摘要: 以一款滿足國六b排放標準的重型柴油機為研究對象,探索匹配雙噴銅基SCR系統(tǒng)實現(xiàn)超低排放的潛力。研究表明:匹配雙噴SCR系統(tǒng)的柴油機通過排氣熱管理優(yōu)化、氨存儲和當量噴射策略的協(xié)同優(yōu)化,具有滿足歐七排放草案限值的能力。同時發(fā)現(xiàn),尿素噴射會大幅度增加PN排放,對PN10的影響遠大于對PN23的影響,其中ufSCR的尿素噴射對PN10排放影響較大,可通過優(yōu)化SCR混合器降低PN10排放。發(fā)動機本體的N2O排放較低,N2O主要在催化器產(chǎn)生,特別是SCR和ASC單元;在不同溫度區(qū)間NO2的生成機理和速率有較大區(qū)別,與尿素噴射量有較大關聯(lián)性。
關鍵詞: 柴油機;選擇性催化還原;噴射策略;排放控制
DOI: 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.04.002
中圖分類號: TK427文獻標志碼: B文章編號: 1001-2222(2024)04-0009-08
柴油機由于其熱效率高、動力性強、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應用于重型貨車、客車、工程機械領域,為我國的基礎建設和經(jīng)濟高速發(fā)展提供了強大的支持。但汽車總量,尤其是柴油車總量的增加,對環(huán)境造成巨大的影響。生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動源環(huán)境管理年報(2022年)》[1]顯示,2021年全國機動車(含汽車、三輪汽車和低速貨車、摩托車等)四項污染物排放總量為1 557.7萬 t,汽車成為污染物排放的主要貢獻者,其排放的NOx和PM在各污染物排放總量中占比超過90%,其中,柴油車NOx排放量超過汽車排放總量的80%,PM超過90%。
近年來,中國、美國和歐盟等國家和地區(qū)持續(xù)實行加嚴的重型車排放法規(guī)。面對美國加州超低NOx排放法規(guī)或未來的歐七、中國下一階段排放法規(guī)挑戰(zhàn),各國學者和科研機構[2-5]提出的后處理技術路線主要分為兩類:一類是利用被動NOx 吸附結合涂覆型SCR技術路線[6],但該路線存在老化后吸附效率下降嚴重的問題[7];另一類是緊耦合SCR路線[8],該路線技術成熟度相對較高而引起業(yè)界廣泛關注。同時清華大學帥石金團隊[9]對柴油機N2O排放進行研究發(fā)現(xiàn),與Fe沸石和釩基SCR相比,Cu沸石催化劑更容易形成N2O,SCR中泄漏的氨氣在ASC中容易生成N2O,并隨氨泄漏增加而增大。浙江大學劉彪[10]深入研究了不同SCR載體材料中N2O生成機理,結果表明:SCR催化劑上N2O生成過程存在高溫和低溫兩種機理,且催化劑中銅含量對N2O生成量影響很大。李金成[11]在GT-Power平臺基于小樣試驗數(shù)據(jù)和遺傳算法搭建模型對采用緊耦合DOC的必要性進行了探討,結果表明:緊耦合DOC會增加緊耦合SCR 前的熱慣性,使緊耦合SCR的冷起動性能變差。
國內針對滿足下一階段重型柴油發(fā)動機排放法規(guī)的系統(tǒng)性研究較少,更多側重于排放污染物生成機理的研究,因此本研究基于一臺滿足國六b排放標準的重型柴油發(fā)動機,通過本體的熱管理優(yōu)化,匹配雙噴銅基SCR系統(tǒng)研究降低排放的潛力。同時結合氨存儲和當量噴射策略的協(xié)同,優(yōu)化前后級噴射策略,對比不同排氣污染物的變化趨勢,為滿足我國下一階段的排放標準探索可行的技術路線。
1試驗方案
1.1試驗對象和測試系統(tǒng)
試驗在一臺6.5 L排量的重型柴油發(fā)動機上開展,燃油系統(tǒng)使用高壓共軌系統(tǒng),可實現(xiàn)多次燃油噴射精準控制,后處理系統(tǒng)使用柴油機氧化型催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)、催化型柴油機顆粒捕集器(catalytic diesel particulate Filter,CDPF)、選擇性催化還原轉化器(selective catalytic reduction,SCR)、氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst,ASC)組合配置,滿足國六b的排放標準,發(fā)動機的主要技術參數(shù)見表1。
