DOC+CDPF+SCR對輕型柴油機排放特性的影響

樓狄明，譚暢，譚丕強，胡志遠

(同濟大學，上海 201804)

柴油機具有熱效率高、燃油經(jīng)濟性好、扭矩大等優(yōu)點，廣泛應用于載重貨車、客運車等商用車領域。而柴油車是NOx排放和顆粒物排放的主要貢獻者，NOx排放占機動車排放總量的70%，顆粒物排放超過總量的90%[1]。NOx是光化學煙霧的誘因之一，顆粒物對人體健康也有著不可忽視的危害。各類后處理技術相結合已經(jīng)是柴油機應對日益嚴格的排放法規(guī)的主要手段。氧化型催化器(DOC)和催化型顆粒捕集器(CDPF)通常聯(lián)合使用來有效減少柴油機THC，CO以及顆粒物的排放，選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)則主要用來減少NOx的排放。因此聯(lián)合采用DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)是降低柴油機排放的有效措施[2-4]。

DOC常用的活性組分有鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)等貴金屬。Pt和Pd的主要貢獻是氧化CO和HC。Pd和Pt具有協(xié)同作用，能提高催化劑的抗老化能力，降低硫酸鹽的生成量[5]。DOC應用于DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)中時，能將NO氧化為NO2，有助于CDPF的被動再生和SCR的快速反應[6-8]。CDPF是在顆粒捕集器DPF載體上涂覆催化劑(Pt，Pd等)，降低顆粒物的起燃溫度，促進再生，能有效減少柴油機顆粒物排放[9]。SCR是柴油發(fā)動機降低 NOx排放的重要途徑[10]，其原理是將尿素水溶液(即AdBlue，濃度一般為32.5%)噴入柴油機排出的廢氣中，在催化劑作用下將廢氣中的NOx還原成無害的N2和H2O[11-12]。DOC，CDPF，SCR聯(lián)合應用于柴油機后處理系統(tǒng)能夠促進彼此的凈化能力，是目前主流后處理系統(tǒng)的重要技術路線之一。

為研究DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)對輕型柴油機排放特性的影響，本研究以某國五輕型柴油機為研究對象進行臺架試驗，分析了本機后、DOC后、CDPF后、SCR后4個測點的排放特性，研究了不同工況下DOC，CDPF，SCR聯(lián)合使用的凈化效果以及各自在減排中的貢獻。

1 試驗方案和設備

1.1 試驗樣機及設備

試驗樣機為一臺1.91 L排量、直列4缸、廢氣渦輪增壓中冷輕型國五柴油機，其主要技術參數(shù)見表1。

試驗所用檢測儀器包括MEXA-1600D氣態(tài)物分析儀和EEPS-3090顆粒粒徑分析儀。MEXA-1600D氣態(tài)物排放分析儀采用部分流采樣系統(tǒng)，可實時采集CO，CO2，THC，NO，NO2等氣態(tài)物濃度數(shù)據(jù)。EEPS-3090顆粒粒徑分析儀可測量粒徑范圍在5.6～560 nm顆粒的數(shù)量濃度、體積濃度、質量濃度以及表面積濃度的粒徑分布。

表1 試驗樣機的基本參數(shù)

試驗后處理系統(tǒng)由DOC，CDPF，SCR按順序串聯(lián)組成,其中DOC和CDPF的技術參數(shù)見表2。

表2 DOC和CDPF基本參數(shù)

1.2 試驗方案

試驗裝置見圖1。為了考察DOC+CDPF+SCR技術對輕型柴油機各類污染物排放特性的影響，以及 DOC，CDPF，SCR在各類污染物排放轉化中各自的貢獻，本試驗選取本機后、DOC后、CDPF后以及SCR后共4個測點。臺架試驗工況包括外特性試驗、最大扭矩轉速負荷特性試驗、標定功率轉速負荷特性試驗。外特性試驗轉速范圍為1 200～3 200 r/min，以200 r/min為固定間隔。負荷特性下，在最大扭矩轉速2 000 r/min和標定功率轉速3 200 r/min下分別對負荷率10%，25%，50%，75%，100%進行試驗。共計21個測試工況點。每個測試工況點穩(wěn)定采樣≥1 min。在上述試驗工況下，考察氣態(tài)物(NOx，THC，CO等)和顆粒物的排放特性。

