高效發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)超低氮氧化物尾氣排放的對(duì)策

B.ADELMAN N.SINGH P.CHARINTRANOND J.MANIS

研究考慮將選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)置于柴油機(jī)氧化型催化器（DOC）上游，使上游催化系統(tǒng)快速起燃，以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)復(fù)合聯(lián)邦測(cè)試規(guī)程（FTP）和坡道實(shí)驗(yàn)規(guī)程（RMC）期間實(shí)現(xiàn)低于0.07 g/（kW·h）的氮氧化物（NOx）排放目標(biāo)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外NOx水平、排氣溫度，以及上下游SCR之間的劑量水平進(jìn)行權(quán)衡比較。針對(duì)N2O形成和NH3逃逸，對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行比較。研究結(jié)果顯示，即使使用“超低NOx”后處理系統(tǒng)和“2027 NOx”發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定，如果目標(biāo)尾管NOx限值為0.027 g/（kW·h），在冷態(tài)FTP工況下，最初260 s內(nèi)的累積尾管NOx排放也超過(guò)了整個(gè)復(fù)合FTP工況期間所允許尾管NOx排放量，故需要另外采取措施才能達(dá)到此尾管NOx排放水平。改進(jìn)SCR配方，在低于180°C的低溫下實(shí)現(xiàn)高于50%的NOx轉(zhuǎn)化率。在達(dá)到高NOx轉(zhuǎn)化之前，需要更少NH3儲(chǔ)存的SCR配方，讓還原劑較早起效是降低尾管NOx排放量的潛在方法。

高效柴油機(jī);機(jī)內(nèi)/機(jī)外凈化;超低NOx排放;還原劑

0 前言

未來(lái)的監(jiān)管目標(biāo)將使柴油機(jī)面對(duì)諸多獨(dú)特的挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)更低的溫室氣體（GHG）排放，以及更低的尾管氮氧化物（NOx）排放。通常，通過(guò)產(chǎn)生較高的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外NOx和較低排氣溫度的燃燒方式可實(shí)現(xiàn)較低的溫室氣體排放。為了通過(guò)更高的機(jī)外NOx和更低的排氣溫度實(shí)現(xiàn)更低的尾管NOx目標(biāo)，研究人員需要重新對(duì)后處理系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)。自2007年排放限值出臺(tái)以來(lái)，美國(guó)在傳統(tǒng)公路重載柴油機(jī)（HDD）上一直使用柴油機(jī)氧化催化器（DOC）和柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器（DPF）。針對(duì)這些系統(tǒng)，使用發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)了NOx控制。從2010年開(kāi)始，該系統(tǒng)增加了下游選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)[1-4]。這使發(fā)動(dòng)機(jī)制造商能夠維持2007年的機(jī)外NOx排放水平，同時(shí)依靠SCR系統(tǒng)提供90%的NOx額外減排，以滿足美國(guó)2010年0.27 g/（kW·h）的NOx限值排放法規(guī)。在隨后的幾年中，排放法規(guī)引入了更為嚴(yán)格的溫室氣體排放限值，這是通過(guò)增加機(jī)外NOx并依靠SCR上更高的NOx轉(zhuǎn)化率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

但是，當(dāng)前公路重載柴油機(jī)后處理體系結(jié)構(gòu)（DOC+DPF+SCR/氨氧化催化劑（AMOX））的功能受到限制。為了實(shí)現(xiàn)超低NOx（低于0.07 g/kW·h）的排放要求，并提高燃油經(jīng)濟(jì)性，有必要對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)進(jìn)行更改。由于當(dāng)前架構(gòu)的SCR位于DOC和DPF的下游，在冷起動(dòng)或冷排氣運(yùn)行期間防止NOx泄漏將是1個(gè)挑戰(zhàn)。在SCR達(dá)到起燃溫度前，高NOx轉(zhuǎn)化效率可能會(huì)延遲幾分鐘，導(dǎo)致復(fù)合聯(lián)邦試驗(yàn)程序（FTP）工況的尾管NOx排放量可能在冷態(tài)FTP工況測(cè)試后的最初500 s內(nèi)超過(guò)規(guī)定的限值。即使在其余的冷態(tài)FTP工況和整個(gè)熱態(tài)FTP工況上實(shí)現(xiàn)100%的NOx轉(zhuǎn)化，也不足以滿足規(guī)定的尾管NOx水平。

