高效发动机实现超低氮氧化物尾气排放的对策

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

研究考虑将选择性催化还原（SCR）系统置于柴油机氧化型催化器（DOC）上游，使上游催化系统快速起燃，以实现在整个复合联邦测试规程（FTP）和坡道实验规程（RMC）期间实现低于0.07 g/（kW·h）的氮氧化物（NOx）排放目标。对发动机机外NOx水平、排气温度，以及上下游SCR之间的剂量水平进行权衡比较。针对N2O形成和NH3逃逸，对NOx转化效率进行比较。研究结果显示，即使使用“超低NOx”后处理系统和“2027 NOx”发动机标定，如果目标尾管NOx限值为0.027 g/（kW·h），在冷态FTP工况下，最初260 s内的累积尾管NOx排放也超过了整个复合FTP工况期间所允许尾管NOx排放量，故需要另外采取措施才能达到此尾管NOx排放水平。改进SCR配方，在低于180°C的低温下实现高于50%的NOx转化率。在达到高NOx转化之前，需要更少NH3储存的SCR配方，让还原剂较早起效是降低尾管NOx排放量的潜在方法。

高效柴油机;机内/机外净化;超低NOx排放;还原剂

0 前言

未来的监管目标将使柴油机面对诸多独特的挑战，以实现更低的温室气体（GHG）排放，以及更低的尾管氮氧化物（NOx）排放。通常，通过产生较高的发动机机外NOx和较低排气温度的燃烧方式可实现较低的温室气体排放。为了通过更高的机外NOx和更低的排气温度实现更低的尾管NOx目标，研究人员需要重新对后处理系统进行架构。自2007年排放限值出台以来，美国在传统公路重载柴油机（HDD）上一直使用柴油机氧化催化器（DOC）和柴油机颗粒过滤器（DPF）。针对这些系统，使用发动机标定参数实现了NOx控制。从2010年开始，该系统增加了下游选择性催化还原（SCR）系统[1-4]。这使发动机制造商能够维持2007年的机外NOx排放水平，同时依靠SCR系统提供90%的NOx额外减排，以满足美国2010年0.27 g/（kW·h）的NOx限值排放法规。在随后的几年中，排放法规引入了更为严格的温室气体排放限值，这是通过增加机外NOx并依靠SCR上更高的NOx转化率来实现的。

但是，当前公路重载柴油机后处理体系结构（DOC+DPF+SCR/氨氧化催化剂（AMOX））的功能受到限制。为了实现超低NOx（低于0.07 g/kW·h）的排放要求，并提高燃油经济性，有必要对当前设计进行更改。由于当前架构的SCR位于DOC和DPF的下游，在冷起动或冷排气运行期间防止NOx泄漏将是1个挑战。在SCR达到起燃温度前，高NOx转化效率可能会延迟几分钟，导致复合联邦试验程序（FTP）工况的尾管NOx排放量可能在冷态FTP工况测试后的最初500 s内超过规定的限值。即使在其余的冷态FTP工况和整个热态FTP工况上实现100%的NOx转化，也不足以满足规定的尾管NOx水平。

Sharp等研究了多种后处理配置的NOx转化性能[5-6]，以此作为实现超低NOx的途径。其研究目标是使用沃尔沃MD13TC发动机达到复合FTP工况要求的尾管NOx限值（0.027 g/（kW·h））。在整个复合FTP工况期间，发动机机外NOx水平为4.0 g/（kW·h），并且由于采用复合涡轮增压，排气温度较低。本研究考虑将SCR系统置于DOC上游，使上游系统快速起燃。与美国西南研究院（SwRI）的研究相比，研究人员还将考虑到更高的机外NOx排放水平。针对复合FTP工况和斜坡模式试验（RMC）工况，实现NOx排放限值低于0.07 g/（kW·h）。研究人员对发动机机外的NOx水平、排气温度，以及上游SCR和下游SCR剂量水平之间的折中进行了比较。基于后处理硬件和控制算法，研究人员利用进一步的标定，确定可能的最低尾管NOx排放，同时还针对N2O的形成和NH3逃逸比较NOx转化效率。