本研究采用的后處理方案在原有國六方案基礎上,增加緊耦合SCR(簡稱ccSCR)和ASC,同時在ccSCR前端布置一個尿素噴嘴,與原后處理方案共同構成雙噴SCR系統(tǒng),實現(xiàn)尿素的靈活控制,雙噴SCR系統(tǒng)裝置構型如圖1所示。
結合超低排放的目標,對SCR和ASC的尺寸進行調整,載體直徑均為266.7 mm,長度參數(shù)差異如表2所示,同時對SCR催化單元的催化劑進行升級優(yōu)化,其涂層配方由A調整為B,提升NOx低溫的轉化效率并抑制N2O產(chǎn)生。DOC和DPF的尺寸和參數(shù)保持原機狀態(tài),載體結構尺寸分別為Φ266.7 mm×76.2 mm,Φ266.7 mm×139.7 mm。
1.2試驗方法
試驗使用電力測功機測試系統(tǒng)和AVL AMAi60全流顆粒采樣系統(tǒng),使用MEXA-2300PCS顆粒計數(shù)器測量大粒徑的PN23,使用AVL489App 10 nm測量小粒徑的PN10。
試驗臺架和設備的布置如圖2所示?;跇藴逝_架WHTC試驗循環(huán),研究雙噴SCR系統(tǒng)對NOx的減排能力、N2O排放特性以及尿素噴射量對排放的影響,為后續(xù)實現(xiàn)超低排放提供優(yōu)化方向。
試驗過程按照以下步驟進行:
1) 發(fā)動機本體排溫熱管理優(yōu)化:通過調整發(fā)動機的燃燒控制參數(shù)提升排氣溫度;
2) 催化器特性測試驗證:按照設定的空速,測試ccSCR和底盤SCR(ufSCR)的儲氨能力和轉化效率,為下一步的尿素噴射量設定提供參考;
3) 雙噴SCR系統(tǒng)的協(xié)同標定:結合發(fā)動機的本體排溫區(qū)間分布和催化器的特性,對模型和尿素噴射參數(shù)進行標定,實現(xiàn)WHTC循環(huán)下的超低排放;
4) 尿素噴射對排放污染物影響驗證;調整尿素噴射參數(shù),驗證不同噴射參數(shù)下污染物的變化趨勢。
2試驗結果與分析
2.1熱管理優(yōu)化
雙噴SCR系統(tǒng)被廣泛研究的最主要原因不僅僅在于其技術成熟度高,更在于冷起動時可以充分利用更高溫度的排氣在ccSCR內實現(xiàn)NOx排放的降低,因此在開發(fā)后處理技術的同時,針對發(fā)動機本體開展熱管理優(yōu)化研究同樣可以提高排氣溫度,具有重要現(xiàn)實意義。
王建等[12]研究發(fā)現(xiàn),通過調節(jié)節(jié)氣門和后噴可以有效提升催化器入口溫度。為了提高SCR轉化效率,進一步降低NOx排放,本研究在原有國六發(fā)動機的基礎上對排氣熱管理進行優(yōu)化。在原有發(fā)動機標定數(shù)據(jù)基礎上進一步加大節(jié)氣門關閉度,最大關閉度由熱管理策略1的83%調整到熱管理策略2的88%,同時在低負荷工況在熱管理策略1的基礎上推遲噴油角2°~3°,增加后噴油量,同時引入電控放氣閥增壓器對進氣量進行調整,提高排氣溫度。在可靠性的邊界下充分利用節(jié)氣門約束倒拖工況的進氣量,同時在增壓器出口和催化器入口段增加保溫材料,減少排氣對催化器的冷卻,有效減少了催化器的溫度損失。
從不同熱管理策略的渦后排溫對比來看(見圖3),冷、熱態(tài)WHTC循環(huán)前600 s的排氣溫度在熱管理策略2的狀態(tài)下得到大幅度改善。冷態(tài)WHTC循環(huán)前600 s優(yōu)化前平均排氣溫度為170.2 ℃,優(yōu)化后為214.5 ℃;熱態(tài)WHTC循環(huán)前600 s優(yōu)化前平均排氣溫度為205.3 ℃,優(yōu)化后為236.3 ℃;冷態(tài)WHTC循環(huán)全程的排氣溫度平均值從234 ℃提升到258 ℃,熱態(tài)WHTC循環(huán)全程的排氣溫度平均值從248 ℃提升到268 ℃。WHTC循環(huán)600 s之后的排溫峰值基本相當,優(yōu)化后的排溫波谷明顯提升。ccSCR的尿素起噴時間在冷態(tài)WHTC循環(huán)提前27 s。
進一步對比ccSCR載體溫度和ufSCR載體溫度,如圖4所示,通過熱管理控制策略的優(yōu)化,ccSCR入口和出口的平均溫度(T_ccSCR_I和T_ccSCR_O)上升幅度均高于ufSCR入口和出口的平均溫度(T_ufSCR_I和T_ufSCR_O),這主要由催化器載體的熱慣性導致。冷態(tài)WHTC循環(huán)下ccSCR的溫度上升最為明顯,這為冷起動階段降低NOx排放提供了保障。