Sharp等研究了多種后處理配置的NOx轉(zhuǎn)化性能[5-6]，以此作為實(shí)現(xiàn)超低NOx的途徑。其研究目標(biāo)是使用沃爾沃MD13TC發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到復(fù)合FTP工況要求的尾管NOx限值（0.027 g/（kW·h））。在整個(gè)復(fù)合FTP工況期間，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外NOx水平為4.0 g/（kW·h），并且由于采用復(fù)合渦輪增壓，排氣溫度較低。本研究考慮將SCR系統(tǒng)置于DOC上游，使上游系統(tǒng)快速起燃。與美國(guó)西南研究院（SwRI）的研究相比，研究人員還將考慮到更高的機(jī)外NOx排放水平。針對(duì)復(fù)合FTP工況和斜坡模式試驗(yàn)（RMC）工況，實(shí)現(xiàn)NOx排放限值低于0.07 g/（kW·h）。研究人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外的NOx水平、排氣溫度，以及上游SCR和下游SCR劑量水平之間的折中進(jìn)行了比較?；诤筇幚碛布涂刂扑惴ǎ芯咳藛T利用進(jìn)一步的標(biāo)定，確定可能的最低尾管NOx排放，同時(shí)還針對(duì)N2O的形成和NH3逃逸比較NOx轉(zhuǎn)化效率。

1 試驗(yàn)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)功器分析

所有測(cè)試均在2019年款Navistar A26TM 12.4 L柴油機(jī)上進(jìn)行。圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)外形圖，表1為該機(jī)型的技術(shù)規(guī)格[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)硬件沒(méi)有任何變化。為了達(dá)到更高的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外NOx排放水平，研究人員僅僅修改了發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定，所產(chǎn)生的NOx排放僅表示未來(lái)可能的燃燒模式，并未作為目標(biāo)。

試驗(yàn)人員將發(fā)動(dòng)機(jī)置入通用電氣（GE）1G667（16M）型電渦流測(cè)功器。測(cè)功器的最大功率為448 kW，最高轉(zhuǎn)速為5 000? r/min。這種測(cè)功器無(wú)法直接拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（空氣通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)泵送，但沒(méi)有加油）。在整個(gè)排氣后處理過(guò)程中都安裝了采樣口，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外及每個(gè)部件之后測(cè)量排放。實(shí)驗(yàn)室配有2臺(tái)堀場(chǎng)（Horiba）排放分析儀（MEXA 7500型），可以測(cè)量總碳?xì)浠衔铮═HC）、非甲烷碳?xì)浠衔铮∟MHC）、總NOx、NO、O2和CO2。此外，試驗(yàn)人員采用MKS（2000型）紅外傅立葉變換（FTIR）光譜分析儀測(cè)量NH3和N2O排放。

FTP工況的發(fā)動(dòng)機(jī)速度要求和負(fù)荷特性曲線要求基于聯(lián)邦法規(guī)（40 CFR 86.1333）。試驗(yàn)將FTP工況的拖動(dòng)部分替換為怠速空轉(zhuǎn)。由于拖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致排氣溫度降低，電渦流測(cè)功器不直接拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此需要調(diào)整低水平扭矩。其結(jié)果是，發(fā)動(dòng)機(jī)不再將空氣泵送至排氣。假定需要發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)控制（如停缸、正時(shí)延遲等）才能獲得超低的尾管NOx排放量。盡管當(dāng)前的設(shè)置不具有代表性，但拖動(dòng)缺失可以被認(rèn)為是替代未來(lái)熱管理的合理解釋。預(yù)處理包括運(yùn)行30 min的主動(dòng)再生，然后進(jìn)行2次熱態(tài)FTP，然后進(jìn)行一整夜的冷浸過(guò)程。RMC工況按照40 CFR 86.1362的規(guī)定運(yùn)行。

