關(guān)于采用DOC+SCR后處理國5柴油機(jī)對(duì)應(yīng)WHTC排放的技術(shù)措施試驗(yàn)研究

王知銀，曹懷禮

(慶鈴汽車(集團(tuán))有限公司，重慶 400052)

關(guān)于采用DOC+SCR后處理國5柴油機(jī)對(duì)應(yīng)WHTC排放的技術(shù)措施試驗(yàn)研究

王知銀，曹懷禮

(慶鈴汽車(集團(tuán))有限公司，重慶 400052)

針對(duì)WHTC試驗(yàn)工況排溫低、SCR不易發(fā)生起燃催化反應(yīng)、會(huì)引起NOx排放高的問題,在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的排放標(biāo)定基礎(chǔ)上，采用節(jié)氣門和后處理包裹保溫等技術(shù)措施提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，達(dá)到SCR系統(tǒng)催化反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)降低PM和NOx排放的目標(biāo)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：該發(fā)動(dòng)機(jī)最終達(dá)到WHTC排放法規(guī)限值要求。

WHTC； NOx排放；排氣溫度；節(jié)氣門；后處理包裹

在中國大氣污染問題日趨嚴(yán)重，尤其是大城市空氣污染、霧霾天氣不斷加重的情況下，中國陸續(xù)制定和出臺(tái)了發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛方面的更嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)。國家環(huán)保部曾專題研究了大城市中車輛的排放問題。研究結(jié)果表明:大城市的柴油車行駛車速慢、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，即使是裝有SCR后處理的國4車輛的NOx排放仍高于試驗(yàn)室中發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。因此，國家環(huán)保部在已出臺(tái)的國5排放法規(guī)基礎(chǔ)上，專門針對(duì)城市用柴油車輛(如公交、環(huán)衛(wèi)、郵政等車輛)增加了強(qiáng)制性的WHTC試驗(yàn)法規(guī)HJ689—2014[1]，今后城市用國5柴油車的發(fā)動(dòng)機(jī)除滿足GB17691—2005[2]中要求的ESC和ETC等試驗(yàn)規(guī)范外，還必須對(duì)應(yīng)WHTC試驗(yàn)法規(guī)。

相比于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)的瞬態(tài)排放試驗(yàn)規(guī)范ETC而言，WHTC法規(guī)主要針對(duì)城市用柴油車運(yùn)行工況特點(diǎn)設(shè)置，更側(cè)重考查發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)域的排放狀況。其整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速和功率都較低，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫也隨之偏低[3]。另一方面，在中國重型車(GVW>3.5 t)市場(chǎng)上，大部分車輛都采用的是釩基SCR后處理技術(shù)路線，而釩基SCR在與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOx發(fā)生催化反應(yīng)時(shí)，有一個(gè)起燃反應(yīng)溫度，低于此溫度SCR系統(tǒng)將不會(huì)噴射尿素，或是雖然高于此溫度門檻限值，但SCR催化效率不一定是最佳，因而不能有效降低NOx排放[4]。如何解決發(fā)動(dòng)機(jī)在WHTC試驗(yàn)循環(huán)下的排氣溫度低問題，如何滿足和實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)尿素起噴、反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)真正降低NOx排放目的，是眾多發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)或整車生產(chǎn)企業(yè)面臨的課題。本文針對(duì)此問題展開試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備和發(fā)動(dòng)機(jī)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)選在一般專業(yè)排放試驗(yàn)室,所用設(shè)備包括發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)、全流稀釋通道和相關(guān)分析儀等，試驗(yàn)所用主要設(shè)備及儀器見表1。

表1 試驗(yàn)所用主要設(shè)備及儀器Table 1 Equipment and instruments used in the test

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)技術(shù)方案

2.1 WHTC試驗(yàn)工況分析

WHTC試驗(yàn)工況可對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)瞬態(tài)試驗(yàn)工況ETC來研究分析。環(huán)保部委托濟(jì)南汽車檢測(cè)中心等對(duì)WHTC和ETC的對(duì)比試驗(yàn)研究結(jié)果(表3和圖1)顯示：因ETC循環(huán)的排放高，更容易達(dá)到SCR系統(tǒng)的尿素噴射溫度和實(shí)現(xiàn)較高效率的反應(yīng)。但WHTC更側(cè)重于低速，而且怠速的比例明顯增加，整個(gè)循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速和功率都比較低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度很低，WHTC的冷熱態(tài)工況平均排溫都低于ETC，甚至都低于SCR起噴和催化反應(yīng)溫度。

