前置DOC对SCR系统柴油机NOx排放的影响

田茂军， 朱红国， 黄德军， 徐辉， 李祚兵

(中国汽车工程研究院股份有限公司， 重庆 401122)



前置DOC对SCR系统柴油机NOx排放的影响

田茂军， 朱红国， 黄德军， 徐辉， 李祚兵

(中国汽车工程研究院股份有限公司， 重庆 401122)

对装配前置DOC和无DOC的SCR系统柴油机进行稳态和瞬态试验，研究了前置DOC在不同循环状态下对NOx排放的影响。结果表明：前置DOC能显著提高SCR入口处NO2与NOx的体积比V(NO2)∶V(NOx)，加速SCR反应，提高NOx转化效率，改善NOx排放；在ESC非怠速工况下，DOC对V(NO2)∶V(NOx)的影响会随着排气中氧含量和排气温度、空速的提高逐渐降低；温度超过一定范围时，NH3对O2的选择性突然提高，V(NO2)∶V(NOx)对NOx转化效率的影响将减小；DOC内氧化反应产生的热量有限，不足以提高SCR入口处排气温度，而DOC陶瓷载体的储热特性在瞬态循环下会对SCR入口温度产生一定影响，但这并不是改善NOx排放的主要原因。

柴油机； 排放； 氮氧化物； 柴油机氧化催化器； 选择性催化还原

随着我国汽车排放标准的不断严格，柴油机仅仅依靠燃烧优化等机内措施已不能满足排放标准要求[1]。选择性催化还原(SCR)技术由于其油耗低、油品适应性强、产品平台继承性好等优点，成为国Ⅳ柴油动力的首选排放技术路线[2]。但是当排放标准升级至国Ⅴ阶段之后，小排量重型柴油机由于裸机排放偏高以及车载SCR布置安装等因素，SCR系统往往距离发动机增压器出口较远，单纯依靠SCR实现国Ⅴ排放较困难，因而DOC+SCR成为了小排量重型柴油机国Ⅴ排放阶段的主要技术路线。国内诸多学者已针对气态污染物和颗粒物排放分别对DOC和SCR进行了深入研究[3-12]，但是鲜有DOC对SCR系统柴油机NOx排放影响的研究。本研究针对采用DOC+SCR技术路线的小排量重型柴油机，研究了不同试验循环下DOC对SCR系统柴油机NOx排放的影响。

1 SCR反应机理

SCR催化还原反应是十分复杂的综合反应，其主要的反应为

由于发动机原始排气中的NOx以NO为主(约90%)，所以式(1)被称为标准SCR反应。NOx转化效率随SCR入口温度变化较大，随着温度升高，催化剂活性逐渐增强，当温度升高至350 ℃时，转化效率达到峰值；温度在350～450 ℃内，催化器转化效率都维持在较高水平，并不随温度变化而变化。当温度超过此范围后，由于NH3对O2的选择性突然升高，NOx的转化效率开始下降。同时当NO2与NOx体积比V(NO2)∶V(NOx)小于50%时，NOx的转化效率随着V(NO2)∶V(NOx)的增加而提高；当V(NO2)∶V(NOx)达到50%时，转化效率最高，所以式(2)被称为快速SCR反应。当V(NO2)∶V(NOx)超过50%时，NOx的转化效率则会由于缓慢SCR反应(式(3))的主导而降低[11-14]。

2 试验装置与试验方案

2.1 试验设备

试验采用一台DOC+SCR技术路线的国产小排量重型柴油机，其尿素喷射采用开环控制，同时带瞬态修正策略。发动机主要技术参数见表1，DOC与SCR主要参数见表2。催化器安装以实车为基准，DOC安装在距增压器出口曲线约1 140 mm处，SCR安装在距增压器出口曲线约2 165 mm处，系统结构见图1。试验采用同一批次国Ⅴ标准试验用0号柴油，S质量分数为8×10-6。试验设备包括AVL 220 kW测功机、HORIBA MEXA7200D分析仪、HORIBA CVS-7400T全流稀释系统和AVL ACS2400进气空调。

表1 试验发动机主要技术参数

表2 DOC与SCR主要参数

2.2 试验方案

分别对装配前置DOC和无DOC的SCR系统柴油机进行ESC，ETC和WHTC试验，在去除SCR状态下分别对带DOC和无DOC系统柴油机进行ESC，ETC和WHTC试验，同时测量DOC入口温度、出口温度，SCR入口温度，NO2与NOx体积比。为排除SCR内NH3存储对试验结果的影响，在试验前，大负荷运行发动机使NOx排放稳定后再进行试验。在进行无DOC状态试验时，采用相同材质的空管代替DOC，保证试验时SCR距增压器出口的距离相同。同时固化ECU与DCU数据，保证试验时发动机状态一致。