1.2 后處理

在當(dāng)前的研究中，研究人員使用了2種通用的后處理架構(gòu)。圖2（a）示出了采用DOC+DPF+柴油機(jī)后處理液（DEF）噴射器/混合器+SCR/AMOX的“標(biāo)準(zhǔn)US2010”后處理布局。圖2（b）示出了超低尾管NOx設(shè)計(jì)，在“標(biāo)準(zhǔn)US2010”系統(tǒng)的DOC上游裝有1個(gè)額外的DEF噴射器/混合器和SCR或SCR/AMOX。對(duì)于2種配置，都使用相同的DOC+DPF+SCR1+SCR/AMOX布置。超低尾管NOx設(shè)計(jì)使用2種配置進(jìn)行測(cè)試。除非專門(mén)確定僅使用SCR，否則所有超低尾管測(cè)試都使用額外的上游SCR/AMOX作為第1個(gè)后處理組件。表2列出了所有組件的組分。選擇分區(qū)的Fe/Cu配方是為了最大程度地減少N2O的形成。

研究人員將HC注入目標(biāo)催化器（目標(biāo)DPF進(jìn)口溫度為550 ℃）30 min后，然后停止注入30 min，將所有后處理組件老化100 h以進(jìn)行主動(dòng)再生，以此模擬超過(guò)50個(gè)主動(dòng)過(guò)濾器再生事件的熱暴露狀態(tài)。在沒(méi)有注入HC的情況下，研究人員在30 min內(nèi)監(jiān)測(cè)SCR的性能，結(jié)果在最初的幾次再生事件中，NOx的轉(zhuǎn)化迅速穩(wěn)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外排放

有2種修改后的燃燒模式，可以用于模擬未來(lái)可能使用較低有效燃油消耗率（BSFC）的高效發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)所分析的數(shù)據(jù)僅限于排氣流量、排氣溫度和NOx質(zhì)量濃度。由于未修改發(fā)動(dòng)機(jī)硬件，因此很難假設(shè)BSFC改進(jìn)的確切水平。第1次改進(jìn)的燃燒簡(jiǎn)單地關(guān)閉了EGR閥，同時(shí)阻止EGR廢氣流入進(jìn)氣歧管。該燃燒方式被稱為“高NOx”模式。表3示出了由此產(chǎn)生的冷態(tài)FTP工況、熱態(tài)FTP工況和RMC工況的累積NOx排放量。

如表3所示，“高NOx”模式標(biāo)定的機(jī)外NOx水平被認(rèn)為太高，無(wú)法作為獲得超低尾管NOx排放的潛在始點(diǎn)。對(duì)于超低排放（低于0.07 g/（kW·h）的復(fù)合FTP工況）測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定被修改為發(fā)動(dòng)機(jī)減速特性圖，并結(jié)合了低水平的EGR介入。因此，排氣溫度和NOx排放量低于“高NOx”標(biāo)定值。由于機(jī)外NOx排放水平類似于BSFC低的“歐六標(biāo)準(zhǔn)”或中國(guó)“國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)”，因此這種燃燒模式將被稱為“2027 NOx”模式。表4示出了由此產(chǎn)生的冷態(tài)FTP工況、熱態(tài)FTP工況和RMC工況的累積NOx排放。