圖1 試驗系統(tǒng)及測點分布

2 試驗結果與討論

2.1 動力性

圖2示出外特性下加裝DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)前后的動力性變化。由圖2可知，外特性下，柴油機扭矩隨著轉速的增加先增大后降低，加裝后處理裝置后柴油機扭矩有所降低,尤其是在中等轉速1 800 r/min時，這是因為CDPF內(nèi)加載有炭煙顆粒，導致排氣背壓逐漸升高，發(fā)動機的動力性下降，有效功率與輸出扭矩均有不同程度的損失[13]。圖3示出外特性下加裝DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)的壓降?？梢钥闯?，隨著轉速的提高，空速提高，后處理系統(tǒng)帶來的壓降也基本呈直線提高，1 200 r/min時壓降最低，為3.2 kPa，3 200 r/min時壓降最高，為12.5 kPa。加裝后處理后扭矩平均降幅為1.3%，最高降幅為2.5%，加裝后處理裝置對柴油機動力有一定影響。

圖2 外特性下加裝后處理前后柴油機動力性對比

圖3 外特性下加裝后處理系統(tǒng)后的壓降

2.2 經(jīng)濟性

圖4示出2 000 r/min和3 200 r/min負荷特性下加裝DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)前后的經(jīng)濟性變化。由圖4可知，負荷特性下，柴油機燃油消耗率隨著負荷的增加而降低，加裝后處理裝置后柴油機燃油消耗率惡化的比例也隨負荷的增加而降低。這是因為柴油機的經(jīng)濟性同樣受到排氣背壓的影響。外特性下加裝后處理后柴油機燃油消耗率增加比率平均約為2.6%，對柴油機的經(jīng)濟性有一定影響。

圖4 負荷特性下加裝后處理裝置前后柴油機經(jīng)濟性對比

2.3 常規(guī)氣態(tài)物及顆粒物排放特性

2.3.1NOx排放特性

圖5示出2 000 r/min和3 200 r/min下NOx的轉化率和SCR入口溫度隨負荷的變化。從圖中可以看出，隨著負荷的增加，排氣溫度和NOx的轉化率逐漸增加，這是因為負荷增大導致缸內(nèi)燃燒溫度升高，而較高的排氣溫度能促進SCR的催化還原。在低負荷下，SCR后的NOx排放沒有得到有效控制，這是因為低負荷下排氣溫度較低，SCR催化劑活性受到抑制，SCR的工作效率不高。隨著負荷的提高，排氣溫度升高，此時NOx轉化率達到最佳。試驗結果表明：在SCR入口溫度達到230 ℃時，NOx的轉化率達到50%；低負荷下，SCR入口溫度較低，NOx的轉化率不超過40%；在75%和100%負荷下，平均轉化率分別為98.7%，94.7%，高負荷下溫度的進一步提升反而會促進NH3的氧化反應，略微降低NOx的轉化率。

圖5 負荷特性下NOx轉化率和溫度的變化

圖6示出外特性下原機后、DOC后、CDPF后3個測點下NO2占NOx比例的變化。原機后NO2比例極低，在2 200 r/min時最大，僅為1.95%。DOC后NO2比例顯著提升，這是因為DOC將部分NO氧化為NO2。低轉速下DOC氧化特性主要受到溫度的制約，轉速的提高導致溫度提高，NO2比例提高；高轉速下DOC氧化特性主要受空速影響，NO2比例逐漸下降。排氣進入下游CDPF后，部分NO在催化劑的作用下繼續(xù)被氧化為NO2，部分NO2參與CDPF的被動再生，氧化顆粒物從而被還原，這兩方面原因導致了NO2比例的變化。從圖6中可以看出，CDPF后NO2比例略有上升，這說明CDPF催化作用的NO2生成量要多于被動再生消耗的NO2。

圖6 外特性下NO2比例的變化

圖7示出外特性下原機后、DOC后、CDPF后、SCR后4個測點的NOx排放特性。從圖中可以看出，原機后NOx比排放隨著轉速的增加先增加后緩慢降低。DOC后、CDPF后NOx排放略有降低，NOx減排的主要貢獻者還是SCR。在低轉速下，SCR仍然受溫度的影響工作效率不高，這與上文低負荷的情況類似。隨著轉速的提高，SCR轉化率逐漸提高，在1 800 r/min時達到92.1%，NOx比排放量為0.94 g/(kW·h)，此后NOx轉化率在平均值92.2%左右波動，NOx比排放量均在2 g/(kW·h)以下。