3 试验结果与分析

3.1 ESC试验分析

图2示出ESC试验各工况的NOx转化率。由图2可看出，除怠速与第10 工况点外，其余各工况点装配前置DOC时NOx的转化率较无DOC时明显提升。除无尿素喷射的怠速工况外，装配前置DOC时NOx的转化率平均达75.4%，比无DOC时高5.1%，在循环的第2工况点转化效率最高，达到88.5%，而无DOC状态仅有79%。装配前置DOC时，NOx排放结果为1.707 g/(kW·h)，较无DOC状态的2.076 g/(kW·h)改善了17.8%。

图3示出ESC试验各工况SCR入口排气温度。除怠速工况外，其余各工况点有无DOC时SCR入口温度基本一致，因此可知DOC内氧化反应产生的热量有限，不足以提高SCR入口排温。

图4示出DOC对SCR入口处NO2与NOx体积比的影响。由图4可知，装配前置DOC可以提高SCR入口处NO2与NOx体积比14%～30%，除怠速工况外，其余各工况点NO2与NOx体积比均在50%以内，同时各工况点NOx转化率普遍提高。第10工况点NOx转化率并没有因为V(NO2)∶V(NOx)的提高而改善，原因是此工况排气温度超过450 ℃，此时NH3对O2的选择性突然提高，而排气中氧含量远远高于NOx含量，NH3和O2的接触机会远远高于NOx，大部分NH3与O2发生反应[15]，由于NH3与O2反应的主导，所以排气温度超过一定值时，NOx转化率受V(NO2)∶V(NOx)的影响减小。由此可知，稳态工况下，前置DOC提高了SCR入口排气中V(NO2)∶V(NOx)，使催化反应朝向快速SCR反应发展，从而提高NOx转化效率。

图5示出ESC循环不同转速不同负荷状态下，DOC对V(NO2)∶V(NOx)的影响。由图5可知，在ESC试验中，当DOC入口温度较高(350 ℃以上)时，随发动机转速和负荷的增加，V(NO2)∶V(NOx)的提高率逐渐减小。出现这种现象有两种原因：

1) 随着发动机负荷的增加，A，B，C转速下NO体积分数分别由330×10-6，267×10-6和268×10-6增加至827×10-6，650×10-6和492×10-6，当排气中NO浓度非常高时，Pt表面会发生饱和现象，导致NO和O-竞争活性位。研究表明，NO-Pt结构强度弱于O-Pt，而柴油机排气一直处于富氧状态，氧含量的提高会抑制NO在Pt上的附着，从而降低NO向NO2的转换效率。同时，NO2是非常好的催化器表面氧原子来源，与O2相比，NO2在Pt 表面具有更高的黏附系数，因此NO2浓度的增加会抑制NO的氧化[16]。试验结果表明，此发动机在25%～75%负荷下排气中氧含量随转速的提高逐渐增加。

2) NO氧化是放热过程，因此高负荷时，较高的排气温度会抑制NO氧化成NO2，同时随发动机负荷的增加，发动机排气流量相应增加，导致排气空速增加，从而引起NO氧化滞后，因此高转速高负荷工况会降低NO的氧化效率[16]。

3.2 ETC试验分析

装配前置DOC时，DOC入口、出口排气温度见图6。DOC出口平均排气温度较入口处高10 ℃。DOC出口温度呈两种变化特性：试验过程的前400 s，除少数负荷急剧增加的工况点外， DOC出口温度均高于DOC入口温度；在400～1 800 s，DOC出口温度在加负荷工况均低于入口温度，而在减负荷工况，出口温度均高于入口温度，且试验过程中，DOC出口温度变化平顺。由ESC试验可知，DOC内催化氧化反应产生的热量有限，不足以提升DOC出口温度，且由DOC陶瓷载体的储热特性可知，试验前的标定工况运行所储存的热量，导致试验过程前400 s DOC出口温度均高于入口温度。而随着试验的进行，DOC储存的热量逐渐减少，发动机在加负荷工况DOC载体温度低于入口排气温度，此时，DOC进入储热状态，吸收热量，从而导致DOC出口温度低于入口温度；而当发动机减负荷时，DOC载体温度高于入口排气温度，此时DOC进入释放热量状态，从而导致DOC出口温度高于入口温度。而由于DOC储热功能的缓冲作用，DOC出口较入口温度变化平顺。

图7示出SCR入口排气温度。由图7可知，装配DOC时SCR入口排气温度比无DOC时平均高20 ℃，说明进行ETC试验时，DOC能在一定程度上提高SCR入口的平均排气温度。经装载相同载体但无贵金属涂层且相同封装的装置再次进行ETC试验时，SCR入口平均温度比无DOC时高16 ℃，此时NOx比排放量为1.863 g/(kW·h)，比无DOC时的1.945 g/(kW·h)仅改善4.2%。去除SCR系统，装配前置DOC与无DOC时V(NO2)∶V(NOx)分别为33%和11%，由此可知，前置DOC能显著提高SCR入口处V(NO2)∶V(NOx)，装配前置DOC的SCR试验结果为1.576 g/(kW·h)，较无DOC时改善19.0%。