1 试验

1.1 发动机和测功器分析

所有测试均在2019年款Navistar A26TM 12.4 L柴油机上进行。图1为发动机外形图，表1为该机型的技术规格[7]。发动机硬件没有任何变化。为了达到更高的发动机机外NOx排放水平，研究人员仅仅修改了发动机标定，所产生的NOx排放仅表示未来可能的燃烧模式，并未作为目标。

试验人员将发动机置入通用电气（GE）1G667（16M）型电涡流测功器。测功器的最大功率为448 kW，最高转速为5 000  r/min。这种测功器无法直接拖动发动机（空气通过发动机泵送，但没有加油）。在整个排气后处理过程中都安装了采样口，以便在发动机机外及每个部件之后测量排放。实验室配有2台堀场（Horiba）排放分析仪（MEXA 7500型），可以测量总碳氢化合物（THC）、非甲烷碳氢化合物（NMHC）、总NOx、NO、O2和CO2。此外，试验人员采用MKS（2000型）红外傅立叶变换（FTIR）光谱分析仪测量NH3和N2O排放。

FTP工况的发动机速度要求和负荷特性曲线要求基于联邦法规（40 CFR 86.1333）。试验将FTP工况的拖动部分替换为怠速空转。由于拖动会导致排气温度降低，电涡流测功器不直接拖动发动机，因此需要调整低水平扭矩。其结果是，发动机不再将空气泵送至排气。假定需要发动机主动控制（如停缸、正时延迟等）才能获得超低的尾管NOx排放量。尽管当前的设置不具有代表性，但拖动缺失可以被认为是替代未来热管理的合理解释。预处理包括运行30 min的主动再生，然后进行2次热态FTP，然后进行一整夜的冷浸过程。RMC工况按照40 CFR 86.1362的规定运行。

1.2 后处理

在当前的研究中，研究人员使用了2种通用的后处理架构。图2（a）示出了采用DOC+DPF+柴油机后处理液（DEF）喷射器/混合器+SCR/AMOX的“标准US2010”后處理布局。图2（b）示出了超低尾管NOx设计，在“标准US2010”系统的DOC上游装有1个额外的DEF喷射器/混合器和SCR或SCR/AMOX。对于2种配置，都使用相同的DOC+DPF+SCR1+SCR/AMOX布置。超低尾管NOx设计使用2种配置进行测试。除非专门确定仅使用SCR，否则所有超低尾管测试都使用额外的上游SCR/AMOX作为第1个后处理组件。表2列出了所有组件的组分。选择分区的Fe/Cu配方是为了最大程度地减少N2O的形成。

研究人员将HC注入目标催化器（目标DPF进口温度为550 ℃）30 min后，然后停止注入30 min，将所有后处理组件老化100 h以进行主动再生，以此模拟超过50个主动过滤器再生事件的热暴露状态。在没有注入HC的情况下，研究人员在30 min内监测SCR的性能，结果在最初的几次再生事件中，NOx的转化迅速稳定。

2 结果与讨论

2.1 发动机机外排放

有2种修改后的燃烧模式，可以用于模拟未来可能使用较低有效燃油消耗率（BSFC）的高效发动机。试验所分析的数据仅限于排气流量、排气温度和NOx质量浓度。由于未修改发动机硬件，因此很难假设BSFC改进的确切水平。第1次改进的燃烧简单地关闭了EGR阀，同时阻止EGR废气流入进气歧管。该燃烧方式被称为“高NOx”模式。表3示出了由此产生的冷态FTP工况、热态FTP工况和RMC工况的累积NOx排放量。

