基于国Ⅵ柴油机后处理系统综合性能试验研究

程晓章, 刘 凡, 张子涵, 管金彪, 王 涛

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

当前,随着全球各国对能源以及环境问题的日益关注,面对汽车尾气这一污染源,各国政府制定了相应的排放法规。在中国,号称史上最严的国Ⅵ排放法规于2020年7月1日正式实施。国Ⅵ排放法规的实施也给柴油机后处理系统带来了新的挑战,柴油机排放的主要污染物为颗粒物(particulate matter,PM)和氮氧化物(NOx),若柴油机只使用缸内燃烧等机内净化技术来降低污染物排放,则很难达到国Ⅵ排放法规标准。因此,只有使用高效的尾气处理技术,才能满足新的排放标准要求[1]。

目前国内外比较成熟且得到广泛应用的后处理技术路线为柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+柴油颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)+选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)+氨氧化催化器(ammonia slip catalyst,ASC)。DOC主要通过吸附废气中的CO、碳氢化合物(HC)和NO,将CO和HC氧化成CO2和H2O,并把NO氧化成NO2,方便后续处理;DPF通过内部的颗粒过滤装置,收集排气中的颗粒物,在颗粒物收集达到一定程度时,进行DPF再生[2];SCR通过在柴油机排气中喷入尿素水溶液产生氨(NH3),NH3与尾气中的NOx进行反应,将NOx转化为N2和H2O排出;ASC是将NOx还原反应中过量的NH3转化为N2等气体[3]。

本文搭建柴油机后处理试验台架,对台架中温度、NOx传感器偏差进行校对,研究发动机动力性能与排放性能之间的关系,分析在一定废气流量下温度、NH3存储量和NOx转化率之间的关系,并对DPF载体涂敷层对于排放性能的影响进行探究,此外还进行了尿素结晶试验和稳态温损试验。

1 后处理系统模型

1.1 DOC和DPF系统模型

DOC主要是氧化尾气中的未燃HC、CO,将其转化为CO2和H2O,同时将尾气中含量较多的NO氧化为NO2,再通过DPF进入SCR系统进行处理。

DPF是通过交叉堵孔结构来过滤尾气中的颗粒物PM,PM捕集到一定程度需要进行DPF再生,降低DPF中的积碳[4]。

DPF再生包括主动再生和被动再生,其中,DPF主动再生能够有效降低PM排放,通过缸内后喷等方式来增加尾气中未燃HC的量,经过DOC氧化,提升排气温度,使沉积在DPF上PM被氧化燃烧。

DOC和DPF系统结构示意图如图1所示。

图1 DOC和DPF系统结构示意图

1.2 SCR系统模型

SCR系统主要由电控系统、尿素存储喷射系统、混合器、上下游排气温度传感器以及NOx传感器等装置构成,其结构示意图如图2所示。在SCR系统中,质量分数为32.5%的尿素水溶液由尿素喷嘴喷入排气管中,并在里面发生热解水解反应,生成的NH3与NOx发生氧化还原反应,产生对环境友好的N2和H2O[5]。

图2 SCR系统结构示意图

1.3 催化器载体化学反应

在SCR催化器载体表面发生以下化学反应:

(1)

(2)

(3)

(4)

反应式(1)表示异氰酸在催化剂表面水解产生NH3和CO2。因为在不采用废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)技术的条件下,柴油机排气中90%以上的NOx是以NO的形式存在,所以在SCR反应过程中以反应式(2)为主,故式(2)被称为标准SCR反应。反应式(3)被称为SCR的快速反应,在低温条件下,式(3)的反应速率是式(2)的17倍,故而称之为快速反应。排气中NO2的摩尔分数不足10%,且2 mol的NO2需要4 mol的NH3才能反应完全,因此反应式(4)被称为慢速反应。

2 试验系统

2.1 台架搭建

试验用发动机为某公司生产的4B5-70U32型国Ⅵ高压共轨柴油发动机,发动机进气方式为增压中冷,参数见表1所列,试验所需的仪器仪表设备见表2所列。集成式后处理系统参数见表3所列。其中,尺寸为装置截面的长×宽,单位dm。

