàn)前、后質(zhì)量變化為9.30 g,尿素噴嘴與載體部分結(jié)晶量較少,最終SCR系統(tǒng)的尿素結(jié)晶量為10.73 g。

表4 原SCR系統(tǒng)各部件尿素結(jié)晶變化 單位:g

優(yōu)化后的SCR系統(tǒng)的尿素結(jié)晶情況如圖15所示。從圖15可以看出,在催化劑載體與尿素噴嘴中都只有一點(diǎn)尿素的結(jié)晶,而在尿素噴嘴座處尿素結(jié)晶較多,由于噴嘴座孔安裝不嚴(yán),才會(huì)導(dǎo)致此處存在一定的尿素結(jié)晶[12]。

優(yōu)化后SCR系統(tǒng)各部件尿素結(jié)晶變化見表5所列。從表5中數(shù)據(jù)可以看出,在尿素噴嘴及座孔處的尿素結(jié)晶量比其他部分要多,整個(gè)SCR系統(tǒng)的尿素結(jié)晶量為2.8 g,與原SCR系統(tǒng)相比,尿素結(jié)晶量大幅下降。

一旦某個(gè)部位產(chǎn)生尿素結(jié)晶,隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng),尿素結(jié)晶的積累會(huì)逐漸增多,在該部位會(huì)形成阻塞,不僅會(huì)增大排氣的阻力,還會(huì)影響尿素的分解和混合,從而干擾后處理系統(tǒng)正常運(yùn)行,在后期將會(huì)繼續(xù)優(yōu)化SCR系統(tǒng),改進(jìn)試驗(yàn)方案以減少尿素結(jié)晶。

表5優(yōu)化后SCR系統(tǒng)各部件尿素結(jié)晶變化

3.9 排放結(jié)果分析

WHTC瞬態(tài)循環(huán)測(cè)試是國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)柴油車污染物排放的測(cè)試方法,可以監(jiān)測(cè)1 800 s內(nèi)逐秒變化的瞬態(tài)工況。利用WHTC循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排放的調(diào)整和再標(biāo)定,可以優(yōu)化燃料噴射,有效調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)低速低負(fù)荷區(qū)域的PM排放,改善現(xiàn)行法規(guī)排放控制區(qū)以外工況點(diǎn)的排放狀況。

通過氣體分析儀采樣得到WHTC冷態(tài)與熱態(tài)循環(huán)中的NOx排放,同時(shí)檢驗(yàn)WHTC技術(shù)準(zhǔn)確性,結(jié)果如圖16所示。

從圖16可以看出,對(duì)比原排,在添加后處理系統(tǒng)后的尾氣排放中NOx的體積分?jǐn)?shù)明顯降低,且WHTC工況下最大偏差為2%,滿足技術(shù)需求。同時(shí)意味著在個(gè)別工況下,NOx排放量甚至趨近于0,符合國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

1) 加裝集成式后處理系統(tǒng)后的排氣背壓、溫?fù)p以及NOx傳感器誤差均在試驗(yàn)可控范圍之內(nèi)。

2) NOx的轉(zhuǎn)化效率隨著NH3存儲(chǔ)量增大而逐漸變大,且隨著排氣流量的增大呈負(fù)指數(shù)增長(zhǎng),在一定溫度下隨溫度呈正指數(shù)增長(zhǎng)。當(dāng)SCR上游溫度在400 ℃以下時(shí),NOx轉(zhuǎn)化效率則隨著溫度的上升呈拋物線的趨勢(shì);在400 ℃以上時(shí),轉(zhuǎn)化效率因后處理材料特性逐漸降低。

3) 高效新型混合器相較于常規(guī)混合器對(duì)氣體分布均勻性有更好的提升,對(duì)于NOx的轉(zhuǎn)化也有更好的效果。

4) 根據(jù)尿素結(jié)晶和排放試驗(yàn),尿素結(jié)晶集中聚集在噴嘴與混合器出口處,SCR入口壁面上也有少量結(jié)晶。在WHTC冷態(tài)和熱態(tài)循環(huán)下NOx排放符合國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)。