表3 WHTC和ETC試驗(yàn)工況對(duì)比

2.2 試驗(yàn)方案

為保證SCR系統(tǒng)的尿素正常噴射、霧化和發(fā)生起燃催化反應(yīng)，提高排氣溫度是后處理SCR系統(tǒng)起作用和發(fā)生催化反應(yīng)的關(guān)鍵，各種措施圍繞此技術(shù)目的展開。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是增壓中冷技術(shù)。本項(xiàng)目的主要排放技術(shù)措施是在共軌系統(tǒng)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，通過增加節(jié)氣門、增加催化器包裹保溫層、采用EGR系統(tǒng)等開展細(xì)致調(diào)整、優(yōu)化。

圖1 WHTC和ETC試驗(yàn)工況點(diǎn)分布和排氣溫度對(duì)比

EGR系統(tǒng)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)控、降低NOx的有效手段[5]，試驗(yàn)方案考慮通過增加EGR系統(tǒng)后，在一定程度降低NOx的排放，然后再利用SCR后處理系統(tǒng)進(jìn)一步降低NOx的排放。

SCR必須在一定排氣溫度基礎(chǔ)上才能發(fā)揮作用。試驗(yàn)結(jié)果證明：進(jìn)氣節(jié)流閥(節(jié)氣門)是一種極為有效的提高排溫的手段[6]。按照燃燒理論，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)燃料的不完全燃燒會(huì)提高排氣溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量降低也可較好地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度。節(jié)氣門可以有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量。節(jié)氣門關(guān)閉，燃油發(fā)生不完全燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫會(huì)顯著提高，從而提升了SCR的反應(yīng)溫度和效率。但此措施需要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少、發(fā)動(dòng)機(jī)PM上升的可能性，以及PM和NOx的排放平衡。

雖然發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后的排氣溫度得到有效提高，但如果管路布置不當(dāng)，排氣管路和催化器的外表面散熱也會(huì)導(dǎo)致排溫?fù)p失，致使SCR載體的反應(yīng)溫度降低。因此，對(duì)排氣管路或后處理裝置實(shí)施物理包裹以減少排氣溫度損失，對(duì)保證SCR的反應(yīng)溫度是有效的。

3 WHTC排放實(shí)驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是匹配搭載到總質(zhì)量大于3.5 t的輕卡(即重型車)上的，因此排放試驗(yàn)按重型發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)GB17691—2005開展[6]，即對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)單體開展排放試驗(yàn)。

3.1 排放控制基本策略

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物主要控制對(duì)象為PM(顆粒)和NOx(氮氧化合物)，整個(gè)排放研究過程中，始終圍繞這一對(duì)互為矛盾的目標(biāo)尋求標(biāo)準(zhǔn)限值的平衡。

本試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為3L的小型發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)WHTC試驗(yàn)工況時(shí)，排放污染物中的PM成分中SOF的占比更大，soot和SOF比例約為2∶8。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用DOC+SCR后處理的排放策略：在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)完成PM和NOx的原排標(biāo)定，控制好PM和NOx的原機(jī)排放量，然后再通過后處理催化反應(yīng)，降低各種排放污染物，達(dá)到對(duì)應(yīng)的排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。其中：DOC主要針對(duì)SOF的催化消減，達(dá)到對(duì)PM的消減；SCR主要針對(duì)NOx的消減，最終達(dá)到法規(guī)限值標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)想的排放消減規(guī)律如圖2所示。

圖2 WHTC排放控制基本策略

在排氣溫度低時(shí)，后處理SCR系統(tǒng)不能有效起作用，難以達(dá)到預(yù)定降低NOx排放的目的。為此，重點(diǎn)考慮針對(duì)降低NOx排放的專門技術(shù)措施。

3.2 EGR(廢氣循環(huán)系統(tǒng))對(duì)排放影響

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)采用EGR后的WHTC排放研究結(jié)果。在采用EGR后，NOx下降9.2%。但由于EGR遵循貧氧燃燒規(guī)律，使PM出現(xiàn)上升，比原排的PM升高48.3%。