2.2催化器特性
開展發(fā)動機熱管理優(yōu)化、更新后處理硬件配置以及開發(fā)適用于雙噴SCR的尿素噴射策略對于實現(xiàn)超低排放同樣關鍵,其中,兩級SCR的氨存儲及DeNOx能力是制定控制策略的基礎。
對ccSCR和ufSCR的儲氨能力和轉化效率進行測試,結果如圖5和圖6所示。
由于ccSCR的體積較小,根據(jù)WHTC的工況分布選擇空速分別為60 000 h-1,90 000 h-1,120 000 h-1進行測試。ccSCR的儲氨能力隨著溫度的上升而降低,隨著空速增大而減小。在3個空速條件下,ccSCR的最高儲氨能力為2 658 mg/L。ccSCR的NOx轉化效率隨著溫度的上升而上升,隨著空速的增加而降低,在空速120 000 h-1,溫度200 ℃時,ccSCR的NOx轉化效率為78.5%。
由于ufSCR體積相對較大,選擇空速分別為20 000 h-1,40 000 h-1,60 000 h-1進行測試。ufSCR的儲氨能力和NOx轉化效率隨空速和溫度的變化趨勢與ccSCR基本相似,隨著空速降低,其儲氨能力升高。 空速40 000 h-1,溫度180 ℃時ufSCR的NOx轉化效率達到92.4%。
基于ccSCR和ufSCR的性能特性,對尿素噴射量和噴射條件進行針對性優(yōu)化,可降低污染物排放。
2.3單噴系統(tǒng)與雙噴系統(tǒng)對排放的影響
ccSCR最主要的作用是處理低溫起動時的NOx排放,又考慮其因溫度波動大更易發(fā)生氨泄漏的特點,雙噴系統(tǒng)需要進行氨存儲協(xié)同控制。結合ccSCR和ufSCR的性能特性,對啟噴溫度、原排模型、溫度模型、氨氮比、轉化效率、氨儲模型、NOx傳感器修正以及前后級SCR尿素噴射量的耦合系數(shù)等關鍵參數(shù)進行優(yōu)化標定,形成最終的雙噴SCR系統(tǒng)控制策略進行排放驗證,并與國六b的排放結果進行對比。
如圖7a所示,冷態(tài)WHTC循環(huán)下雙噴SCR系統(tǒng)在前200 s的NOx排放結果與單噴系統(tǒng)基本一致,這主要由于前期溫度提升速度緩慢(見圖3a),另外低溫情況下的轉化速率和轉化效率低,使得雙噴的優(yōu)勢未發(fā)揮出來。但在400~700 s,兩者呈現(xiàn)出比較明顯的差異。這主要是由于ccSCR的溫度快速上升,轉化效率快速提升。700 s之后無論單噴系統(tǒng)還是雙噴系統(tǒng)其NOx排放都較低。冷態(tài)WHTC循環(huán)下PN10排放和PN23排放如圖7b和圖7c 所示,單噴系統(tǒng)的排放量高于雙噴SCR系統(tǒng),這主要是由于單噴系統(tǒng)在DPF后的尿素噴射量要高于雙噴系統(tǒng)。雙噴系統(tǒng)ccSCR后NOx排放大幅度降低,ufSCR的尿素噴射量相比單級系統(tǒng)減小,最終體現(xiàn)在尾排的PN排放大幅度降低,這說明尿素噴射對PN的影響較大。從PN10和PN23排放物的數(shù)量級來看,PN10的數(shù)量級要大于PN23,可見減少尿素噴射量、提高尿素利用率是降低PN排放的有效措施。
對比熱態(tài)WHTC循環(huán)NOx和PN排放結果,如圖8所示。由圖可見,相比于單噴系統(tǒng),雙噴系統(tǒng)由于ccSCR在開始時溫度較高,NOx排放大幅度降低,在整個循環(huán)過程中NOx接近零排放。單噴系統(tǒng)在前400 s出現(xiàn)峰值,這主要由于單噴系統(tǒng)在前400 s的SCR入口溫度低,NOx轉化效率低。熱態(tài)PN排放的趨勢與冷態(tài)下的趨勢基本一致,也是呈現(xiàn)出雙噴系統(tǒng)的PN排放要低于單噴系統(tǒng),PN10排放量大于PN23排放量的趨勢。
由表3和表4數(shù)據(jù)對比可知,采用雙噴SCR系統(tǒng)后,尾排NOx排放相比單噴系統(tǒng)大幅度地降低,這主要由于ccSCR的入口溫度較高,充分利用排氣能量,冷態(tài)WHTC循環(huán)NOx排放從1.147 g/(kW·h)降低到0.397 g/(kW·h),降低了65.4%;熱態(tài)WHTC循環(huán)NOx排放從0.211 g/(kW·h)降低到0.015 g/(kW·h),降低了92.9%;加權NOx排放降低了80%,并且NH3,PN10,N2O和PM排放均可以滿足歐七草案限值要求。但N2O排放的裕度偏小,同時冷態(tài)的NOx排放仍是控制難點,可通過ccSCR優(yōu)化以及尿素噴射策略優(yōu)化進一步改善。
