柴油機(jī)氧化催化器噴油助燃特性研究

萬(wàn)川，鄒筆鋒，吳星，孟強(qiáng)

(江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330030)

近幾十年來(lái)，柴油車在人們的生活和企業(yè)的運(yùn)營(yíng)中都發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用，柴油車的數(shù)量也一直在增加，據(jù)《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)(2019)》報(bào)道[1]，2018年柴油車數(shù)量高達(dá)2 103萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)7.5%，占全國(guó)汽車保有量的9.1%。柴油車對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染也是不容忽視的。柴油機(jī)尾氣中的有害氣體主要包括CO，THC，PM，NOx[2-3]，為了應(yīng)對(duì)這些有害氣體的排放問(wèn)題，采取在柴油機(jī)排氣管后端加裝尾氣后處理器的方法，該方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[4-7]。后處理裝置可以輔助柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，進(jìn)一步降低污染物濃度，十分高效直接，具有其他減排方案沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。因此針對(duì)尾氣后處理裝置的研究備受重視。

柴油機(jī)后處理技術(shù)主要包括氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、顆粒氧化催化器(POC)、顆粒捕集器(DPF)、催化型顆粒捕集器(CDPF)、選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)、復(fù)合選擇性催化還原過(guò)濾器(SCRF)等，還可將多種后處理器耦合在一起發(fā)揮更高效的作用[8-10]。目前，在柴油機(jī)上應(yīng)用最普遍的方案是加裝顆粒后處理系統(tǒng)，即由DOC和CDPF耦合的后處理裝置。其中，“尾管噴油+DOC+CDPF”更是一種可靠的技術(shù)方案，該技術(shù)方案將被動(dòng)再生與主動(dòng)再生結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)在全工況下高效率地持續(xù)進(jìn)行捕集器再生。

國(guó)內(nèi)外有大量的學(xué)者基于臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)DOC和DPF的減排性能以及其他特性進(jìn)行了研究。T. Gardner等[11]采用試驗(yàn)方法研究了柴油機(jī)尾管噴油時(shí)的柴油霧化和DOC氧化情況，考察了不同燃油噴射方向、噴射位置以及柴油預(yù)混合器對(duì)DOC內(nèi)氧化情況和DPF再生情況的影響。T. Tao等[12-14]試驗(yàn)研究了CDPF在主動(dòng)和被動(dòng)再生時(shí)的一系列特性，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)若保持長(zhǎng)時(shí)間的高溫工況，連續(xù)被動(dòng)再生就可以連續(xù)地氧化顆粒物。張靖等[15-16]在臺(tái)架上選取兩種碳載量在穩(wěn)態(tài)工況下對(duì)DPF進(jìn)行了再生試驗(yàn)，測(cè)試了DPF再生效率和速率，研究了高低流速和不同O2濃度下的主動(dòng)再生性能。王丹等[17-19]提出了基于缸內(nèi)次后噴(Late Post Injection，LPI)主動(dòng)再生的噴油量控制方法，確定了降怠速(Drop to Idle，DTI)不可控再生情況發(fā)生時(shí)噴油時(shí)機(jī)的確定方法，提出了用數(shù)學(xué)模型制定噴油控制策略的方法，以及根據(jù)DPF壓降來(lái)判斷碳載量的方法和試驗(yàn)確定DPF碳載量安全限值(Soot Mass Limit，SML)的方法。

雖然學(xué)者們對(duì)于柴油機(jī)后處理器的減排性能進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)柴油機(jī)氧化催化器噴油助燃系統(tǒng)的排放特性及溫升特性的研究較少。為此，本研究選取氧化催化器噴油助燃系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過(guò)柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究在不同入口溫度、不同空速、不同噴油脈寬下，后處理裝置的溫升特性及排放特性的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)柴油機(jī)

試驗(yàn)所使用的柴油機(jī)是一臺(tái)高壓共軌重型柴油機(jī)。柴油機(jī)的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)柴油機(jī)參數(shù)

1.2 后處理裝置

試驗(yàn)的后處理器為箱式后處理器，這種后處理器將DOC、CDPF和SCR集成封裝為一體。尾氣在箱式后處理器中將依次通過(guò)DOC、CDPF及SCR。DOC和CDPF內(nèi)壁均涂覆有鉑(Pt)、鈀(Pd)貴金屬催化劑，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 DOC和CDPF技術(shù)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