2.2 NOx后處理轉(zhuǎn)化

“高NOx”模式發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定用于測(cè)量在復(fù)合FTP工況和RMC工況期間的NOx轉(zhuǎn)化效率。試驗(yàn)在DOC進(jìn)口、DPF進(jìn)口、SCR進(jìn)口和SCR出口處記錄排氣溫度。由于冷態(tài)FTP工況的起燃時(shí)間會(huì)延遲，因此這些溫度曲線更需要被關(guān)注（圖3）?！案逳Ox”模式冷態(tài)FTP工況的DOC進(jìn)口溫度迅速達(dá)到200 ℃，并在整個(gè)循環(huán)的大部分時(shí)間內(nèi)保持在250 ℃以上。結(jié)果，從DEF計(jì)量開(kāi)始，DPF出口的溫度在260 s內(nèi)達(dá)到190 ℃。尾管NOx的含量在此點(diǎn)后不久緩慢增加（在此范圍內(nèi)NOx轉(zhuǎn)化率大于97%）。制動(dòng)NOx比排放（BSNOx）的累積排放量如圖4所示。冷態(tài)FTP工況的循環(huán)尾管NOx排放為0.68 g/（kW·h），冷態(tài)FTP工況的 NOx排放轉(zhuǎn)換效率為93%。很高的NOx轉(zhuǎn)化效率歸因于較高的排氣溫度和電渦流（EC）測(cè)功器的使用。未來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)必須補(bǔ)償在FTP期間由于發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)出現(xiàn)的較低催化器溫度。采用停缸也可能是維持高催化器溫度的1種方法。在沒(méi)有緩解拖動(dòng)影響的情況下，尾管NOx排放量將大大增加。

DPF和SCR出口的熱態(tài)FTP排氣溫度如圖5所示。對(duì)于熱態(tài)FTP工況，在90 s后啟用DEF定量加注。對(duì)于絕大部分的冷態(tài)FTP工況，SCR平均溫度高于200 ℃（對(duì)于冷態(tài)FTP工況占69%，而對(duì)于熱態(tài)FTP工況則占82%）。試驗(yàn)結(jié)果為：對(duì)于熱態(tài)FTP工況，NOx轉(zhuǎn)化效率為95%，機(jī)外NOx排放為10.95 g/（kW·h），尾管NOx排放為0.51 g/（kW·h）。最終的復(fù)合FTP尾管NOx排放為0.56 g/（kW·h），遠(yuǎn)高于目前的法規(guī)規(guī)定的0.27 g/（kW·h）限值。在這項(xiàng)研究中，即使排氣溫度非常有利，“標(biāo)準(zhǔn)US2010”后處理配置也無(wú)法滿足所需的性能。除了尾管NOx排放超過(guò)目標(biāo)外，熱態(tài)FTP工況期間的N2O形成量為0.27 g/（kW·h），是限值的2倍。在此水平形成的N2O相當(dāng)于額外產(chǎn)生39.95 g/（kW·h）的CO2的溫室氣體當(dāng)量。因此，研究人員評(píng)估了1種替代的后處理配置。

2.3 NOx轉(zhuǎn)化性能對(duì)比

表5示出了采用“高NOx”模式發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定時(shí)的FTP工況和RMC工況的測(cè)試結(jié)果。采用“標(biāo)準(zhǔn)US2010”后處理時(shí)，尾管NOx排放大大超過(guò)了0.27 g/（kW·h）的限值。這歸因于很高的機(jī)外NOx排放量，以及DEF單點(diǎn)計(jì)量加注的局限性。

為了在冷態(tài)FTP工況開(kāi)始時(shí)實(shí)現(xiàn)非常高的NOx轉(zhuǎn)換效率，有必要在DOC和DPF的上游加裝另1個(gè)SCR組件。DOC和DPF的熱慣性不會(huì)延遲上游SCR的起燃。圖6示出了在使用“高NOx”模式發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定時(shí)，冷態(tài)FTP工況期間上游和下游SCR組件的進(jìn)口溫度和出口溫度。作為第1個(gè)后處理組件，上游SCR進(jìn)口在冷態(tài)FTP的前90 s（第1次加速）內(nèi)達(dá)到190 ℃（DEF計(jì)量加注的開(kāi)始），上游SCR溫度在160 s內(nèi)高于200 ℃，且對(duì)于其余的冷態(tài)FTP，平均基床溫度保持在200 ℃以上。上游SCR組件的添加對(duì)下游SCR組件的熱滯后影響很小。圖7示出了“標(biāo)準(zhǔn)US2010”工況和“超低NOx”工況配置時(shí)下游SCR熱曲線的比較。

