高壓共軌柴油機DOC/POC/SCR后處理系統(tǒng)的開發(fā)研究

閆安

摘要：本文提出了對在用的高壓共軌柴油機滿足國Ⅴ排放法規(guī)的技術(shù)方案。它以32.5%的尿素水溶液為還原劑，采用本文提出的DOC/POC/SCR后處理系統(tǒng)，通過共軌柴油車的發(fā)動機臺架試驗，分析了ESC循環(huán)測試下NOx的排放濃度和負荷特性下NOx的排放濃度，結(jié)果表明：若僅采用單一的Urea-SCR后處理系統(tǒng)，共軌柴油機排氣中的NOx濃度降至300ppm左右，轉(zhuǎn)化率可達到75%，只能滿足國Ⅳ的排放法規(guī)要求值;而采用本文提出的DOC/POC/SCR后處理系統(tǒng)后，共軌柴油機排氣中的CO和HC凈化效果顯著，NOx濃度降至180ppm左右，轉(zhuǎn)化率可達到85%完全滿足了當前實施的國Ⅴ的排放法規(guī)，實現(xiàn)了對在用高壓共軌柴油機后處理系統(tǒng)的技術(shù)升級。

關(guān)鍵詞：汽車工程;共軌柴油機;NOx;尿素;SCR;轉(zhuǎn)化率

0 ?引言

車用柴油機尾氣中排出的顆粒物（PM）和氮氧化物（NOx）已成為城市空氣的主要污染源之一[1]。采用電控高壓共軌技術(shù)之后，即使國Ⅲ以下的排放標準可通過優(yōu)化柴油機燃燒系統(tǒng)來實現(xiàn)，但滿足國IV及其以上排放標準僅僅依靠優(yōu)化燃燒系統(tǒng)等機內(nèi)凈化方法已經(jīng)難以實現(xiàn)，因此，使用排氣后處理技術(shù)已成為當前國際上減少PM、NOx排放最有效的手段，柴油機選擇性催化還原簡稱SCR（Selective Catalytic Reduction）系統(tǒng)也已在國際上廣泛地使用，以降低柴油柴油機尾氣排放物中的NOx，SCR系統(tǒng)使用32.5%尿素水溶液為還原劑[2]，利用燃料供給裝置將尿素水溶液噴入柴油機尾氣中，尿素水溶液在高溫廢氣中轉(zhuǎn)化為氨氣，在催化劑的作用下把廢氣中的NOx還原為N2和H2O。并且SCR系統(tǒng)與氧化催化器（DOC）+顆粒捕集器（POC）或者加熱型DPF相結(jié)合可以實現(xiàn)滿足國V排放法規(guī)的要求。目前國內(nèi)外仍存在大量的在用共軌柴油機依靠單一的后處理系統(tǒng)只能滿足國Ⅳ的排放法規(guī)，面對日益嚴格的排放法規(guī)迫切需要進行技術(shù)升級，本文采用DOC+POC+SCR后處理系統(tǒng)對共軌柴油機進行技術(shù)升級，最終滿足國V的排放法規(guī)[3]。

1 ?Urea-SCR系統(tǒng)的實驗研究

1.1 Urea-SCR系統(tǒng)的化學反應機理

發(fā)動機工作時，還原劑經(jīng)計量泵進入排氣管內(nèi)，與尾氣中氮氧化物NOx在催化劑的作用下反應成無害的氮氣和水，目前在SCR系統(tǒng)上普遍采用濃度為32.5%的尿素水溶液作為還原劑，V2O5為催化劑。當車用尿素水溶液進入排氣管后，首先在高溫條件下水解成NH3和CO2：

NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2 ?（1）

緊接著氨氣把一氧化氮和二氧化氮還原成無害的氮氣和水，主要化學反應為：

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O ? ?（2）

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O ? ?（3）

2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O ? （4）

柴油機尾氣中的氮氧化物90%的是NO，因此SCR尾氣后處理系統(tǒng)內(nèi)主反應式是1.3稱為標準SCR反應，而1.2化學反應式稱為快速SCR反應，其反應速率比標準SCR反應更迅速[4-5]。

1.2 實驗發(fā)動機和實驗方案

本次實驗研究采用目前在用的YC4F115-40高壓共軌柴油發(fā)動機進行SCR系統(tǒng)的臺架實驗，其柴油發(fā)動機的參數(shù)如表1所示，圖1是發(fā)動機臺架實驗的整體示意圖。

1.3 負荷特性下NOx的排放濃度

為了進一步驗證Urea-SCR系統(tǒng)對發(fā)動機尾氣氮氧化物的凈化效果，實驗通過對原機和加裝Urea-SCR后的柴油發(fā)動機進行了1700r/min負荷特性下氮氧化物NOx排放濃度的測量，測量結(jié)果見表2，并依據(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)做出NOx排放濃度變化曲線圖，如圖2所示。