2.4雙噴系統(tǒng)對PN排放的影響
由于歐七草案針對PN排放更新了粒徑要求,開展雙噴系統(tǒng)對PN排放的影響研究將為雙級SCR系統(tǒng)未來的合規(guī)性驗證提供優(yōu)化方向。
進一步分析尿素噴射對PN的影響,從圖9可知,采用現(xiàn)有后處理方案,在沒有噴射尿素的情況下,PN10排放小于歐七草案標準,但尿素正常噴射后PN10排放大幅度增加,在WHTC冷態(tài)循環(huán)PN10排放增加約5.8倍,在WHTC熱態(tài)循環(huán)PN10排放增加13.3倍。從以上對比說明尿素噴射對PN排放的影響大,PN10的排放量為PN23的3~4倍。這主要由于ufSCR后的尿素溶液未經(jīng)過DPF捕集,未反應掉的尿素溶液增加了PN排放量,且對PN10的影響要比PN23更大。根據(jù)A. Michael、胡志遠、樓狄明等[13-15]的研究,尿素噴射會大幅度地增加PN排放,HNCO聚合、尿素熱解和蒸發(fā)過程中的尿素微爆炸是導致顆粒數(shù)增加的主要原因。
2.5雙噴SCR系統(tǒng)對N2O排放的影響
歐七草案在更新PN粒徑要求的同時,新增加了對N2O排放的限值,因此,開展在雙噴SCR系統(tǒng)中N2O排放產(chǎn)生過程的研究,可為抑制N2O的產(chǎn)生指明方向。
劉冰[16]的研究表明,國六發(fā)動機的原始N2O排放很低,幾乎沒有,這與本研究結論一致,如圖10所示。但通過對比熱態(tài)WHTC過程中N2O的排放可以發(fā)現(xiàn),在有尿素噴射的情況下,經(jīng)過ccSCR后N2O排放升高,在ufSCR中再次發(fā)生化學反應后,N2O排放繼續(xù)成倍增加,N2O體積分數(shù)最高峰值達到45×10-6。由圖11ufSCR后的N2O和NH3排放的關系發(fā)現(xiàn),ufSCR后的N2O排放與尿素噴射量呈現(xiàn)一定的對應關系,隨著ufSCR噴射量的增加,N2O也會呈現(xiàn)出排放量增加的趨勢。
結合圖12可知,前400 s增壓器出口溫度較低,在低溫情況下 NO2與NH3反應生成N2O,在400~1 200 s區(qū)間排氣溫度升高,處于200~260 ℃區(qū)域,N2O主要來源于NOx的還原反應;1 400 s之后處于高溫區(qū)間,隨著NO2與NH3濃度的升高,N2O增加的比例下降,SCR催化器溫度大于300 ℃后,NH3氧化反應與NOx的還原反應速率下降,從而抑制N2O的生成。
2.6尿素噴射策略對NOx和NH3排放的影響
為了進一步降低冷態(tài)循環(huán)下的NOx排放,針對ccSCR和ufSCR兩級的尿素噴射量配比進行優(yōu)化,DPF上游溫度分別為230,260,280,300 ℃時,噴射策略1前后級的噴射系數(shù)分別為0.8/0.2,0.2/0.8,0.1/0.9,0/1,噴射策略2前后級的噴射系數(shù)分別為0.9/0.1,0.4/0.6,0.2/0.8,0/1,前后級尿素噴射系數(shù)依據(jù)DPF的上游溫度進行分配。從圖13的對比結果可知,加大前級噴射量使得冷態(tài)WHTC循環(huán)ccSCR后NOx排放從1.759 g/(kW·h)降低到1.175 g/(kW·h),降幅達到33.2%,尾排NOx從0.408 g/(kW·h)降低到0.319 g/(kW·h),降幅為21.8%。由于熱態(tài)WHTC的循環(huán)溫度升高,在高溫區(qū)間為了考慮DPF的被動再生能力,減少了前級的噴射量,整體呈現(xiàn)出ccSCR后的NOx排放要高于冷態(tài)WHTC循環(huán)ccSCR后NOx排放的趨勢。但不同的噴射策略下也呈現(xiàn)出與冷態(tài)WHTC相似的趨勢,隨著ccSCR噴射比例增加,ccSCR后的NOx排放也呈下降趨勢,但尾排基本保持不變,前級ccSCR噴射比例對ccSCR后的NOx排放影響較大。
對不同噴射策略下尾排的NOx和NH3排放進行對比,從圖14可以看出,冷態(tài)WHTC循環(huán)的排放結果受噴射策略影響較大,熱態(tài)WHTC循環(huán)的排放結果受噴射策略影響較小。從尾排的NH3排放結果來看,加大前級尿素噴射量,冷態(tài)WHTC的NH3泄漏量增大10倍,熱態(tài)WHTC的NH3泄漏量增加50%。