加裝上游SCR的明顯好處是改善了NOx轉(zhuǎn)化的起燃效率。但是，這也僅在Cu/沸石SCR組件的性能與帶有分區(qū)AMOX的Cu/沸石的性能上有明顯區(qū)別。在沒(méi)有AMOX的情況下，大量的NH3將從上游SCR組件中逃逸，然后在DOC/DPF上被氧化。此過(guò)程對(duì)形成NOx及N2O具有選擇性。因此，當(dāng)“超低NOx”排放后處理系統(tǒng)沒(méi)有AMOX的情況下，尾管NOx排放和N2O排放更高。盡管銅/沸石區(qū)域與有AMOX的銅/沸石區(qū)域不相同，但減少的原因可以合理地歸因于AMOX功能?！皹?biāo)準(zhǔn)US2010”工況下的NH3中床水平可與沒(méi)有AMOX的上游系統(tǒng)相媲美。Fe/Cu組件具有5.1 cm長(zhǎng)的Fe區(qū)域和11.4 cm長(zhǎng)的Cu區(qū)域。但是，對(duì)于較高的轉(zhuǎn)化率，不可能完全排除采用較大的催化器尺寸。表5列出了所有“高NOx”燃燒模式時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

在理想情況下，應(yīng)調(diào)整目標(biāo)上下游組件NOx轉(zhuǎn)化率之間的平衡，以平衡尾管NOx排放、熱管理和炭煙被動(dòng)氧化。但是，這要受到在冷態(tài)FTP工況開(kāi)始時(shí)需要在上游SCR上建立NH3存儲(chǔ)的限制。在FTP循環(huán)結(jié)束時(shí)，經(jīng)歷的高排氣溫度將限制NH3的存儲(chǔ)。DEF噴射系統(tǒng)和混合器的局限性，以及低排氣溫度不允許在冷態(tài)FTP工況啟動(dòng)期間加速NH3加載。這需要在上游SCR處連續(xù)提供較高的目標(biāo)NH3/NOx比（ANR），以維持充足的NH3加載。研究人員對(duì)幾種DEF劑量標(biāo)定進(jìn)行了測(cè)試。這些標(biāo)定導(dǎo)致復(fù)合FTP工況尾管NOx排放低于0.27 g/（kW·h），同時(shí)保持進(jìn)入DPF的高NOx濃度。對(duì)于這些標(biāo)定，可以將上游NOx的轉(zhuǎn)化率調(diào)整為以將總機(jī)外NOx減少到從70%～80%的目標(biāo)范圍，而下游SCR為實(shí)現(xiàn)98%的循環(huán)，需要提供額外的NOx轉(zhuǎn)化率。

在實(shí)際情況下，可能需要平衡上游SCR上的NOx轉(zhuǎn)化水平和DPF中炭煙被動(dòng)氧化水平，以獲得理想NOx質(zhì)量濃度。在理想情況下，NOx/炭煙質(zhì)量比的最優(yōu)值為8或更高。為了實(shí)現(xiàn)擬議的超低尾管NOx排放量，還必須降低機(jī)外NOx排放（“2027 NOx”排放的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定），并針對(duì)上游SCR采取非常積極的DEF配量策略。