通过以上试验可知，在ETC试验时，装配前置DOC能在一定程度上提高SCR入口平均排气温度，但是排气温度的提高并不是改善NOx排放的主要原因，提高SCR入口排气V(NO2)∶V(NOx)才是改善NOx排放的主要因素。

3.3 WHTC试验分析

图8和图9分别示出有无DOC时，WHTC试验冷态和热态SCR入口温度。由于DOC陶瓷载体具有储热特性，在WHTC冷态循环初期，DOC载体温度低于排气温度，因此DOC需要一段储热升温过程。由图8可知，有DOC时SCR入口温度上升明显滞后于无DOC状态，加负荷过程更加明显，同时循环均值温度也同样低于无DOC状态4 ℃。因此WHTC冷态循环时，前置DOC不能提高SCR入口温度。去除SCR后，装配DOC与无DOC时循环V(NO2)∶V(NOx)分别为34%和12%。由于WHTC冷态循环SCR入口温度均低于350 ℃的理想温度值，此时随着温度的降低，NOx转化率降低。但是试验结果表明，装配前置DOC较无DOC状态WHTC冷态循环NOx排放改善16.5%，所以可知WHTC冷态循环下V(NO2)∶V(NOx)的提高加快了低温状态下NOx的催化反应速度，从而改善NOx排放。

由图9可见，热态WHTC循环下装配DOC时明显迟缓了减负荷工况温度的降低，保证了在急减负荷工况下SCR入口依然有较高温度。同时由于DOC陶瓷载体经过冷态循环后，受其内部存储的热量的影响，SCR入口循环均值温度较无DOC状态提高10 ℃。装配前置DOC时，在试验进行400 s后，SCR入口温度均高于尿素起喷温度；而无DOC状态，高于尿素起喷温度的工况点明显减少。热态循环时装配DOC不仅提高了SCR入口均值温度，同时增加了高于尿素起喷温度的工况点数量，且提高了SCR入口V(NO2)∶V(NOx)。结果表明，装配前置DOC时WHTC热态循环下NOx排放较无DOC状态改善20.1%。

4 结论

a) 装配前置DOC能显著提高SCR入口排气中V(NO2)∶V(NOx)，加快SCR反应速度，提高NOx转化效率，降低SCR系统柴油机的NOx排放,在稳态和瞬态循环均能降低NOx排放20%左右；

b) 在ESC工况下，由于DOC入口温度处于较高水平(350 ℃以上)，DOC对NO2与NOx体积比的影响会随着排气中氧含量和排气温度、空速的增加逐渐降低，同时排气温度超过一定范围(450 ℃以上)时，由于NH3对O2的选择性突然提高，NO2与NOx的体积比对NOx转化效率的影响将减小；

c) 在ETC和热态WHTC循环下DOC内氧化反应产生的热量有限，不足以提高SCR入口排气温度，但由于DOC具有储热功能，前置DOC能在一定程度提高试验循环SCR入口平均排气温度，但是温度的提高对NOx排放的改善不足5%，其对NO2与NOx体积比的提高才是改善NOx排放的主要原因；

d) 装配前置DOC对冷态WHTC循环SCR入口温度无改善作用，但是其增加了冷态和热态循环下高于尿素起喷温度工况点的数量，同时提高了SCR入口处V(NO2)∶V(NOx)，改善了低温状态下SCR反应速率，从而改善了WHTC循环NOx排放。

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[编辑： 袁晓燕]

Effect of Pre-DOC on NOxEmission for SCR Diesel Engine

TIAN Maojun, ZHU Hongguo, HUANG Dejun, XU Hui, LI Zuobing

(China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Chongqing 401122, China)

The steady and transient test of diesel engine were carried out under the conditions of pre-DOC and non-DOC and the effect of pre-DOC on NOxemission was studied. The results show that the pre-DOC can obviously increase theV(NO2)∶V(NOx) volume fraction ratio st SCR entrance, accelerate the SCR reaction, raise the conversion efficiency of NOxand improve NOxemission. Effect of DOC onV(NO2)∶V(NOx) volume fraction ratio decreases with the increase of oxygen content, exhaust temperature and air speed in ESC except idle. When the exhaust temperature exceeds a certain range, the effect ofV(NO2)∶V(NOx) volume fraction ratio on NOxconversion rate decreases due to the sharp increase in the selectivity of NH3to O2. The limited heat of DOC reaction is not enough to increase the entrance temperature of SCR，but the accumulated heat of ceramic substrate can increase the entrance temperature in ETC, however it is not the main method to improve NOxemission.

diesel engine; emission; nitrogen oxide; DOC; SCR

2015-03-29；

2015-05-07

田茂军(1986—)，男，助理工程师，本科，主要研究方向为重型发动机排放及性能试验；tianmao222@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.016

TK427

B

1001-2222(2015)04-0080-05