一款柴油机匹配后处理系统的试验分析

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438)

0 前言

自2023年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合国家第六阶段机动车污染物排放标准(以下称“国六”标准)b阶段限值要求。因此，国内外的科研机构和高校通过大量的研究，最终确定了柴油机后处理系统的主流技术路线为氧化催化转化器(DOC)、柴油颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原(SCR)等后处理技术相结合，根据实际情况组合综合使用[1]。由于多种后处理技术之间的性能影响因素较多，彼此之间还存在相互作用，如果与发动机匹配不当，容易出现净化效率低、增加发动机油耗等不良后果[2]，因此研究集成式后处理系统和车用柴油机的匹配显得愈加重要。

1 后处理技术匹配要求

柴油机和后处理系统匹配时，要从柴油机和后处理两方面进行综合考虑。

在柴油机方面，着重考察匹配后的柴油机的性能和排放，性能要满足开发目标，排放要满足法规要求。本文选择一款满足国六排放的柴油机进行匹配试验，着重考察匹配后排放能否达到国六排放法规要求。

在后处理方面，根据后处理技术的不同，考察方面也略有不同。DOC主要用于氧化碳氢化合物(HC)和CO，着重考虑其流体均匀性和催化剂涂层的氧化性。DPF基于物理过滤原理，用于过滤颗粒物(PM)，着重考虑其流动阻力和载体材料。SCR主要用于还原氮氧化物(NOx),着重考虑其流体均匀性和转化效率。

2 柴油机与后处理系统

本次试验选用一款增压中冷高性能柴油机，其主要参数如表1所示。

表1 柴油机主要技术参数

本试验选择来自3个厂家的A、B、C共3套不同的后处理系统，其布置方式如图1所示。

图1 后处理系统布置方式

选择3套后处理系统时，根据经验公式计算得到后处理系统的容积大致范围，基于所匹配的发动机排量进行后处理系统容积的选择[3]，匹配原则如表2所示。其中，DPF载体为堇青石，若采用SiC载体，则DPF容积大约为发动机排量的1.5倍。

表2 后处理与排量的关系

后处理系统的大致容积范围确定好后，首先要通过计算流体力学(CFD)采用流体仿真的手段初步验证后处理系统的流体均匀性。流体的均匀性一般包括流体的速度均匀性和流体的浓度均匀性。为了便于研究，本文选用流体速度均匀性。常用的速度均匀性分为面积加权平均和质量加权平均，这两种结果基本趋势一致，计算结果稍有差别，本文选用基于面积加权平均的速度均匀性进行分析。通常用面积加权平均的均匀性系数γa衡量速度均匀性，其定义如式1和式2所示[4]。

(1)

式中，φi为经过每一个载面单元的流体的法向速度，Ai为每一个载面单元的面积，φa为载面上的平均速度。

(2)

式中，Ai为每一个截面单元的面积，φi为经过每一个截面单元的流体的法向速度，φa为截面上的平均速度，γa为用面积加权平均的均匀性系数。

由于这3套后处理系统的结构布置基本一致，根据CFD的流场分析结果显示，这3套后处理系统的各截面处的流体均匀性也十分接近，因此仅以后处理系统B的CFD结果为例。如图2所示，3个截面位置分别在DOC入口、DPF入口和SCR入口，后处理系统C的各截面处的均匀性系数均在0.9以上，满足工程目标要求。因此，DOC氧化性和SCR的还原效率均通过台架试验可进一步研究。

图2 CFD仿真结果

3 试验设计

通过发动机台架试验，主要验证以下3点：

(1)后处理系统和发动机匹配后的尾气净化能力；

(2)DOC的氧化能力；

(3)SCR的还原能力，特别是温度在200 ℃附近的低温区域的还原能力。

为了验证上述问题，主要进行了国六法规排放试验、DOC氧化性试验、SCR转化效率试验。为了保障后处理系统的催化性能，这3套后处理器在正式试验之前，均在台架上先进行预处理，运转工况选择温度和流量均满足要求的发动机额定工况，稳态运行2 h。

3.1 国六法规排放试验

试验主要分为标准循环测试工况(全球统一稳态循环(WHTC)、全球统一瞬态循环(WHSC))以及非标准循环测试工况(WNTE)。标准循环测试工况的污染物排放限值如表3所示，根据后处理系统的转化效率和法规要求限值计算出原排放的目标限值。因为尾气排放的测点在后处理系统后端，因此要考虑周期再生和老化的影响，目标限值的确定不仅要参考法规限值，还要综合考虑Ki因子、劣化系数，以及工程余量(15%)。为了避免上述因素的差别对试验结果的影响，采用老化件进行试验。这3套后处理器使用相同的老化流程进行老化，老化后对载体进行封装。综上所述，最终结果可直接根据法规目标对后处理系统的性能进行评价。

表3 后处理系统与排量的关系

3.2 DOC氧化性试验

DOC的主要作用有两点：一是将排气中的HC和CO氧化成对环境无害的CO2和H2O；二是将CO氧化成CO2，增加DPF内部被动再生速率。不仅如此，催化剂涂层的氧化作用也可以增加NOx中NO2的比例，加快SCR反应进行。由于氧化反应是放热反应，因此本次试验通过考察相同时间内的DPF入口温度的温升速率来评判DOC的氧化性，温升速率越大说明氧化性越强。

3.3 SCR转化效率试验

利用尿素溶液的还原性，通过SCR反应可以将排气中的NOx清除90%以上，因此SCR技术在国六阶段至关重要。但由于尿素溶液的固有属性，在低温时易出现尿素结晶，并降低转化效率，因此本试验通过考察不同的SCR入口温度下SCR对NOx的转化效率，评判SCR的还原能力。