2.4 最低尾管NOx目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

如表4所示，“2027 NOx”要求發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的機(jī)外NOx排放量比“高NOx”模式標(biāo)定要低15%～20%。SCR進(jìn)口和出口溫度的最終變化如圖8所示。上游SCR的溫度略有下降，但是下游SCR在達(dá)到起燃溫度方面有較長(zhǎng)的延遲。這主要?dú)w因于改進(jìn)的“2027 NOx”排放下發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定較低的廢氣流量。結(jié)果排氣中的潛熱更少，因此直到測(cè)試循環(huán)的后期才實(shí)現(xiàn)起燃。即使機(jī)外NOx較低，熱分布的這種差異也會(huì)導(dǎo)致在上游SCR上產(chǎn)生較高的總NOx轉(zhuǎn)化率。冷態(tài)FTP工況的NOx排放如圖9所示。一旦上游SCR的平均溫度高于200 ℃，尾管NOx排放基本持平。在冷態(tài)FTP工況進(jìn)行400 s后，可以觀察到幾乎100%的NOx被轉(zhuǎn)化。冷態(tài)FTP工況下尾管的NOx排放為0.25 g/（kW·h），系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化率為96.9%，上游SCR占總量的94.5%。在熱態(tài)FTP工況期間，尾管NOx排放為0.03 g/（kW·h），系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化率為99.7%（上游SCR的還原效率高達(dá)95.6%）。復(fù)合FTP工況尾管NOx排放為0.05 g/（kW·h）。即使在上游的銅/沸石配方中觀察到如此高的NOx轉(zhuǎn)化率，熱態(tài)FTP工況的尾管N2O仍為0.12 g/（kW·h），低于0.13 g/（kW·h）的排放限值目標(biāo)。

上游SCR的轉(zhuǎn)化率不能太高，否則會(huì)使進(jìn)入DPF的NOx含量太低，從而無(wú)法支持足夠的炭煙進(jìn)行被動(dòng)氧化。在熱態(tài)FTP工況期間，進(jìn)入DPF的NOx排放為0.17 g/（kW·h），這就要求機(jī)外炭煙小于0.021 g/（kW·h），以使炭煙被動(dòng)優(yōu)化具有理想的NOx/炭煙比。有幾種可能的途徑可以降低上游SCR所需的NOx轉(zhuǎn)化率，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)超低NOx尾管排放目標(biāo)。催化劑配方可能需要調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)高NOx轉(zhuǎn)化之前較少的NH3儲(chǔ)存。試驗(yàn)基于穩(wěn)態(tài)測(cè)試，該測(cè)試表明可以采用新的還原劑輸送概念，以使DEF劑量加注的盡早開(kāi)始。這種方法不太可能對(duì)冷態(tài)FTP工況有很大的改進(jìn)。因?yàn)樵诘?次加速過(guò)程中，上游SCR進(jìn)口溫度從100 ℃迅速升高到200 ℃以上。如果DEF劑量加注從150 ℃開(kāi)始而不是從190 ℃開(kāi)始，則只會(huì)導(dǎo)致在冷態(tài)FTP工況循環(huán)中提前15 s開(kāi)始DEF劑量加注。Harris等已經(jīng)討論了高NH3存儲(chǔ)量的作用。雖然可以采用其他的熱管理措施，如采用電加熱器，但這些措施同時(shí)會(huì)面臨相關(guān)的燃料罰款和保修問(wèn)題。

表6列出了機(jī)外NOx、尾管NOx和尾管N2O排放的形成情況。這些數(shù)據(jù)通過(guò)“2027 NOx”排放要求下的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定和“超低NOx”排放要求下的后處理系統(tǒng)試驗(yàn)得到。

值得指出的是，在試驗(yàn)開(kāi)始的500 s內(nèi)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注尾管NOx的排放（圖10），以確定進(jìn)一步為降低尾管NOx排放所作出的平衡。