從實驗數(shù)據(jù)表明，Urea-SCR系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速為1700r/min運轉(zhuǎn)工況下對柴油機尾氣中的NOx的凈化效果顯著，發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后排氣中的NOx濃度降至300ppm左右，從表2可以看出，其NOx轉(zhuǎn)化率可達到75%左右，符合國Ⅳ的排放法規(guī)。由于新實施的國Ⅴ的排放法規(guī)對NOx的排放限值更為嚴格，僅靠單一的后處理裝置已經(jīng)不能滿足新的排放法規(guī)。

2 ?DOC/POC/SCR組合后處理系統(tǒng)的實驗研究

面對日益嚴格的排放法規(guī)，本研究針對在用共軌柴油機不能達到國Ⅴ排放法規(guī)的現(xiàn)狀開發(fā)了一套DOC/POC/SCR后處理系統(tǒng)，采用該后處理系統(tǒng)對發(fā)動機改動小，成本低具有很好的燃油經(jīng)濟性，非常適合針對在用高壓共軌柴油機國Ⅳ升級國Ⅴ的技術(shù)改造[6]。

2.1 組合后處理系統(tǒng)的技術(shù)原理

DOC首先可以降低柴油車尾氣中的CO和HC，并且可以將尾氣中的NO氧化成NO2，隨后NO2進入POC后處理裝置，NO2相比O2具有更強的氧化性，在催化劑的作用下，NO2分子鍵斷裂與尾氣中碳原子生成無毒無害的CO2，進而去除尾氣中的顆粒物，并且提高了進入SCR后處理裝置中NO2的濃度。通過SCR的反應機理可以看出，NO2可以促使氮氧化物進行快速SCR反應，進而提高NOx的反應效率，進一步降低尾氣中氮氧化物的濃度[7-9]。

2.2 ESC循環(huán)測試實驗

本實驗根據(jù)我國最新的《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》標準，采用ESC測試循環(huán)并對相應的13個工況點進行發(fā)動機的臺架實驗[10]。

ESC是指歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)，ESC測試循環(huán)具體包括和A、B、C三個轉(zhuǎn)速相對應的四個不同負荷點以及一個怠速點共13個發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況，其中三個轉(zhuǎn)速的計算公式如下：

計算公式中n1代表柴油發(fā)動機在低于額定轉(zhuǎn)速且功率為50%額定功率的外特性曲線上相對應的轉(zhuǎn)速，nh代表柴油發(fā)動機高于額定轉(zhuǎn)速且功率為70%額定功率的外特性曲線上相對應的轉(zhuǎn)速。發(fā)動機臺架實驗中ESC測試循環(huán)工況參數(shù)如表3所示。

嚴格按照國標中的尾氣測量方法，首先采用ESC測試循環(huán)對實驗中柴油發(fā)動機原機進行氮氧化物NOx排放濃度測試，然后在加裝DOC/POC/SCR后處理系統(tǒng)后，在相同的實驗條件下再次對尾氣中的氮氧化物NOx排放濃度的進行測試，先將柴油機調(diào)整到一穩(wěn)定工況，待其穩(wěn)定后開啟計量噴射泵的控制開關(guān)，采用AVL五組份尾氣分析儀對DOC/POC/SCR后處理系統(tǒng)中氣體成分進行測量，依次對13個不同的工況進行數(shù)據(jù)采集[11]，并繪制發(fā)動機的NOx排放濃度圖3和NOx轉(zhuǎn)化率的變化曲線圖4。

從NOx排放濃度的變化曲線以及NOx轉(zhuǎn)化率的變化曲線可以清楚的表明，本研究所采用的DOC/POC/SCR組合后處理系統(tǒng)，相比于單一的Urea-SCR系統(tǒng)凈化效果更加明顯，排氣中的CO和HC經(jīng)凈化后滿足國Ⅴ的排放限值，NOx排放濃度基本穩(wěn)定在180ppm，其NOx的轉(zhuǎn)化率也穩(wěn)定在85%左右，滿足共軌柴油機從國Ⅳ到國Ⅴ的技術(shù)升級。

3 ?結(jié)論

①采用單一的Urea-SCR后處理系統(tǒng)，共軌柴油機排氣中的NOx濃度降至300ppm左右，轉(zhuǎn)化率可達到75%僅能滿足國Ⅳ的排放法規(guī)。②采用本文提出的DOC/POC/SCR后處理系統(tǒng)后，共軌柴油機排氣中的NOx濃度降至180ppm左右，轉(zhuǎn)化率可達到85%滿足國Ⅴ的排放法規(guī)，最終完成對在用共軌柴油機后處理系統(tǒng)的技術(shù)升級。

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