柴油機(jī)臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意和測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。試驗(yàn)設(shè)備主要由進(jìn)排氣系統(tǒng)、電力測(cè)功機(jī)、柴油機(jī)、后處理器、柴油噴射系統(tǒng)、氣體分析儀、溫度傳感器、壓差傳感器等組成，主要儀器型號(hào)見(jiàn)表3。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

表3 柴油機(jī)臺(tái)架儀器

1.4 試驗(yàn)測(cè)試方案

尾管噴油主動(dòng)再生試驗(yàn)共分為3大組，13小組，具體工況見(jiàn)表4。

表4 主動(dòng)再生試驗(yàn)方案

第一大組試驗(yàn)研究不同噴油脈寬的影響；第二大組試驗(yàn)研究不同DOC入口溫度的影響；第三大組試驗(yàn)研究DOC低入口溫度與高入口溫度下不同空速的影響。

本試驗(yàn)中噴射系統(tǒng)計(jì)量閥頻率為5 Hz，試驗(yàn)過(guò)程中共設(shè)置3個(gè)變量，分別為轉(zhuǎn)速、DOC前溫度、噴油脈寬。DOC前溫度通過(guò)調(diào)節(jié)柴油機(jī)扭矩實(shí)現(xiàn)，噴油脈寬通過(guò)Vector CANape手動(dòng)調(diào)控，DOC前后溫度、DPF前后溫度、壓差等參數(shù)通過(guò)CANape實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄。試驗(yàn)中的排放測(cè)點(diǎn)均位于DPF出口處。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同入口溫度時(shí)的DOC溫升及排放特性

2.1.1DOC溫升特性

試驗(yàn)保持噴油脈寬不變(44 ms)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變(1 500 r/min)，通過(guò)改變柴油機(jī)扭矩獲得不同的來(lái)流溫度。由圖2可見(jiàn)，尾氣管噴油后，后處理器中(除DOC前)的溫度會(huì)迅速升高，DPF前溫度都可以在100 s內(nèi)達(dá)到溫度峰值。

圖2 不同來(lái)流溫度下的后處理器溫升特性

在來(lái)流溫度260 ℃，360 ℃，460 ℃下，DPF前溫度升高至穩(wěn)定所需的時(shí)間分別為92 s，71 s，51 s。這表示隨著來(lái)流溫度的升高，溫升速度也會(huì)加快。另一方面，DPF后溫度的變化曲線相比DPF前的溫度變化曲線在時(shí)間上有大約100 s的滯后，這是由于尾氣在流經(jīng)DPF時(shí)，部分熱量會(huì)被DPF載體(堇青石)吸收。

圖3示出柴油噴射前后，DOC前后溫度的變化情況。由圖3a可見(jiàn)，在來(lái)流溫度為260 ℃，360 ℃，460 ℃時(shí)，DOC前溫度分別升高了1 ℃，9 ℃和12 ℃，即柴油噴射會(huì)導(dǎo)致DOC前溫度略微升高，且溫升會(huì)隨來(lái)流溫度的升高而逐漸增大。這是由于柴油氧化放出的部分熱量會(huì)逆流傳遞，且來(lái)流溫度升高會(huì)加劇柴油在DOC前端的氧化反應(yīng)。

由圖3b可見(jiàn)，噴油后，DOC后溫度急劇升高，但當(dāng)來(lái)流溫度升高時(shí)，溫升幅度反而會(huì)有所降低。原因是試驗(yàn)時(shí)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，理論上其排氣質(zhì)量流量也會(huì)保持恒定，但排氣溫度的升高會(huì)導(dǎo)致排氣體積流量增大，此時(shí)空速會(huì)變大，即THC在DOC催化劑上的停留時(shí)間會(huì)縮短，氧化反應(yīng)的時(shí)間與低空速時(shí)相比就會(huì)減少。