如表3所示，“高NOx”模式标定的机外NOx水平被认为太高，无法作为获得超低尾管NOx排放的潜在始点。对于超低排放（低于0.07 g/（kW·h）的复合FTP工况）测试，发动机标定被修改为发动机减速特性图，并结合了低水平的EGR介入。因此，排气温度和NOx排放量低于“高NOx”标定值。由于机外NOx排放水平类似于BSFC低的“欧六标准”或中国“国六标准”，因此这种燃烧模式将被称为“2027 NOx”模式。表4示出了由此产生的冷态FTP工况、热态FTP工况和RMC工况的累积NOx排放。

2.2 NOx后处理转化

“高NOx”模式发动机标定用于测量在复合FTP工况和RMC工况期间的NOx转化效率。试验在DOC进口、DPF进口、SCR进口和SCR出口处记录排气温度。由于冷态FTP工况的起燃时间会延迟，因此这些温度曲线更需要被关注（图3）。“高NOx”模式冷态FTP工况的DOC进口温度迅速达到200 ℃，并在整个循环的大部分时间内保持在250 ℃以上。结果，从DEF计量开始，DPF出口的温度在260 s内达到190 ℃。尾管NOx的含量在此点后不久缓慢增加（在此范围内NOx转化率大于97%）。制动NOx比排放（BSNOx）的累积排放量如图4所示。冷态FTP工况的循环尾管NOx排放为0.68 g/（kW·h），冷态FTP工况的 NOx排放转换效率为93%。很高的NOx转化效率归因于较高的排气温度和电涡流（EC）测功器的使用。未来的发动机设计必须补偿在FTP期间由于发动机拖动出现的较低催化器温度。采用停缸也可能是维持高催化器温度的1种方法。在没有缓解拖动影响的情况下，尾管NOx排放量将大大增加。

DPF和SCR出口的热态FTP排气温度如图5所示。对于热态FTP工况，在90 s后启用DEF定量加注。对于绝大部分的冷态FTP工况，SCR平均温度高于200 ℃（对于冷态FTP工况占69%，而对于热态FTP工况则占82%）。试验结果为：对于热态FTP工况，NOx转化效率为95%，机外NOx排放为10.95 g/（kW·h），尾管NOx排放为0.51 g/（kW·h）。最终的复合FTP尾管NOx排放为0.56 g/（kW·h），远高于目前的法规规定的0.27 g/（kW·h）限值。在这项研究中，即使排气温度非常有利，“标准US2010”后处理配置也无法满足所需的性能。除了尾管NOx排放超过目标外，热态FTP工况期间的N2O形成量为0.27 g/（kW·h），是限值的2倍。在此水平形成的N2O相当于额外产生39.95 g/（kW·h）的CO2的温室气体当量。因此，研究人員评估了1种替代的后处理配置。

2.3 NOx转化性能对比

表5示出了采用“高NOx”模式发动机标定时的FTP工况和RMC工况的测试结果。采用“标准US2010”后处理时，尾管NOx排放大大超过了0.27 g/（kW·h）的限值。这归因于很高的机外NOx排放量，以及DEF单点计量加注的局限性。

为了在冷态FTP工况开始时实现非常高的NOx转换效率，有必要在DOC和DPF的上游加装另1个SCR组件。DOC和DPF的热惯性不会延迟上游SCR的起燃。图6示出了在使用“高NOx”模式发动机标定时，冷态FTP工况期间上游和下游SCR组件的进口温度和出口温度。作为第1个后处理组件，上游SCR进口在冷态FTP的前90 s（第1次加速）内达到190 ℃（DEF计量加注的开始），上游SCR温度在160 s内高于200 ℃，且对于其余的冷态FTP，平均基床温度保持在200 ℃以上。上游SCR组件的添加对下游SCR组件的热滞后影响很小。图7示出了“标准US2010”工况和“超低NOx”工况配置时下游SCR热曲线的比较。