在此基礎(chǔ)上，增加DOC+SCR后處理試驗(yàn)，PM和NOx最終結(jié)果均超過了法規(guī)限值。其中PM平均結(jié)果超過限值100.9%，NOx平均結(jié)果超過限值22.7%。綜合分析后得出：雖然EGR對(duì)降低NOx有一定效果，但EGR不能有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，導(dǎo)致后處理裝置的DOC和SCR轉(zhuǎn)化效率同時(shí)降低，這是導(dǎo)致PM和NOx排放超出法規(guī)限值的主要原因。因此，采用EGR方案不能最終解決PM和NOx超高的排放問題，還必須采用其他措施徹底解決NOx的排放問題。

3.3 節(jié)氣門對(duì)NOx排放的影響

圖4是發(fā)動(dòng)機(jī)采用節(jié)氣門后的排氣溫度值，在沒有節(jié)氣門情況下，WHTC的平均排氣溫度為188℃，增加節(jié)氣門后，WHTC平均排氣溫度為224℃，溫度提升36℃，表明節(jié)氣門對(duì)排溫提升效果顯著。

圖4 帶節(jié)氣門后WHTC的排氣溫度

圖5是采用節(jié)氣門后WHTC排放結(jié)果值，可見PM和NOx均滿足WHTC法規(guī)限值要求。試驗(yàn)結(jié)果表明:排氣溫度對(duì)后處理效率提升有較明顯效果。一方面，節(jié)氣門的關(guān)閉減小了空氣量，使燃油不能完全燃燒，導(dǎo)致PM升高，但PM其中主要成分是SOF，這樣，在催化器中的DOC也可以提高反應(yīng)效率， DOC在有效催化消除CO和HC排放的同時(shí)，也消減了SOF，降低了PM排放。另一方面，節(jié)氣門可以有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量。節(jié)氣門關(guān)閉，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度顯著提高，大大提升了SCR的反應(yīng)溫度和效率。排氣溫度提升了SCR的反應(yīng)效率，使NOx排放降低到法規(guī)限值內(nèi)。但試驗(yàn)排放結(jié)果只是剛滿足法規(guī)限值要求，裕度不足。

3.4 催化器包裹對(duì)NOx排放的影響

圖6是對(duì)催化器包裹的技術(shù)方案。由于整車車輛布置和干涉原因，沒有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器出口到催化器全段排氣管路實(shí)施包裹，只考慮對(duì)催化器本體實(shí)施包裹。

圖7表明：催化器包裹后，在WHTC試驗(yàn)工況下，SCR的反應(yīng)溫度提升21 ℃，從224 ℃提升到245 ℃，正好處于SCR最有效反應(yīng)溫度的范圍。

圖5 帶節(jié)氣門后WHTC排放結(jié)果

圖6 催化器包裹的技術(shù)方案

圖7 帶節(jié)氣門及催化器包裹后WHTC的排氣溫度

圖8是在催化器包裹狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC排放結(jié)果?？梢奝M和NOx有效降低，在法規(guī)限值內(nèi)有一定裕度，PM相對(duì)于法規(guī)限值裕度為31.3%，NOx相對(duì)于法規(guī)限值裕度為17.3%，可有效保證和彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)一致性的散差波動(dòng)。

圖8 帶節(jié)氣門和催化器包裹后WHTC排放結(jié)果 Fig.8 Results of WHTC emission with a throttle valve and a catalytic converter

4 結(jié)論

1) WHTC試驗(yàn)循環(huán)工況排氣溫度低，是DOC+SCR后處理的一個(gè)難點(diǎn)問題。且排氣溫度是采用SCR技術(shù)路線對(duì)應(yīng)WHTC排放法規(guī)的關(guān)鍵因素，所有技術(shù)措施都按此對(duì)應(yīng)和考慮。

2) 僅增加采用EGR系統(tǒng)在控制NOx上有一定效果，但不能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度。對(duì)于排氣溫度不高的發(fā)動(dòng)機(jī)，不能通過SCR后處理來解決其余NOx的排放問題，會(huì)出現(xiàn)PM排放大幅惡化的情況。

