DOC气态污染物转化率影响因素研究

程晓章, 朱博文, 王 浩, 常啸天, 邢晓通

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

柴油机在商业交通运输中扮演着不可或缺的角色,因其具有良好的动力性、燃油经济性和可靠性而被广泛用于国内外大型车辆和重型机械中[1]。但与汽油机相比,柴油机排放的尾气因成分复杂、排放量大、污染严重等特点而难以得到有效的控制。随着“国六”排放法规于2019年7月1日正式实施,对柴油机车尾气污染物排放也提出了更为严格的要求[2]。

通过对柴油机采取优化设计和缸内净化措施等方式已经很难满足尾气排放达到“国六”法规的要求[3]，因此,需对柴油机加装排气后处理装置来大幅降低污染物排放。在“国六”阶段,常见的柴油机排气后处理装置主要包括氧化型催化转换器(diesel oxidation catalyst,DOC)、催化型颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)和选择性催化还原器(selective catalystic reduction,SCR)[4-6]。DOC作为柴油机车上应用最广泛、结构最简单的排气后处理装置,主要有以下作用:一方面能氧化排气中HC、CO、颗粒物中的SOF以及刺激性气味,将它们氧化成水和CO2,同时氧化气缸内二次喷油中未燃烧的HC和CO,加热排气,提高下游DPF再生效率;另一方面可以把NO氧化成NO2,为连续地进行DPF上的碳烟再生和提高NOx催化器转化效率提供保证[7]。

目前,针对DOC国内外已经开展了广泛的研究。文献[8]研究了DOC对尾气排放中HC、CO、NOx的影响,证明DOC能大幅降低尾气中HC、CO的排放,但对NOx排放影响不大;文献[9]着重分析了氧化型颗粒物催化转化器(particulate oxidation catalyst,POC)在净化气体排放方面的效果和局限性;文献[10-11]通过试验证明了 DOC对 CO、HC有明显的净化功能,同时能为后级的DPF提供必要的NO2生成准备;文献[12-14]从DOC、POC和DPF的工作原理和化学反应进程上,阐述了相关组合对 NOx和颗粒在净化方面的使用潜力。

本文基于GT-POWER软件建立DOC气态污染物排放化学反应模型,探讨DOC在不同进气量和不同温度的情况下对气态污染物排放的影响,同时进行试验验证,为国六标准下后处理系统的开发与设计提供一定的参考。

1 DOC系统建模

1.1 模型假设条件

根据已知的DOC参数和相应的化学动力模型在GT-POWER软件上进行建模。为了降低模型的复杂度,在满足计算精度要求的情况下对系统进行如下假设:

(1) 所有气体均可视为理想气体,各气体的状态参数(比热容C、内能U等)仅是温度T的函数。

(2) 各个管路、气缸、阀门等零件均视为刚体,且密封性良好。

(3) 气体在模型中的流动可看成稳定流动过程。

(4) 系统的外界环境为恒温、恒压,这里分别设为25 ℃、101 kPa。

(5) 由于气体流速较小,将其视为不可压缩流体。

1.2 化学反应模型

柴油机尾气中的气体污染物主要包括CO、NOx和HC。其中,HC成分繁多,生成机理复杂。由文献[15]研究可知,DOC中HC可看成2种成分组成:C3H6是HC中唯一一种对NOx具有还原作用的成分,用它表示部分氧化的HC;DF(C14.6H24.8)对NOx不具有任何还原作用,用它来表示未燃烧的燃料。

DOC模型中的化学反应主要包括HC、NO、CO的氧化反应以及NO2的分解反应、CO与NO2之间的反应,即

(1)

(2)

(5)

(3)

(4)

由Arrhenius方程可以计算各反应速率常数,即

k=Ae-E/RT

其中:A为指前因子;E为反应活化能;R为摩尔气体常数;T为反应温度。

根据Sampara和Bissett[16]的试验研究得出各反应相关参数,见表1所列。

表1 化学反应参数

本文所用的DOC特征参数见表2所列。其中,DOC采用蜂窝堇青石陶瓷载体。

表2 DOC特征参数

建立DOC的一维模型,该模型主要由DOC进气环境、排气环境、连接管路及阀门、DOC主体、监测模块、表面反应模块等部分组成。

2 试验布置及模型验证

2.1 试验布置

发动机参数见表3所列,采用的是直列、增压中冷、高压共轨的柴油发动机。在DOC入口处和出口处分别布置温度传感器、压力传感器和气体分析仪,通过调节发动机的转矩和转速来控制进气量和进气温度，以达到试验工况的要求。

