燃烧器改善柴油发动机排放的试验

李常侃，王晓辉，何传成，李明星

（广西玉柴机器股份有限公司，广西 南宁 537000)

0 引言

根据生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2022 年）》，2021 年，我国道路柴油车产生的NOx和颗粒物排放分别占道路车辆NOx 和颗粒物排放总量的88.3%和99%以上，高效低排放柴油机关键技术开发是实现交通领域低碳环保目标的重要途径[1]。

NOx 排放满足NOx 超低排放的核心关键是控制低温工况下NOx 的排放量[2]，提高催化剂在低温区的NOx 转化效率是实现超低排放的最重要技术途径[3]。一方面尿素水解温度限制了低温转化效率的进一步提升，另外一方面进一步提升低温的转化效率与催化器的特性造成高温条件转化效率的下降，难以兼顾。因此如何在高效发动机的情况下进一步提升排气温度为催化器提供理想的温度窗口尤其关键[4]。

1 试验装置

以一台某四缸车用柴油机为研究对象，基础发动机满足国6b 排放，发动机参数见表1。

表1 试验发动机参数

图1 为集成燃烧器装置的系统方案简图。研究在原来DOC+DPF+SCR+ASC 的后处理装置的基础上，在DOC 和增压器之间增加燃烧器装置，燃烧器的控制信号接入发动机的ECU，通过ECU 来控制燃烧器的工作状态，试验过程中根据需要通过燃烧器的工作状态对发动机的排气进行加热，提升排气温度。

图1 集成方案简图

燃烧器由燃油喷嘴、点火棒、空气辅助泵和反应器四大元件及控制单元构成。其控制接入发动机的ECU，实现与发动机的协同控制。通过在反应腔内实现柴油燃烧，对尾气进行加热。

2 研究方法

首先对基础发动机的原始和尾排进行确认，确保原始状态满足国六b 排放要求。在此基础上，通过在DOC 入口之前加装燃烧器，燃烧器控制接入ECU，试验过程的主要设备见表2。

表2 主要试验设备列表

对国六法规的排放循环WHSC 和WHTC、WNTE三种循环比较发现，WHTC 的工况变化剧烈，温度变化区间大，因此，主要对比燃烧器对WHTC 循环的原始排放和经过催化器的尾排进行对比，同时为了进一步研究该技在整车实际运行过程对排放的影响，选择了排温较低的环卫车的典型路谱进行排放对比，环卫车的运行特征和发动机运行工况特征如图2 所示。在环卫车运行过程中，怠速工况占比较高，同时工况变化剧烈，后处理的载体温度平均温度较低。

图2 环卫车典型路谱发动机运行工况特征

3 燃烧器对柴油机排放影响试验

3.1 对原始排放的影响

在试验过程中，通过对燃烧器的控制，保证在WHTC 循环过程中，燃烧器的工作状态基于SCR 入口目标温度350 ℃控制，根据排气流量和当前排温对喷射量进行控制，通过混合外界环境空气实现在排气管内燃烧放热，对比燃烧器工作过程中，对SCR 催化器入口的温度影响，从图3 的对比可以发现，涡后温度（增压器出口）相同的条件，在燃烧器的介入工作下，SCR 催化器的入口温度得到大幅度的提升。无燃烧器的情况下，SCR 床温的最低温度和176.25 ℃、最高温度为332.75 ℃，WHTC 循环过程的平均排温为245.71 ℃，通过在DOC 之前加装燃烧器，SCR 床温的最低温度为218.75 ℃、最高温度为423.50 ℃，WHTC循环过程的平均排温为378.56 ℃，SCR 催化器的大幅度提升，使得SCR 处于高效的温度区间，为实现超低NOx 排放提供基础条件。

图3 燃烧器对柴油机排温影响对比图

对比图4 可以发现，在加装燃烧器的前后，对NOx 排放基本无影响，这是由于燃烧器工作效率较低，即使少量的柴油在燃烧器中燃烧，温度较低，产生的NOx 增量较少，对整体的NOx 原始排放影响较小。同时，图4（b）和图4（c）对比发现，CO 和HC 排放大幅度上升，这主要由于燃烧器工作中，燃油喷射压力较低，即使在外接新鲜空气辅助的情况下，燃油雾化不充分，其管路中的油气混合不均匀，造成大量的CO排放，同时由于燃油撞壁等因素造成HC 的大幅度的上升。

图4 燃烧器对柴油机原排影响对比图

3.2 对尾排的影响

通过对WHTC 排放循环的尾排进行对比发现，如图5 所示，NOx 排放在整个循环加装燃烧器后，最大NOx 排放峰值由610 ppm 降低到11 ppm，基本实现0 排放，这主要由于通过燃烧器进行排气进行加热，快速加热SCR 载体的床温至350 ℃以上，并长时间维持高温状态，使SCR 催化器始终处于最高转化效率区间，其效率接近100%。HC 和CO 排放相比原排均有大幅度的降低，但在循环开始的100 s 内，尤其燃烧器工作的滞后，排气温度提升需要一个过程，HC 排放在WHTC 循环的前100 s 还处于较高的水平。但总体排放物均处于较低水平，加装燃烧器前后的排放物水平基本相当。

图5 燃烧器对柴油机尾排影响对比图

HTC 排放循环结果见表3。从表3 可以发现，在加装燃烧器前后其排放物均满足国六b 标准的法规限值要求，其NOx 排放具有满足下一阶段排放发箍的潜力，HC 和PN 数量由于燃烧器内柴油的燃烧，对尾排有一定的贡献。CO2排放也同时有一定的上升，增加幅度大约为4.67%。

表3 WHTC 排放循环结果

3.3 对典型路谱的排放影响

从发动机台架的验证结果来看，实际WHTC 运行过程中的NOx 降低到比较低的水平，为了进一步验证整车实际运行过程的NOx 排放情况，对整车的运行路谱进行整合提取，在台架模拟整车的运行工况。从图6 的结果展示来看，在前500 s，其SCR 催化器载体温度低于200 ℃，此时未释放燃烧器介入；500 s 后开始释放燃烧器介入，在700 s 左右时基本达到控制的目标温度350 ℃左右，NOx 尾排得到大幅度降低，在700 s 之后由于催化器的载体温度始终处于SCR 高效区间，转化效率较高，NOx 排放在10 ppm 之内。

图6 环卫车典型路谱下排温和排放

4 结论

开展燃烧器对柴油机发动机的原排和尾排的影响研究，结论如下：

（1）燃烧器对提升催化器的排温有较大的帮助，通过基于目标温度的控制，其排气温度得到大幅度的提升，在WHTC 循环过程中，按照目标SCR 载体床温350 ℃控制，其平均温度提升132.85 ℃。

（2）燃烧器对原始NOx 排放影响较大，但由于燃烧器内的燃油燃烧效率不高，产生大量的HC 和CO排放，但通过DOC+DPF+SCR+ASC 后处理装置，后尾排仍然满足国6b 排放标准，HC 排放有一定程度的上升。

（3）燃烧器对WHTC 循环的NOx 排放以及环卫车的典型路谱NOx 的排放均有显著的影响，其NOx排放得到大幅度的降低，这主要由于通过燃烧器的工作使得SCR 催化器的床温提升，促使SCR 催化器始终处于高效区间，NOx 结果具备满足下阶段排放标准的潜力。

（4）燃烧器需要一定的柴油燃烧提升排温，由此造成尾排CO2升高。在WHTC 排放循环过程中CO2排放升高4.67%。因此在应用该技术的时候，需要对其控制逻辑进行优化，进一步研究在提升催化器载体床温和CO2之间的平衡。