圖3 噴油前后DOC溫度變化

2.1.2排放特性

圖4示出不同來(lái)流溫度下的排放特性。由圖4a可見(jiàn)，在尾管噴射柴油前，由于DOC和CDPF都可以有效降低THC排放，因此此時(shí)柴油機(jī)的THC排放很低。噴油剛開(kāi)始時(shí)，THC濃度會(huì)迅速升高并達(dá)到峰值，且隨著來(lái)流溫度的升高，THC排放峰值逐漸降低，達(dá)到排放峰值的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。當(dāng)噴油持續(xù)一段時(shí)間后，THC濃度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。這是由于噴油初期未燃碳?xì)湓黾樱琓HC濃度迅速上升，THC在DOC內(nèi)迅速氧化使溫度升高，DOC溫度升高又加速了THC的氧化，因此隨著柴油的繼續(xù)噴射，THC濃度逐漸降低。但總的來(lái)看，噴油后的THC排放仍較噴油前的THC排放高。對(duì)于這一現(xiàn)象，可通過(guò)控制來(lái)流溫度來(lái)緩解尾管噴射對(duì)THC排放的惡化情況。

由圖4b可見(jiàn)，尾管噴油對(duì)NOx排放影響不大，在噴油時(shí)僅略有波動(dòng)，NOx排放隨排溫的升高而升高。由圖4c可見(jiàn)，在未噴油時(shí)，柴油機(jī)的NO2排放在來(lái)流溫度為360 ℃時(shí)達(dá)到最大，這是由于360 ℃接近NO2的最佳生成溫度。當(dāng)噴射柴油后，由于NO2的氧化性大于氧氣，其在THC的氧化反應(yīng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，因此這時(shí)NO2排放會(huì)急劇下降。隨著THC濃度的降低，NO2排放又會(huì)有一定程度的升高，之后穩(wěn)定在較低值，在噴射結(jié)束后又逐漸恢復(fù)至噴射前的濃度。

圖4 不同來(lái)流溫度下的排放特性

2.2 不同空速時(shí)的DOC溫升及排放特性

空速(Space Velocity)是指單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入DOC的排氣體積與DOC載體體積的比，是反映DOC性能的一個(gè)重要參數(shù)。試驗(yàn)中DOC載體體積不變，排氣溫度恒定時(shí)排氣體積流量與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，因此可用DOC性能隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律反映DOC性能在不同空速時(shí)的變化規(guī)律。

試驗(yàn)時(shí)保持脈寬為44 ms不變，調(diào)節(jié)柴油機(jī)扭矩保持DOC入口溫度基本不變(低溫為260 ℃，高溫為460 ℃)，對(duì)高排氣溫度和低排氣溫度下的DOC性能隨空速的變化進(jìn)行分析。

2.2.1DOC溫升特性

圖5示出低入口溫度時(shí)，在4種不同轉(zhuǎn)速下，尾管噴油時(shí)的DOC前、DPF前和DPF后溫度隨時(shí)間的變化。

圖5 低入口溫度、不同轉(zhuǎn)速下的后處理器溫升性能

噴油前DOC前溫度在260 ℃附近，在轉(zhuǎn)速1 100 r/min，1 300 r/min，1 500 r/min，1 700 r/min下，DOC升溫至穩(wěn)定所需時(shí)間分別為121 s，96 s，83 s，86 s。轉(zhuǎn)速越高，經(jīng)過(guò)DOC后所能達(dá)到的峰值溫度越低，其升溫所需的時(shí)間也越短。究其原因，轉(zhuǎn)速越高，表示空速越大，即THC在DOC催化劑上停留時(shí)間減小，氧化放熱量降低，因而轉(zhuǎn)速越高溫升幅度越小。

圖6示出低入口溫度下，柴油噴射對(duì)DOC前后溫度變化的影響。由圖6a可見(jiàn)，不同轉(zhuǎn)速下，柴油噴射前后，DOC前的溫度變化不大。由圖6b可見(jiàn)，在柴油噴射后，DOC后溫度顯著升高，且隨轉(zhuǎn)速的升高，DOC的溫升幅度逐漸降低。實(shí)際DOC后溫度與目標(biāo)溫度的差值則隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)? 100 r/min增大至1 700 r/min時(shí)，DOC后溫度減小了46.33%，原因是排氣流量的增大加劇了熱量的散失。