從上述驗證情況可知,增加前級噴射量配比會改善冷態(tài)WHTC循環(huán)下前級ccSCR后的NOx排放,但由于冷態(tài)循環(huán)時排氣溫度低,容易造成NH3的泄漏,相比優(yōu)化噴射量之前的策略,增加前級尿素噴射量,NH3在不同循環(huán)均呈現(xiàn)出增加的趨勢。
3結論
a) 對國六b柴油發(fā)動機進行排溫熱管理優(yōu)化,能將WHTC循環(huán)增壓器出口排溫提高15~20 ℃;在此基礎上采用雙噴SCR系統(tǒng),通過氨儲策略和當量噴射策略的協(xié)同優(yōu)化,NOx,PN10,N2O,PM排放均可以滿足最新歐七草案要求,但N2O排放的裕度偏?。?/p>
b) 使用雙噴系統(tǒng), ufSCR后尿素噴射量小于單噴系統(tǒng),因此雙噴系統(tǒng)PN10排放小于單噴系統(tǒng);
c) 產(chǎn)生N2O的主要溫度區(qū)間為220~260 ℃,來源于NOx的還原反應,在高溫區(qū),隨著NO2與NH3濃度的升高,N2O增加的幅度下降;N2O排放與尿素噴射量呈現(xiàn)一定的對應關系,減少ufSCR的尿素噴射量可有效改善N2O排放;
d) 通過調整兩級SCR的尿素噴射配比,能改善NOx和NH3排放。
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Dual-Injection SCR System
ZHU Minlin,WANG Hui,GAO Jianbin,ZHAO Lingmeng,LI Mingxing,WANG Xiaohui
(Guangxi Yuchai Machinery Group Company,Yulin537000,China)
Abstract: On a heavy-duty diesel engine of China Ⅵ b emisison, the potential of achieving ultra-low emission was explored by matching a dual-injection copper-based SCR system. The research showed that the dual-injection SCR system had the ability to meet the emission limits of Euro Ⅶ emission draft through optimization of engine exhaust thermal management, combined with collaborative optimization of ammonia storage and equivalent injection strategies. In additon, it was found that urea injection significantly increased PN emissions, with a much greater effect on PN10 than on PN23. Among them, the urea injection of ufSCR had a greater effect on PN10 emission, which could be reduced by optimizing the SCR mixer. The experiment found that N2O emissions of engine were relatively low and mainly generated in the catalytic converter, especially in SCR and ASC units. The generation mechanism and rate of N2O had much difference in different temperature ranges, which was closely related to urea injection.
Key" words: diesel engine;SCR;injection strategy;emission control
[編輯: 潘麗麗]