加装上游SCR的明显好处是改善了NOx转化的起燃效率。但是，这也仅在Cu/沸石SCR组件的性能与带有分区AMOX的Cu/沸石的性能上有明显区别。在没有AMOX的情况下，大量的NH3将从上游SCR组件中逃逸，然后在DOC/DPF上被氧化。此过程对形成NOx及N2O具有选择性。因此，当“超低NOx”排放后处理系统没有AMOX的情况下，尾管NOx排放和N2O排放更高。尽管铜/沸石区域与有AMOX的铜/沸石区域不相同，但减少的原因可以合理地归因于AMOX功能。“标准US2010”工况下的NH3中床水平可与没有AMOX的上游系统相媲美。Fe/Cu组件具有5.1 cm长的Fe区域和11.4 cm长的Cu区域。但是，对于较高的转化率，不可能完全排除采用较大的催化器尺寸。表5列出了所有“高NOx”燃烧模式时的测试结果。

在理想情况下，应调整目标上下游组件NOx转化率之间的平衡，以平衡尾管NOx排放、热管理和炭烟被动氧化。但是，这要受到在冷态FTP工况开始时需要在上游SCR上建立NH3存储的限制。在FTP循环结束时，经历的高排气温度将限制NH3的存储。DEF喷射系统和混合器的局限性，以及低排气温度不允许在冷态FTP工况启动期间加速NH3加载。这需要在上游SCR处连续提供较高的目标NH3/NOx比（ANR），以维持充足的NH3加载。研究人员对几种DEF剂量标定进行了测试。这些标定导致复合FTP工况尾管NOx排放低于0.27 g/（kW·h），同时保持进入DPF的高NOx浓度。对于这些标定，可以将上游NOx的转化率调整为以将总机外NOx减少到从70%～80%的目标范围，而下游SCR为实现98%的循环，需要提供额外的NOx转化率。

在实际情况下，可能需要平衡上游SCR上的NOx转化水平和DPF中炭烟被动氧化水平，以获得理想NOx质量浓度。在理想情况下，NOx/炭烟质量比的最优值为8或更高。为了实现拟议的超低尾管NOx排放量，还必须降低机外NOx排放（“2027 NOx”排放的发动机标定），并针对上游SCR采取非常积极的DEF配量策略。

2.4 最低尾管NOx目标的实现

如表4所示，“2027 NOx”要求发动机标定的机外NOx排放量比“高NOx”模式标定要低15%～20%。SCR进口和出口温度的最终变化如图8所示。上游SCR的温度略有下降，但是下游SCR在达到起燃温度方面有较长的延迟。这主要归因于改进的“2027 NOx”排放下发动机标定较低的废气流量。结果排气中的潜热更少，因此直到测试循环的后期才实现起燃。即使机外NOx较低，热分布的这种差异也会导致在上游SCR上产生较高的总NOx转化率。冷态FTP工况的NOx排放如图9所示。一旦上游SCR的平均温度高于200 ℃，尾管NOx排放基本持平。在冷态FTP工况进行400 s后，可以观察到几乎100%的NOx被转化。冷态FTP工况下尾管的NOx排放为0.25 g/（kW·h），系统NOx转化率为96.9%，上游SCR占总量的94.5%。在热态FTP工况期间，尾管NOx排放为0.03 g/（kW·h），系统NOx转化率为99.7%（上游SCR的还原效率高达95.6%）。复合FTP工况尾管NOx排放为0.05 g/（kW·h）。即使在上游的铜/沸石配方中观察到如此高的NOx转化率，热态FTP工况的尾管N2O仍为0.12 g/（kW·h），低于0.13 g/（kW·h）的排放限值目标。

上游SCR的转化率不能太高，否则会使进入DPF的NOx含量太低，从而无法支持足够的炭烟进行被动氧化。在热态FTP工况期间，进入DPF的NOx排放为0.17 g/（kW·h），这就要求机外炭烟小于0.021 g/（kW·h），以使炭烟被动优化具有理想的NOx/炭烟比。有几种可能的途径可以降低上游SCR所需的NOx转化率，同时仍能实现超低NOx尾管排放目标。催化剂配方可能需要调整，以实现高NOx转化之前较少的NH3储存。试验基于稳态测试，该测试表明可以采用新的还原剂输送概念，以使DEF剂量加注的尽早开始。这种方法不太可能对冷态FTP工况有很大的改进。因为在第1次加速过程中，上游SCR进口温度从100 ℃迅速升高到200 ℃以上。如果DEF剂量加注从150 ℃开始而不是从190 ℃开始，则只会导致在冷态FTP工况循环中提前15 s开始DEF剂量加注。Harris等已经讨论了高NH3存储量的作用。虽然可以采用其他的热管理措施，如采用电加热器，但这些措施同时会面临相关的燃料罚款和保修问题。

