高原環(huán)境下柴油機NOX排放控制試驗研究

摘 要：柴油機是當前工業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺的動力機械，同時也是NOX排放的主要貢獻者。要助力經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，內(nèi)燃機行業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力加速形成，使柴油機更高效綠色，提升SCR轉(zhuǎn)化效率，減少NOX排放是關(guān)鍵。文章利用臺架及大氣模擬裝置，在80kPa、90kPa、100kPa大氣壓力下進行試驗，研究不同海拔下NO與NO2排放特性，以及NO2與NOX的比值對SCR轉(zhuǎn)化效率的影響。研究結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的升高，NO及NO2排放均下降，海拔越高二者排放越少。NO與NO2排放呈此消彼長的關(guān)系，當NO2與NOX的比值增大時，SCR轉(zhuǎn)化效率逐步提高，但當比值大于50%時，SCR轉(zhuǎn)化效率會有明顯下降。

關(guān)鍵詞：高原 選擇性催化還原（SCR） NOX排放 轉(zhuǎn)化效率

1 緒論

與汽油機相比，柴油機能以較低的轉(zhuǎn)速輸出更大的扭矩，因具有動力性強，比油耗低，熱效率高等優(yōu)點，占據(jù)了越來越大的市場份額，在市場需要及技術(shù)發(fā)展的作用下，柴油機越來越多地被用于農(nóng)業(yè)，工業(yè)，運輸，軍事等方面[1-3]。據(jù)中國內(nèi)燃機工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計分析，2023年全年共計銷售柴油機4473.76萬臺，同比增長2.85%。柴油機是目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動力機械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機型。據(jù)生態(tài)環(huán)境部于2023年12月發(fā)布的《中國移動源環(huán)境管理年報（2023年）》顯示，全國機動車一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOX）、顆粒物（PM）排放量分別為743.0萬噸、191.2萬噸、526.7萬噸、5.3萬噸。汽車是污染物排放總量的主要貢獻者，其排放的CO、HC、NOX和PM超過90%[4]。柴油車NOX排放量超過汽車排放總量的80%，造成的環(huán)境污染不可忽視。

我國地形地勢復(fù)雜，擁有典型的高原地形，海拔1000m以上國土面積占56%，2000m以上面積占33%，僅青藏高原面積就達230萬平方公里[5-6]。柴油機等動力設(shè)備在這些高原地區(qū)運行時循環(huán)進氣量變差，會使得柴油機缸內(nèi)燃燒惡化，進而導(dǎo)致其排放惡劣[7-8]。研究高原環(huán)境下柴油機NOX排放特性及選擇性催化還原（SCR）性能對NOX排放控制具有重要意義。

本文利用滿足柴油機國Ⅵ測試的試驗臺架，搭載DOC及SCR系統(tǒng)，結(jié)合大氣模擬系統(tǒng)模擬不同海拔條件，進行不同轉(zhuǎn)速恒定節(jié)氣門開度試驗，研究80kPa、90kPa、100kPa大氣壓力下NOX排放特性及SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化性能，以期為優(yōu)化柴油機NOX排放控制豐富數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗設(shè)備與方法

試驗所用的發(fā)動機是一臺高壓共軌直列四缸柴油機，排氣后處理系統(tǒng)搭載DOC及SCR。柴油機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，SCR性能參數(shù)如表2所示。

試驗所用儀器設(shè)備除發(fā)動機及SCR系統(tǒng)外，主要是臺架測控設(shè)備，包括PUMA測控系統(tǒng)、傅里葉紅外分析儀、AVL電力測功機、冷卻水恒溫控制系統(tǒng)等，臺架布置如圖1所示。

3 不同大氣壓力下NO及NO2排放特性

針對柴油機不同海拔環(huán)境下的性能進行試驗研究通常有兩種方式，一種是將試驗機型及設(shè)備運送到符合試驗研究要求的地方，這種方式會消耗大量的人力物力，設(shè)備在運送途中也會有不可控的損壞風險，增加設(shè)備磨損，當設(shè)備故障時也得不到及時地修理。另一種便是借助大氣模擬系統(tǒng)，模擬實驗所需的大氣壓力、溫度及濕度，這也是當下主流的試驗方法。本次試驗所在地海拔為1980m，對應(yīng)大氣壓力為80kPa，利用大氣模擬裝置模擬90kPa和100kPa大氣環(huán)境，對應(yīng)的海拔分別是1000m和0m。不同海拔環(huán)境下氧氣密度不同，柴油機運行時進排氣流量、溫度等也不同，動力性、經(jīng)濟性、排放性等也會有較大差異。

選取1400～2400rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間，恒定60%節(jié)氣門開度，模擬柴油機在不同海拔環(huán)境下運行。如圖2及圖3所示，分別是在80kPa、90kPa、100kPa下NO及NO2排放特性。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，NO及NO2排放均下降，海拔越高二者排放越少。NOX產(chǎn)生的三個條件：高溫、富氧及反應(yīng)持續(xù)時間，海拔越高氧氣密度越低，因此隨著海拔的升高NO及NO2排放減少；而隨著轉(zhuǎn)速的增大，空速也增大，進排氣加快供給燃燒化學反應(yīng)的時間減少，因此NO及NO2排放減少。此外，NO在1600rpm至1800rpm區(qū)間排放濃度上升，因此時發(fā)動機功率從24.85kW上升到36.57kW，進氣流量從144.3上升到210.3kg/h，其余相鄰轉(zhuǎn)速區(qū)間功率和進氣流量變化分別在3.5 kW，20kg/h左右，因此1600rpm至1800rpm區(qū)間NO排放增多。

