高压共轨柴油机DOC/POC/SCR后处理系统的开发研究

闫安

摘要：本文提出了对在用的高压共轨柴油机满足国Ⅴ排放法规的技术方案。它以32.5%的尿素水溶液为还原剂，采用本文提出的DOC/POC/SCR后处理系统，通过共轨柴油车的发动机台架试验，分析了ESC循环测试下NOx的排放浓度和负荷特性下NOx的排放浓度，结果表明：若仅采用单一的Urea-SCR后处理系统，共轨柴油机排气中的NOx浓度降至300ppm左右，转化率可达到75%，只能满足国Ⅳ的排放法规要求值;而采用本文提出的DOC/POC/SCR后处理系统后，共轨柴油机排气中的CO和HC净化效果显著，NOx浓度降至180ppm左右，转化率可达到85%完全满足了当前实施的国Ⅴ的排放法规，实现了对在用高压共轨柴油机后处理系统的技术升级。

关键词：汽车工程;共轨柴油机;NOx;尿素;SCR;转化率

0  引言

车用柴油机尾气中排出的颗粒物（PM）和氮氧化物（NOx）已成为城市空气的主要污染源之一[1]。采用电控高压共轨技术之后，即使国Ⅲ以下的排放标准可通过优化柴油机燃烧系统来实现，但滿足国IV及其以上排放标准仅仅依靠优化燃烧系统等机内净化方法已经难以实现，因此，使用排气后处理技术已成为当前国际上减少PM、NOx排放最有效的手段，柴油机选择性催化还原简称SCR（Selective Catalytic Reduction）系统也已在国际上广泛地使用，以降低柴油柴油机尾气排放物中的NOx，SCR系统使用32.5%尿素水溶液为还原剂[2]，利用燃料供给装置将尿素水溶液喷入柴油机尾气中，尿素水溶液在高温废气中转化为氨气，在催化剂的作用下把废气中的NOx还原为N2和H2O。并且SCR系统与氧化催化器（DOC）+颗粒捕集器（POC）或者加热型DPF相结合可以实现满足国V排放法规的要求。目前国内外仍存在大量的在用共轨柴油机依靠单一的后处理系统只能满足国Ⅳ的排放法规，面对日益严格的排放法规迫切需要进行技术升级，本文采用DOC+POC+SCR后处理系统对共轨柴油机进行技术升级，最终满足国V的排放法规[3]。

1  Urea-SCR系统的实验研究

1.1 Urea-SCR系统的化学反应机理

发动机工作时，还原剂经计量泵进入排气管内，与尾气中氮氧化物NOx在催化剂的作用下反应成无害的氮气和水，目前在SCR系统上普遍采用浓度为32.5%的尿素水溶液作为还原剂，V2O5为催化剂。当车用尿素水溶液进入排气管后，首先在高温条件下水解成NH3和CO2：

NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2  （1）

紧接着氨气把一氧化氮和二氧化氮还原成无害的氮气和水，主要化学反应为：

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O    （2）

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O    （3）

2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O   （4）

柴油机尾气中的氮氧化物90%的是NO，因此SCR尾气后处理系统内主反应式是1.3称为标准SCR反应，而1.2化学反应式称为快速SCR反应，其反应速率比标准SCR反应更迅速[4-5]。

1.2 实验发动机和实验方案

本次实验研究采用目前在用的YC4F115-40高压共轨柴油发动机进行SCR系统的台架实验，其柴油发动机的参数如表1所示，图1是发动机台架实验的整体示意图。

1.3 负荷特性下NOx的排放浓度

为了进一步验证Urea-SCR系统对发动机尾气氮氧化物的净化效果，实验通过对原机和加装Urea-SCR后的柴油发动机进行了1700r/min负荷特性下氮氧化物NOx排放浓度的测量，测量结果见表2，并依据相关实验数据做出NOx排放浓度变化曲线图，如图2所示。

从实验数据表明，Urea-SCR系统在转速为1700r/min运转工况下对柴油机尾气中的NOx的净化效果显著，发动机稳定运转后排气中的NOx浓度降至300ppm左右，从表2可以看出，其NOx转化率可达到75%左右，符合国Ⅳ的排放法规。由于新实施的国Ⅴ的排放法规对NOx的排放限值更为严格，仅靠单一的后处理装置已经不能满足新的排放法规。

2  DOC/POC/SCR组合后处理系统的实验研究

面对日益严格的排放法规，本研究针对在用共轨柴油机不能达到国Ⅴ排放法规的现状开发了一套DOC/POC/SCR后处理系统，采用该后处理系统对发动机改动小，成本低具有很好的燃油经济性，非常适合针对在用高压共轨柴油机国Ⅳ升级国Ⅴ的技术改造[6]。

2.1 组合后处理系统的技术原理

DOC首先可以降低柴油车尾气中的CO和HC，并且可以将尾气中的NO氧化成NO2，随后NO2进入POC后处理装置，NO2相比O2具有更强的氧化性，在催化剂的作用下，NO2分子键断裂与尾气中碳原子生成无毒无害的CO2，进而去除尾气中的颗粒物，并且提高了进入SCR后处理装置中NO2的浓度。通过SCR的反应机理可以看出，NO2可以促使氮氧化物进行快速SCR反应，进而提高NOx的反应效率，进一步降低尾气中氮氧化物的浓度[7-9]。

2.2 ESC循环测试实验

本实验根据我国最新的《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》标准，采用ESC测试循环并对相应的13个工况点进行发动机的台架实验[10]。

ESC是指欧洲稳态测试循环，ESC测试循环具体包括和A、B、C三个转速相对应的四个不同负荷点以及一个怠速点共13个发动机运转工况，其中三个转速的计算公式如下：

计算公式中n1代表柴油发动机在低于额定转速且功率为50%额定功率的外特性曲线上相对应的转速，nh代表柴油发动机高于额定转速且功率为70%额定功率的外特性曲线上相对应的转速。发动机台架实验中ESC测试循环工况参数如表3所示。

严格按照国标中的尾气测量方法，首先采用ESC测试循环对实验中柴油发动机原机进行氮氧化物NOx排放浓度测试，然后在加装DOC/POC/SCR后处理系统后，在相同的实验条件下再次对尾气中的氮氧化物NOx排放浓度的进行测试，先将柴油机调整到一稳定工况，待其稳定后开启计量喷射泵的控制开关，采用AVL五组份尾气分析仪对DOC/POC/SCR后处理系统中气体成分进行测量，依次对13个不同的工况进行数据采集[11]，并绘制发动机的NOx排放浓度图3和NOx转化率的变化曲线图4。

从NOx排放浓度的变化曲线以及NOx转化率的变化曲线可以清楚的表明，本研究所采用的DOC/POC/SCR组合后处理系统，相比于单一的Urea-SCR系统净化效果更加明显，排气中的CO和HC经净化后满足国Ⅴ的排放限值，NOx排放濃度基本稳定在180ppm，其NOx的转化率也稳定在85%左右，满足共轨柴油机从国Ⅳ到国Ⅴ的技术升级。

3  结论

①采用单一的Urea-SCR后处理系统，共轨柴油机排气中的NOx浓度降至300ppm左右，转化率可达到75%仅能满足国Ⅳ的排放法规。②采用本文提出的DOC/POC/SCR后处理系统后，共轨柴油机排气中的NOx浓度降至180ppm左右，转化率可达到85%满足国Ⅴ的排放法规，最终完成对在用共轨柴油机后处理系统的技术升级。

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