4 试验结果分析

为保证试验结果的有效性，在试验过程中严格控制环境温度、燃油温度、排气背压等试验边界条件，防止这些因素影响试验结果。

4.1 DOC氧化性试验结果分析

试验在稳态工况下进行，以废气温度稳定在240 ℃为试验起始条件之一，开启燃油后喷功能，保持总喷油量不变，持续300 s，查看温度的变化情况，结果如图3所示。从图3可以看出：这3套后处理系统的升温速率基本相同，说明燃油触碰到DOC催化剂时发生的氧化反应剧烈程度接近，并且放热速率都明显大于散热速率。在最后温度趋于平稳时，后处理系统B的废气温度最高，说明后处理系统B的DOC氧化性最好，因为实验室内部环境条件不变，不同后处理系统对环境的散热基本相同，而此时废气温度高说明燃油转化效率高，放热量大。相比之下，后处理系统A和后处理系统C的温度低，这可能是由于在载体长度接近的情况下，后处理系统B的贵金属含量高或涂覆均匀性较好导致的。

图3 废气温度变化曲线

4.2 SCR转化效率试验结果分析

根据所匹配发动机的经常运行工况的温度区间，选择SCR入口温度不同的几个稳态工况点进行试验。试验开始之前进行发动机检查，确保发动机状态正常，之后按照SCR入口温度从低到高的顺序，依次进行试验，每个稳态工况点至少运转3 min之后进行测量并记录数据。试验结果如图4所示，这3套后处理系统的转化效率和SCR入口温度之间的关系趋势基本相同，都是随着温度的升高，转化效率先上升后下降。这是因为在温度低于250 ℃的低温区域，随着温度的升高，一方面SCR催化剂的催化活性升高，转化效率升高，另一方面经过DOC氧化后的NOx中NO2的比例升高，更有利于SCR快速反应的进行。随着温度进一步升高，SCR催化剂活性下降，NO2的比例下降，因此SCR的转化效率呈下降趋势。

在温度低于250 ℃的低温区域，后处理系统B的转化效率最高，后处理系统A次之，后处理系统C最低，这说明在低温工况下，后处理系统B对于排放结果的有益影响是最大的。这个结果与DOC的氧化性试验结果可以匹配。DOC的氧化性越强，SCR入口处废气中NO2的比例越大，SCR转化效率越高。在SCR入口温度为250 ℃和300 ℃之间时，后处理系统A和B的转化效率最高，接近100%，后处理系统C的转化效率相对较低，但也在95%以上。

在SCR入口温度高于400 ℃时，后处理系统C的转化效率下降比较明显，甚至低于80%，后处理系统C在此温度区间的转化效率可能无法让NOx的排放结果满足法规要求，而后处理系统A和B的转化效率在此温度区间仍然能保持较高的转化程度，这说明这两套后处理系统的催化剂涂层在高温区域仍然保持较高的活性。综合考虑，后处理系统B在低温区域和高温区域均能有不错的转化效率表现，因此后处理器系统和发动机匹配后对NOx的净化效果最好，转化效率曲线见图4。

图4 SCR转化效率曲线

4.3 国六法规排放试验结果分析

本试验运行国家标准GB 17691—2018中规定的标准循环工况(WHTC和WHSC)进行测试，为了保证结果准确性，每个循环工况运行3次，结果取平均值。最终循环测试结果如表4所示。

表4 WHSC尾气排放结果

发动机匹配不同的后处理系统，在背压等边界条件相同的情况下，两种法规循环的原始排放结果基本相同，说明后处理器本身对于发动机的影响不大。根据尾气排放的结果显示，在两种法规循环下，这3套后处理系统对于CO、HC和PM的处理效果均十分理想，排放结果均低于法规要求。但是在国六阶段，SCR的作用更加重要，对于NOx的处理能力直接反映了SCR系统的性能优劣。

从2个标准排放循环结果看，只有后处理系统B的NOx结果满足法规要求，后处理系统A和C的NOx排放结果均超过法规限值，其中后处理系统C的WHSC结果甚至超过法规限值50%以上。出现上述情况的原因，可能是由于后处理系统A和C的DOC氧化性较差：一方面在低温工况时无法及时将温度提升至尿素的高效反应温度区间，导致循环一段时间的SCR反应效率较低；另一方面，氧化性差会导致DOC出口的NO2占NOx的比例较低，影响SCR反应速度，从而造成NOx排放结果偏大。因此，应用后处理系统A和C可能会增加后续标定工作难度，最终选择后处理系统B作为匹配方案。

表5 WHTC尾气排放结果

5 结论

(1)柴油机和后处理的匹配效果关系到柴油机的动力性、经济性及匹配后的排放结果，因此匹配时要综合考虑发动机和后处理系统两方面。其中，后处理方面要着重考虑DOC的氧化性、DPF的再生能力、SCR的转化效率及各部分的流体均匀性。

(2)DOC氧化性对DPF再生及SCR的转化效率都有影响。DOC氧化性越强，燃油在DOC内部的氧化反应越剧烈，DPF主动再生的温度就越高，同时DPF入口的NO2比例也越高，DPF被动再生的能力就越强，SCR转化效率也越大。

(3) 在柴油机和后处理匹配的过程中，主要借助CFD仿真和台架试验两种方法，对于流体均匀性此类难以通过台架试验验证的属性，可以借助CFD仿真的方式进行验证，既可以节约试验成本，也可以提高效率。本文所述方法具有通用性，可以推广到其他项目。