從圖4可以看出，柴油機原始NOX排放中絕大部分是NO，從變化趨勢來看，二者基本對稱，呈此消彼長的關(guān)系。由于在柴油機燃燒排氣過程中，溫度高且氧化物含量豐富，NO能被快速氧化成為NO2，NO與NO2的含量之比又能影響SCR的轉(zhuǎn)化效率，因此，有必要對二者的排放特性進行研究，以幫助改進SCR性能。

4 NO2與NOX之比對SCR轉(zhuǎn)化效率的影響

SCR是滿足國六排放法規(guī)必備的后處理系統(tǒng)，其載體利用銅基、釩基等做催化劑，尿素水溶液所產(chǎn)生的NH3做還原劑，通過催化還原反應(yīng)把NOX還原成N2和H2O，整個過程經(jīng)歷復(fù)雜的物理化學反應(yīng)過程，具體反應(yīng)原理如下：

（1）NH3的產(chǎn)生

（4-1）

（4-2）

（2）NOX的催化還原反應(yīng)

（4-3）

（4-4）

（4-5）

從上述研究可知，NOX排放中NO占比最多，因此在整個轉(zhuǎn)化NOX過程中，式4-3是最主要的發(fā)生的反應(yīng)，但是從式4-4及4-5也可以發(fā)現(xiàn)，當有足夠的NO2參與反應(yīng)時，整個轉(zhuǎn)化過程將會加快。如圖5所示，當NO2與NOX的比值增大時，SCR轉(zhuǎn)化效率逐步提高。但也不是NO2占比越大越好，從圖中可以看出，在比值接近50%時，轉(zhuǎn)化效率達到最高，超過50%后轉(zhuǎn)化效率明顯下降，并隨著比值越高轉(zhuǎn)化效率越低。

5 結(jié)論

柴油機是當前工業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展中不可或缺的動力機械，由于其經(jīng)濟、耐久、可靠、高效等特點被廣泛運用于汽車、船舶、農(nóng)業(yè)、軍事等各個領(lǐng)域。當前，我國經(jīng)濟正轉(zhuǎn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起，各行各業(yè)均在謀求創(chuàng)新發(fā)展，柴油機也將朝著更高效更綠色更智能的方向發(fā)展，這是滿足內(nèi)燃機行業(yè)發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的應(yīng)有之義，也是助力實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標的必然要求。NOX是柴油機的主要排放污染物，如不加以控制會對人體和環(huán)境造成較大破壞，SCR是滿足國六排放法規(guī)有效降低NOX排放的關(guān)鍵技術(shù)手段。《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中明確規(guī)定了輕型車在進行實際道路行駛污染物排放試驗（RDE）時，汽車排放污染物限值需要滿足隨著海拔變化的要求[9]，這無疑為不同海拔下NOX排放控制帶來了挑戰(zhàn)。因此，研究不同環(huán)境下NOX排放特性及影響SCR轉(zhuǎn)化效率的因素，對于優(yōu)化SCR性能，控制NOX排放具有重要意義。

本文運用大氣模擬裝置在不同大氣壓力針對下柴油機進行臺架試驗，研究NO、NO2排放特性及NO2排放濃度占比對SCR轉(zhuǎn)化效率的影響，研究結(jié)果如下：

（1）隨著轉(zhuǎn)速的升高，NO及NO2排放均下降，海拔越高二者排放越少。其原因是海拔越高氧氣密度越低，因此隨著海拔的升高NO及NO2排放減少。而轉(zhuǎn)速增大，空速也增大，NOX產(chǎn)生的化學反應(yīng)時間縮短，也會導(dǎo)致二者排放減少。

（2）柴油機原始NOX排放中絕大部分是NO，NO與NO2排放呈此消彼長的關(guān)系。同時當NO2與NOX的比值增大時，SCR轉(zhuǎn)化效率逐步提高。但當比值大于50%時，SCR轉(zhuǎn)化效率會有明顯下降，并且隨著比值的增大，轉(zhuǎn)化效率持續(xù)下降。

基金項目：云南交通職業(yè)技術(shù)學院科學研究青年基金項目（2023KJ005）。

參考文獻：

[1]畢玉華，劉偉，申立中，等.不同海拔下EGR對含氧燃料柴油機性能影響的試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2015，36（02）：150-156.

[2]劉少華，金家琛，申立中，等.BED和BD混合燃料的理化特性研究[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2018，43（06）：76-81.

[3]畢玉華，聶學選，劉少華，等.排氣溫度、排氣流量和海拔對SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化率和NH3泄漏量的影響研究[J].汽車工程，2021，43（03）：350-357.

[4]中華人民共和國環(huán)境生態(tài)部.中國移動源環(huán)境管理年報（2023年）[R/OL]（2023-12-07）[2024-04-22].https：//www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/ydyhjgl/202312/t20231207_1058460.shtm.

[5]周廣猛，劉瑞林，董素榮，等.柴油機高原環(huán)境適應(yīng)性研究綜述[J].車用發(fā)動機，2013（04）：1-5.

[6]葉林保，楊林，高治宏.汽車用渦輪增壓柴油機高原性能的研究[J].現(xiàn)代車用動力，2006（01）：39-43.

[7]周廣猛，劉瑞林，焦宇飛，等.柴油機高原燃燒特性研究進展[J].車用發(fā)動機，2018（04）：17-21.

[8]畢玉華，唐成章，申立中，等.VNT與EGR耦合對不同氣壓下燃用含氧燃料柴油機性能的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34（17）：38-45.

[9]黃志輝，郝春曉，王軍方，等.機動車污染物排放量分析——《中國機動車環(huán)境管理年報（2017）》第Ⅱ部分[J].環(huán)境保護，2017，45（13）：42-47.