圖6 低入口溫度、不同轉(zhuǎn)速下的DOC溫度變化

圖7示出高入口溫度時(shí)，在4種不同轉(zhuǎn)速下，尾管噴油時(shí)的DOC前、DPF前和DPF后溫度隨時(shí)間的變化。

噴油前DOC前溫度在460 ℃附近，在轉(zhuǎn)速1 100 r/min，1 300 r/min，1 500 r/min，1 700 r/min下，DOC升溫至穩(wěn)定所需時(shí)間分別為95 s，111 s，100 s，91 s，4種轉(zhuǎn)速的溫升速率存在一定波動(dòng)，但差異不大。與低入口溫度時(shí)類似，此時(shí)經(jīng)過(guò)DOC后所能達(dá)到的峰值溫度也和轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖7 高入口溫度、不同轉(zhuǎn)速下的后處理器溫升性能

圖8示出高入口溫度下，柴油噴射對(duì)DOC前后溫度變化的影響。由圖8a可見(jiàn)，在不同轉(zhuǎn)速下，雖然噴油對(duì)DOC前溫度的影響仍然較小，但相比低入口溫度時(shí)的影響則更為顯著。由圖8b可見(jiàn)，在噴射柴油后，隨著轉(zhuǎn)速的增大，DOC的溫度升高量仍逐漸降低，且與低溫時(shí)相比，各轉(zhuǎn)速下的溫升幅度都有所減小。這是由于排氣溫度升高導(dǎo)致排氣體積流量變大，此時(shí)空速會(huì)變大，THC在DOC催化劑上停留的時(shí)間就會(huì)減小，氧化放熱量降低，因而高入口溫度時(shí)的溫升幅度較小。

圖8 高入口溫度、不同轉(zhuǎn)速下的DOC溫度變化

2.2.2排放特性

圖9示出在不同入口溫度和不同轉(zhuǎn)速下，后處理裝置后的THC排放特性。從圖9a可知，低入口溫度時(shí)，得益于DOC對(duì)THC的減排能力，在柴油噴射前，后處理裝置后的THC排放接近于0。當(dāng)尾管噴油后，THC排放急劇升高，并在20 s內(nèi)迅速達(dá)到其排放峰值。且隨著轉(zhuǎn)速的增大，THC的排放峰值也會(huì)逐漸增大，達(dá)到排放峰值的時(shí)間則會(huì)有所延長(zhǎng)?？梢?jiàn)，高轉(zhuǎn)速會(huì)加劇THC泄漏，過(guò)大的空速不能讓THC充分反應(yīng)。待達(dá)到排放峰值后，繼續(xù)噴射柴油會(huì)導(dǎo)致THC排放降低。由圖9b可知，高入口溫度時(shí)，雖然在尾管噴射初期也會(huì)導(dǎo)致THC排放有所升高，但是其排放峰值比低入口溫度時(shí)小得多。另一方面，空速對(duì)THC排放峰值的影響也會(huì)比低入口溫度時(shí)顯著下降。綜上所述，高溫和低空速均有利于控制THC泄漏。

圖9 不同入口溫度、不同轉(zhuǎn)速下的THC排放特性

圖10示出在不同入口溫度和不同轉(zhuǎn)速下，后處理裝置后的NOx排放特性。從圖10a可知，低入口溫度時(shí)，在尾管剛開(kāi)始噴油時(shí)，NOx排放會(huì)明顯下降，但隨著柴油的繼續(xù)噴射，NOx排放又會(huì)開(kāi)始升高并逐漸趨于平穩(wěn)。從圖10b可知，高溫時(shí)尾管噴油對(duì)NOx的排放影響不大，NOx排放曲線幾乎沒(méi)有波動(dòng)。

圖10 不同入口溫度、不同轉(zhuǎn)速下的NOx排放特性

圖11示出在不同入口溫度和不同轉(zhuǎn)速下，后處理裝置后的NO2排放特性。由圖11a可見(jiàn)，低入口溫度下，在尾管還未噴油時(shí)，NO2濃度會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而逐漸降低。這是由于廢氣剛從柴油機(jī)內(nèi)排出時(shí)NO2的占比很少，而在后處理裝置后測(cè)得的大部分NO2是在DOC內(nèi)氧化生成的，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越高則空速越高，而空速高時(shí)DOC內(nèi)的氧化反應(yīng)時(shí)間會(huì)變短，因此，NO2排放也會(huì)相應(yīng)減少。在尾管開(kāi)始噴油后，THC濃度會(huì)突然升高，由于NO2會(huì)和THC發(fā)生反應(yīng)，所以此時(shí)NO2濃度會(huì)有所降低。由圖11b可見(jiàn)，高溫下的NO2濃度比低溫下的NO2濃度更高，可見(jiàn)高溫相比低溫更有利于NO2的生成。另一方面，在柴油噴射時(shí)NO2濃度相對(duì)更高，對(duì)下游SCR的影響更小。