表6列出了机外NOx、尾管NOx和尾管N2O排放的形成情况。这些数据通过“2027 NOx”排放要求下的发动机标定和“超低NOx”排放要求下的后处理系统试验得到。

值得指出的是，在试验开始的500 s内应重点关注尾管NOx的排放（图10），以确定进一步为降低尾管NOx排放所作出的平衡。

由于冷态FTP工况占复合FTP工况排放量的1/7，因此对于0.03 g/（kW·h）的复合FTP工况尾管NOx目标，冷态FTP工况所允许的最大尾管NOx排放必须低于0.19 g/（kW·h）。这将需要在其余的冷态及整個热态FTP工况上实现100%的NOx转化。尽管这个目标不够合理，但在图10中可以清楚地看出，在FTP的冷起动中的前260 s内已经超过了此限值。更为合理的目标（对于0.03 g/（kW·h）的复合FTP工况）是冷态FTP工况不应超过0.07 g/（kW·h），但实际上在开始的85 s内已经超过了此限值。如果目标复合FTP工况尾管NOx排放为0.07 g/（kW·h），则最高允许的冷态FTP工况尾管NOx排放为0.47 g/（kW·h）。如图10所示，这可以通过“2027 NOx”排放要求的机外水平、“超低NOx”排放后处理配置及热曲线来实现。

3 结论

测试结果表明，即使采用高的机外NOx排放（“高NOx”发动机标定），当前DOC+DPF+SCR/AMOX的“标准US2010”排放后处理配置也无法实现美国EPA 2010法规中规定的尾管NOx排放目标，即达到0.27 g/（kW·h）排放限值。

在“标准US2020”排放后处理配置的上游额外放置1个SCR组件可改善SCR起燃，并增加系统NOx转化能力。采用该设计能够在复合FTP工况上实现尾管NOx小于0.27 g/（kW·h），同时尾管N2O还不超过0.13 g/（kW·h）的限值。这使得机外NOx排放水平较2017年水平有显著提高。

由于上游SCR可以降低进入DPF的NOx水平，因此重要的是限制达到所需尾管NOx限值所需的NOx转化水平。当目标尾管NOx排放为当前的0.27 g/（kW·h）限值时，这一点可以得到证明。上游SCR系统的目标是提供充分的NOx转化率，并在DPF上实现炭烟的被动氧化。

采用“超低NOx”排放后处理系统和“2027 NOx”排放要求的发动机标定，可以在整个复合FTP工况和RMC工况期间达到低于0.067 g/（kW·h）的尾管NOx排放。至于热态FTP工况和RMC工况，尾管N2O的排放量低于0.13 g/（kW·h）。

即使采用“超低NOx”排放后处理系统和“2027 NOx”排放要求的发动机标定，如果目标尾管NOx限值为0.027 g/（kW·h），冷态FTP工况最初260 s的累积尾管NOx排放也超过了整个复合FTP期间所允许的尾管NOx排放。当采用当前研究中所测试的发动机标定和后处理硬件时，需要采取其他措施才能达到此尾管NOx排放水平。

在FTP工况的这一区段中，降低尾管NOx排放量的一些潜在方法是：改进SCR配方，在低温（<180 ℃）下实现高于50%的NOx转化率;在达到高NOx转化之前，采用NH3储存更少的SCR配方;较早引入还原剂;改进如电加热器一类的热管理系统;降低发动机机外NOx排放。

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