表3 发动机参数

台架主要测试设备见表4所列。

表4 台架测试设备

台架布置如图1所示。

图1 台架布置示意图

试验中,进气量稳定在300、600 、1 000 kg/h 3个工况点,在这3个工况点中,均以30 ℃的温度梯度调节进气温度处在180～550 ℃之间,因为进气流量1 000 kg/h时温度最低只能达到260 ℃,所以其最低温度调节为260 ℃。采用MEXA-7500D气体分析仪、温度传感器、压力传感器收集DOC入口以及出口处的CO、HC、NOx的质量分数以及进出口温度和压力,待发动机在各工况点稳定运转时记录试验数据。因为DOC入口处NOx成分主要为NO,所以根据试验数据计算CO、HC、NO的转化效率。

2.2 压降验证

对上述所建立的模型进行稳态压降试验验证,控制发动机的转矩和转速,保持进气量为常量,进气温度逐渐由180 ℃上升至480 ℃,待发动及工况稳定后记录DOC压降。DOC压降随温度变化的试验值与模拟值对比如图2所示。由图2可知，在试验工况内,模型压降试验值与模拟值误差保持在5%范围内,模型符合工程实际。

图2 压降试验值与模拟值对比

3 结果及分析

3.1 不同进气量下温度对污染物转化率的影响

GT-POWER设置的边界条件见表5所列。

表5 各工况点边界条件

根据已建好的模型进行仿真。将仿真结果与试验数据对比,分别得到进气量在300、600、1000 kg/h时,气态污染物转化效率随DOC入口温度变化的曲线,如图3所示。

由图4可知,进气流量在300、600、1 000 kg/h时,DOC模型仿真值与试验工况点计算值误差很小,说明该模型值能准确预测不同进气量下气态污染物转化率随温度的变化趋势。

对于CO而言,在各进气量下,DOC均能完全将其氧化为CO2。

对于HC而言,在各个进气量和不同进气温度时,DOC均有很高的转化率,且随着进气量的增大,HC转化率略有下降(进气量为300 kg/h时,转化率在94%左右波动;进气量为600 kg/h时,转化率在90%左右波动;进气量为1000 kg/h时,转化率在88%左右波动)。对于NO而言,其转化率对温度的敏感度要高于HC和CO,在各进气流量下,NO转化率曲线近似可看成一个开口向下的二次曲线,刚开始随入口温度上升NO转化率增大,当入口温度增大至320 ℃左右时,NO转化率达到最大值,约为60%,后来温度再上升,NO转化率会不断下降,500 ℃时降至20%左右;这是由于NO的化学反应是可逆的,在低温时NO不断被氧化成NO2,当温度上升至320 ℃后,逆向反应开始起作用,NO2分解成NO,使NO转化率下降。

3.2 低温下进气量对污染物转化率的影响

3.2.1 DOC模型计算

根据上述DOC模型,将DOC入口温度设置为180 ℃,调节进气量,使其随时间增大而不断增大,得出低温下气态污染物转化效率曲线,研究低温下进气量对气态污染物转化效率的影响。模型仿真得到的低温下气态污染物转化率曲线如图4所示。

图4 低温下污染物转化率

3.2.2 试验验证

通过调节发动机的转矩和转速来控制进气温度稳定在180 ℃,进气量分别固定在300、600、1 000 kg/h,待发动机工况稳定后记录数据,绘制污染物转化率曲线,如图5所示。

图5 低温下污染物排放试验值

由图5可知:在入口温度为180 ℃时,CO基本能被完全氧化成CO2;随着进气量的增加,HC转化率不断降低,最终降至82%左右,NO转化率显著下降,最后降为0。

DOC入口温度为180 ℃时,污染物转化率试验值与模拟计算值的对比如图6所示。在进气量试验范围内,CO、HC和NO转化效率的试验值与计算值在各工况点均吻合较好,最大误差控制在5%以内。这表明本文建立的DOC模型能准确预测低温下发动机台架的排放情况。

图6 低温下污染物转化率试验值与计算值的对比

4 结 论

本文建立了DCO气态污染物排放化学反应模型，研究了不同进气量和不同温度对DOC气态污染物转化中的影响，得到结论如下:

(1) 在进气量为300、600、1 000 kg/h时,DOC能够完全将CO氧化成CO2,同时在低温条件下,DOC对CO的转化率在99%以上。

(2) 在试验温度条件下,DOC对HC有很高的转化率,随着进气量增大转化率会略有下降。

(3) NO的转化率曲线随着温度的增加呈先上升后下降的趋势,当入口温度为320 ℃左右时,NO转化率达到最大值,约为60%。低温条件下,NO转化率随着进气量的增加将不断下降,当进气量达到700 kg/h时,NO不能被氧化。

(4) 为了使各种气态污染物转化率尽可能最大化,DOC入口温度应控制在300～350 ℃,进气量应控制在600 kg/h以下。