3) 增加節(jié)氣門調(diào)控排氣溫度是穩(wěn)定可靠的對(duì)應(yīng)WHTC法規(guī)的技術(shù)措施。節(jié)氣門開閉可有效提高排氣溫度。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)原排PM會(huì)升高，但由于較高的排氣溫度可提高DOC的催化反應(yīng)效率，消減PM中的SOF，因此最終可實(shí)現(xiàn)PM和NOx的雙降合規(guī)。

4) 通過物理手段如表面包裹方法可減少排氣管路和催化器的溫度損失，這也是提高和保證SCR反應(yīng)效率的手段之一，是應(yīng)對(duì)WHTC的有利措施。

[1] 國家環(huán)境保護(hù)部.城市用車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及及測(cè)量方法(WHTC工況法)，HJ689—2014[S].

Environmental Protection of the People’s Republic of China.Emission limits and measurement methods for exhaust emissions from vehicle diesel engines(WHTC method),HJ689—2014[S].

[2] 國家環(huán)境保護(hù)總局.車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國III、IV、V階段)，GB17691—2005[S].

The State Environmental Protection Administration.The limits and measurement methods of vehicle pressure ignition,gas fuel ignition engine and automobile exhaust emission(China III,IV,V),GB17691—2005[S].

[3] 田茂軍,黃德軍,谷雨.重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC與ETC瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)試驗(yàn)對(duì)比研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2015(1):1-4.

TIAN Maojun.HUANG Dejun,GU Yu.Comparison Study of Transient Test Cycle WHTC and ETC for Heavy-duty Engine[M].Internal Combustion Engine & Parts,2015(1):1-4.

[4] 張立雄,張琳,景曉軍,等.基于SCR柴油機(jī)的WHTC冷、熱啟動(dòng)循環(huán)排放差異研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2016,45(3):37-40.

ZHANG Lixiong,ZHANG Lin,JING Xiaojun.Emission Difference between Coldstart and Hotstart WHTC Cycles Based on a SCR Diesel Engine[J].Small Internal Combustion Engine and Vehicle Technique,2016,45(3):37-40.

[5] 溫任林，陳光洪.電磁驅(qū)動(dòng)式EGR閥原理與實(shí)驗(yàn)研究[J].柴油機(jī)，2008(2)：1-4.

WEN Renlin,CHEN Guanghong.Principle and experiment research of electromagnetic driven EGR valve[J].Diesel Engine,2008(2):1-4.

[6] 戰(zhàn)強(qiáng),殷海紅,馬雁.WHTC測(cè)試循環(huán)的排溫控制研究[C]//中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒凈化節(jié)能分會(huì)2013年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2013.

ZHAN Qiang,YIN Haihong,MA Yan.Study on the exhaust temperature control of WHTC test cycle[C]//Annual meeting of the Chinese society of internal combustion engine combustion purification and energy saving.2013.

(責(zé)任編輯 劉 舸)

Study on Technical Measures for WHTC Emission of CN5 on Diesel Engine with DOC+SCR After Treatment

WANG Zhi-yin, CAO Huai-li

(QingLing Motors (Group) Co., Ltd., Chongqing 400052, China)

For that the low temperature of WHTC test and the SCR is not easy to react, which will cause the problem of high NOx emission, and based on the calibration of the engine fuel system, we adopted the throttle and post treatment package and other technical measures to improve the engine exhaust temperature to achieve SCR catalyst reaction conditions and to reduce PM and NOx emission. The research results show that this engine ultimately achieves the limit requirements of WHTC emission regulations.

WHTC; NOxemission; engine exhaust temperature; throttle; post treatment package

2016-12-25

王知銀，男，高級(jí)工程師，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放研究，E-mail:qinglingzgb@126.com; 曹懷禮，男，高級(jí)工程師，主要從事汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)及模具技術(shù)研究。

王知銀，曹懷禮.關(guān)于采用DOC+SCR后處理國5柴油機(jī)對(duì)應(yīng)WHTC排放的技術(shù)措施試驗(yàn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(2):28-33.

format：WANG Zhi-yin, CAO Huai-li.Study on Technical Measures for WHTC Emission of CN5 on Diesel Engine with DOC+SCR After Treatment[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):28-33.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.005

U464

A

1674-8425(2017)02-0028-06