圖7 外特性下不同測點NOx的排放特性

2.3.2THC排放特性

圖8示出外特性下原機后、DOC后、CDPF后、SCR后4個測點的THC排放特性?？傮w而言，THC比排放受轉速增加影響不大。對比4個測點的THC排放規(guī)律可以看出，原機后、DOC后、CDPF后、SCR后4個測點的THC排放依次降低。DOC后THC的平均轉化率為86.2%，CDPF后THC的平均轉化率為87.9%，SCR后THC的平均轉化率為90.1%，可以看出，DOC是THC排放降低的主要貢獻者，CDPF、SCR能略微提高THC的轉化率。主要原因是DOC和CDPF均涂覆了貴金屬Pt和Pd，其中Pt對飽和碳氫化合物的氧化活性較高，Pd對不飽和碳氫化合物的氧化活性較高[14]，因此，在Pt和Pd的催化作用下，THC比排放顯著下降；同時，DOC內(nèi)氧化反應也提高了排氣溫度，促進了THC在CDPF內(nèi)的進一步轉化；SCR中部分THC也可作為還原劑與NOx發(fā)生反應。

圖8 外特性下不同測點THC的排放特性

2.3.3CO排放特性

圖9示出外特性下原機后、DOC后、CDPF后、SCR后4個測點的CO排放特性。總體而言，CO原機比排放隨轉速的提高先降低后增加，在1 200 r/min時CO的比排放過高，達到18.5 g/(kW·h)，可能是缸內(nèi)燃燒不完全導致，但在DOC的減排作用下CO最終比排放不超過0.01 g/(kW·h)。CO的轉化率始終處于一個較高的水準，平均轉化率達到91.3%，DOC是CO減排的主要貢獻者；CDPF能進一步略微減少CO的排放，這是因為DOC內(nèi)氧化反應提高了排氣溫度，CDPF內(nèi)涂覆的貴金屬在排氣溫度提高的情況下進一步發(fā)揮了作用；SCR對CO排放影響不大。后處理裝置后CO比排放保持在0.01～0.02 g/(kW·h)。

圖9 外特性下不同測點CO的排放特性

2.3.4顆粒物排放特性

圖10示出3 200 r/min不同負荷下的不同測點下顆粒粒徑(Dp)分布。由圖10可見，經(jīng)過DOC和CDPF后，柴油機的顆粒物排放得到有效降低。顆粒物數(shù)量分布存在核態(tài)和聚集態(tài)兩個分布區(qū)，分割點在50 nm。其中，核態(tài)顆粒物粒徑在50 nm以內(nèi)，主要由含硫化合物、碳氫化合物等可溶有機組分組成；聚集態(tài)顆粒物粒徑在50 nm以上，主要成分為高度聚合形態(tài)的含碳顆粒吸附含硫化合物、碳氫化合物等可溶有機組分形成。隨著粒徑的增大，原機顆粒物數(shù)量總體呈先略微增加后減少的趨勢，粒徑分布呈單峰或雙峰分布。單峰分布峰值在粒徑45 nm附近；雙峰分布第一個峰值在粒徑10 nm附近，第二個峰值在粒徑45 nm附近，均處于核態(tài)分布區(qū)內(nèi)，第二個峰值接近于核態(tài)分布區(qū)和聚集態(tài)分布區(qū)的分界點，因此，核態(tài)顆粒物原機排放數(shù)量比聚集態(tài)更高，20～100 nm區(qū)域顆粒物數(shù)量最高，占排放總量的79.1%。

經(jīng)過DOC后，顆粒物數(shù)量有所降低，但顆粒物粒徑分布規(guī)律變化不大。隨負荷的增大，排氣溫度隨之升高，DOC對顆粒物的減排效果也更明顯。DOC對粒徑在100 nm以內(nèi)的顆粒物具有良好的減排效果；對于更高粒徑的聚集態(tài)顆粒物，DOC在10%負荷和100%負荷時減排效果較差，這是因為低負荷時排氣溫度較低，DOC的催化性能不高，而高負荷時DOC前排氣溫度高達408 ℃，反而促進了硫酸鹽的生成[15]。