由于冷態(tài)FTP工況占復(fù)合FTP工況排放量的1/7，因此對(duì)于0.03 g/（kW·h）的復(fù)合FTP工況尾管NOx目標(biāo)，冷態(tài)FTP工況所允許的最大尾管NOx排放必須低于0.19 g/（kW·h）。這將需要在其余的冷態(tài)及整個(gè)熱態(tài)FTP工況上實(shí)現(xiàn)100%的NOx轉(zhuǎn)化。盡管這個(gè)目標(biāo)不夠合理，但在圖10中可以清楚地看出，在FTP的冷起動(dòng)中的前260 s內(nèi)已經(jīng)超過(guò)了此限值。更為合理的目標(biāo)（對(duì)于0.03 g/（kW·h）的復(fù)合FTP工況）是冷態(tài)FTP工況不應(yīng)超過(guò)0.07 g/（kW·h），但實(shí)際上在開(kāi)始的85 s內(nèi)已經(jīng)超過(guò)了此限值。如果目標(biāo)復(fù)合FTP工況尾管NOx排放為0.07 g/（kW·h），則最高允許的冷態(tài)FTP工況尾管NOx排放為0.47 g/（kW·h）。如圖10所示，這可以通過(guò)“2027 NOx”排放要求的機(jī)外水平、“超低NOx”排放后處理配置及熱曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明，即使采用高的機(jī)外NOx排放（“高NOx”發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定），當(dāng)前DOC+DPF+SCR/AMOX的“標(biāo)準(zhǔn)US2010”排放后處理配置也無(wú)法實(shí)現(xiàn)美國(guó)EPA 2010法規(guī)中規(guī)定的尾管NOx排放目標(biāo)，即達(dá)到0.27 g/（kW·h）排放限值。

在“標(biāo)準(zhǔn)US2020”排放后處理配置的上游額外放置1個(gè)SCR組件可改善SCR起燃，并增加系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化能力。采用該設(shè)計(jì)能夠在復(fù)合FTP工況上實(shí)現(xiàn)尾管NOx小于0.27 g/（kW·h），同時(shí)尾管N2O還不超過(guò)0.13 g/（kW·h）的限值。這使得機(jī)外NOx排放水平較2017年水平有顯著提高。

由于上游SCR可以降低進(jìn)入DPF的NOx水平，因此重要的是限制達(dá)到所需尾管NOx限值所需的NOx轉(zhuǎn)化水平。當(dāng)目標(biāo)尾管NOx排放為當(dāng)前的0.27 g/（kW·h）限值時(shí)，這一點(diǎn)可以得到證明。上游SCR系統(tǒng)的目標(biāo)是提供充分的NOx轉(zhuǎn)化率，并在DPF上實(shí)現(xiàn)炭煙的被動(dòng)氧化。

采用“超低NOx”排放后處理系統(tǒng)和“2027 NOx”排放要求的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定，可以在整個(gè)復(fù)合FTP工況和RMC工況期間達(dá)到低于0.067 g/（kW·h）的尾管NOx排放。至于熱態(tài)FTP工況和RMC工況，尾管N2O的排放量低于0.13 g/（kW·h）。

即使采用“超低NOx”排放后處理系統(tǒng)和“2027 NOx”排放要求的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定，如果目標(biāo)尾管NOx限值為0.027 g/（kW·h），冷態(tài)FTP工況最初260 s的累積尾管NOx排放也超過(guò)了整個(gè)復(fù)合FTP期間所允許的尾管NOx排放。當(dāng)采用當(dāng)前研究中所測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定和后處理硬件時(shí)，需要采取其他措施才能達(dá)到此尾管NOx排放水平。

在FTP工況的這一區(qū)段中，降低尾管NOx排放量的一些潛在方法是：改進(jìn)SCR配方，在低溫（<180 ℃）下實(shí)現(xiàn)高于50%的NOx轉(zhuǎn)化率;在達(dá)到高NOx轉(zhuǎn)化之前，采用NH3儲(chǔ)存更少的SCR配方;較早引入還原劑;改進(jìn)如電加熱器一類的熱管理系統(tǒng);降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外NOx排放。

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