圖11 不同入口溫度、不同轉(zhuǎn)速下的NO2排放特性

2.3 不同噴油脈寬時(shí)的DOC溫升及排放特性

2.3.1DOC溫升特性

圖12示出在4種不同噴油脈寬(48 ms，24 ms，16 ms，8ms)下，尾管噴油時(shí)DOC前、DPF前和DPF后溫度隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出，噴油前DOC前溫度在400 ℃附近，在噴油脈寬為48 ms，24 ms和16 ms時(shí)，DOC均有一定溫升，升溫至穩(wěn)定所需時(shí)間分別為99 s，46 s，63 s。在噴油脈寬為8 ms時(shí)，DOC后溫度幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。隨著噴油脈寬的增加，DOC后的溫度峰值逐漸增大，這是由于噴油量增多加劇了DOC中的氧化反應(yīng)。

圖12 不同噴油脈寬下的后處理器溫升特性

由圖13可見(jiàn)，在噴油后，DOC前后溫度均有不同程度的提升。但隨著噴油脈寬的降低，DOC后溫度升幅也會(huì)有所降低。當(dāng)脈寬為48 ms時(shí)，DOC后溫度達(dá)到了550 ℃，此時(shí)的溫度可以使含碳顆粒物主動(dòng)燃燒。但在噴油脈寬為16 ms和8 ms時(shí)，噴油后的DOC后溫度僅升高了26 ℃和7 ℃。溫升為7 ℃時(shí)，DOC后溫度僅有439 ℃，達(dá)不到含碳顆粒物主動(dòng)燃燒的溫度?？梢?jiàn)，為了保證DOC后有足夠高的溫度以滿足含碳顆粒物的主動(dòng)再生條件，需對(duì)噴油脈寬進(jìn)行合理控制。

2.3.2排放特性

圖14示出在不同噴油脈寬下，后處理裝置后的排放特性。由圖14a可見(jiàn)，在噴油脈寬為48 ms，24 ms，16 ms，8 ms時(shí)，THC排放峰值分別為21.17×10-6，9.53×10-6，7.32×10-6，5.07×10-6。噴油脈寬為48 ms時(shí)THC峰值最高，THC峰值與脈寬呈正相關(guān)。由圖14b可見(jiàn)，在噴油脈寬為48 ms，24 ms，16 ms，8 ms時(shí)，NOx平均排放分別為898.59×10-6，918.04×10-6，903.87×10-6，909.32×10-6?？梢?jiàn)噴油脈寬對(duì)NOx排放的影響不大。由圖14c可見(jiàn)，在未噴柴油時(shí)，各脈寬下的NO2排放幾乎相同；在噴射柴油后，由于NO2會(huì)參加到THC的催化反應(yīng)中，脈寬變大會(huì)導(dǎo)致THC排放增大，因此隨著噴油脈寬的增大，NO2濃度則會(huì)降低。

圖14 不同噴油脈寬下的排放特性

3 結(jié)論

a) 尾管噴油后，柴油在DOC內(nèi)部的氧化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致DOC的溫升速度很快，溫度會(huì)在100 s內(nèi)迅速升高并達(dá)到峰值,并且入口溫度越高，DOC溫升速度越快，但DOC后的溫升幅度反而有所下降;THC排放會(huì)隨入口溫度升高而逐漸降低，因此可通過(guò)升高來(lái)流溫度來(lái)緩解尾管噴射對(duì)THC排放的惡化情況；

b) 空速越大，DOC溫升速度越快，但DOC后的溫升幅度會(huì)有所下降；空速升高將加劇THC排放，但會(huì)減少NO2的生成，低空速有利于控制THC泄漏，并且對(duì)下游SCR的影響較??；

c) 噴油脈寬減小，DPF前溫度也會(huì)相應(yīng)降低，可通過(guò)合理控制噴油脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)DPF的主動(dòng)再生；THC排放與噴油脈寬呈正相關(guān)，NO2則與噴油脈寬呈負(fù)相關(guān)。