圖10 3 200 r/min負荷特性下不同測點顆粒粒徑分布

經(jīng)過CDPF后，顆粒物粒徑主要呈三峰分布或多峰分布，峰值點散布于核態(tài)和聚集態(tài)兩個分布區(qū)。在粒徑20～200 nm區(qū)域，CDPF的顆粒凈化效率最高；對于粒徑在20 nm內(nèi)的顆粒物，CDPF的凈化能將顆粒物數(shù)量降低一個數(shù)量級；對于粒徑在200 nm以上的顆粒物，CDPF的凈化效果相對較差。以10%，50%和100%負荷為例：25%負荷下，CDPF后粒徑在200 nm內(nèi)、200 nm以上的顆粒物減排率分別為99.6%，85.9%；50%負荷時，CDPF后粒徑在200 nm內(nèi)、200 nm以上的顆粒物減排率分別為99.4%，80.3%；100%負荷時，CDPF后粒徑在200 nm內(nèi)、200 nm以上的顆粒物減排率分別為98.3%，81.9%。

總體來說，5.6～560 nm的PN減排率(顆粒物數(shù)量減排率)和PM減排率(顆粒物質量減排率)可以由顆粒物的粒徑分布加權得出，3 200 r/min負荷特性下DOC+CDPF后PN及PM減排率見圖11。隨負荷的增大CDPF的PN減排效果略有衰減，這是因為高負荷下原機顆粒物排放數(shù)量更高，盡管CDPF捕集了更多的顆粒物，但總體減排率仍略有降低。由于CDPF對大粒徑顆粒物凈化效果相對小粒徑顆粒物較差，PM減排率略低于PN減排率，PM平均減排率為96.6%。在CDPF捕集顆粒物的過程中主要有三種捕集機理：布朗擴散、直接攔截以及慣性碰撞。在整個捕集過程中，布朗擴散占主導地位，但隨著顆粒物粒徑的增大，布朗擴散的作用下降，直接攔截和慣性碰撞機理的效果提高，但提高的效果有限，導致大粒徑顆粒物的凈化效果相對較差[16-17]；同時對于小粒徑顆粒物來說，一方面CDPF表面涂覆的催化劑能將聚集態(tài)顆粒表面的可溶有機組分氧化，將它們轉化為核態(tài)區(qū)的小粒徑顆粒物，另一方面排氣中的NO2對碳顆粒的氧化作用也能降低其吸附可溶有機組分的能力，減小顆粒物粒徑，因此，盡管小粒徑顆粒物的布朗擴散機理作用最強，但減排率仍略低于20～200 nm區(qū)域。

圖11 3 200 r/min負荷特性下PN及PM減排率

3 結論

a) 加裝DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)對柴油機動力性和經(jīng)濟性有一定影響，扭矩平均降幅為1.3%，燃油消耗率平均增幅為2.6%;

b) 在合適的排氣溫度下，DOC+CDPF+SCR能有效降低NOx的排放，SCR是主要貢獻者;中低負荷以及低速工況下，排氣溫度在200 ℃以下，NOx的轉化率不高;75%和100%負荷下，排氣溫度超過300 ℃，NOx的平均轉化率達到96.7%;DOC能有效提高排氣中NO2的比例，外特性下原機NO2的平均比例約為1.3%，DOC后NO2的平均比例達到29.0%，CDPF能將其進一步提高到30.8%，促進SCR的反應效率;

c) DOC是THC和CO排放降低的主要貢獻者，效果顯著;外特性下THC經(jīng)過DOC+CDPF+SCR后的平均轉化率為90.1%，THC平均比排放為0.01 g/(kW·h)；外特性下CO經(jīng)過DOC+CDPF+SCR后的平均轉化率為91.3%，CO平均比排放為0.02 g/(kW·h);

d) 原機顆粒物粒徑分布呈雙峰分布，DOC后顆粒物粒徑分布規(guī)律變化不大，CDPF后顆粒物粒徑主要呈三峰分布及多峰分布;DOC對顆粒物有良好的凈化效果，僅在低、高負荷時對大粒徑顆粒物表現(xiàn)不佳;CDPF對20～200 nm粒徑顆粒物的凈化效率最高，粒徑在20 nm以下的顆粒物的凈化效率其次，200 nm以上最低;PN和PM平均減排率分別為99.1%和96.6%。