表2 检验用仪器设备

表3 后处理结构参数

在试验中心搭建发动机台架,台架采用集成式后处理系统,分别如图3、图4所示。试验环境参数见表4所列。

表4 试验环境参数

图3 发动机试验台架

图4 后处理集成系统

2.2 后处理传感器打点布置

按照试验要求,需要对集成式后处理系统打孔,在孔上安装压力、温度和NOx体积分数传感器以及采样接头,方便后续试验。传感器打点布置示意图如图5所示。

图5 后处理传感器打点布置示意图

3 试验内容

3.1 传感器校对

对于柴油机后处理系统而言,各个后处理装置后的排气温度、NOx体积分数都是试验测试的重要内容。传感器数值的准确与否影响了试验的精度,同时传感器的安装不能对气流的通过产生阻碍,因此需要对传感器进行校对,减少数值偏差,保证试验的准确性。后处理温度传感器以及前、后NOx传感器校对结果如图6所示。

图6 后处理传感器偏差

从图6可以看出,前、后NOx传感器偏差分布比较均匀,前、后NOx传感器偏差分别分布在+3%、+2%左右,NOx传感器误差都在允许偏差(±5%)以内,符合试验要求。

在温度传感器校对中,温度传感器T5、T6偏差主要分布在-4%、-2%左右,且分布比较均匀,而温度传感器T4、T7上下偏差都在±5%以内,但是仍需调整其安装位置,使其误差尽量分布均匀,从而减少试验误差。

3.2 发动机排放测试

为了验证发动机动力性能与其排放性能之间的关系,设计排放性能试验来探究两者的关联性。通过电力测功机、油耗仪、烟度计和温度传感器分别采集发动机扭矩、油耗率、排气烟度值和排气温度,将得到的数值绘制成曲线,结果如图7所示。

图7 发动机性能与排放关系曲线

从图7a可以看出,发动机油耗率开始随着转速的上升而降低,在1 400 r/min后逐渐上升,在发动机最大转矩所对应的转速区间内保持稳定,之后再次下降,并在2 000～2 200 r/min区间内缓慢增长,最后随着转速的增加而增加,在到达最大转速之前小幅下降;从图7b可以看出,烟度在1 600 r/min前保持平稳状态,达到1 600 r/min后剧烈上升,在最大转矩点烟度排放达到最大值后急剧下降,在2 000～2 200 r/min区间内上下小幅度波动,最后随着转速的增加迅速上升;从图7c可以看出,排气温度开始随着转速的增加逐渐降低,在1 400 r/min后随着转速的增加,排气温度迅速上升,在最大扭矩点时排气温度达到最高,之后随着转速上升,排气温度下降,在2 000～2 200 r/min区间内,排气温度上下波动,最后,随着转速的增加,排气温度逐渐增加。

造成以上现象的原因与发动机的工作过程有关。当发动机进行冷启动时,因为气缸温度低,燃油不易雾化,且喷油器向气缸内喷入过量燃油,气缸内是浓混合气,所以此时发动机的油耗率和排气温度较高,但此时尾气中未燃HC、CO含量较高,烟度值较小。

随着发动机冷启动完成,此时喷油器向气缸内喷入的燃油量较少,混合气中O2含量较高,混合气能够完全燃烧,且喷油量较少,故此时油耗率和排气温度有下降趋势,烟度值基本不变[6];之后发动机的负荷增加,为了保证发动机动力性的需要,此时喷油器向发动机缸内喷入的燃油量增加,气缸内温度达到稳定水平,混合气浓度上升,此时气缸内混合气燃烧不充分,排放较为恶劣,故随着发动机负荷增加,排气温度、油耗率以及烟度值均上升;之后随着发动机负荷降低,气缸内混合气浓度下降,排放优化,发动机油耗率、排气温度、烟度值均随着负荷降低而减小;最后,当发动机到达最大转速前,由于转速增加,喷油次数增多,而混合气在气缸内发生化学反应的时间减少,混合气燃烧不完全,部分混合气还未燃烧完全就被排出缸外,排放较为恶劣,发动机油耗、排气温度以及烟度值随着转速的增加而增加[7]。

3.3 NH3存储量与NOx转化效率之间的关系

试验探究了废气流量在350 kg/h的情况下,不同温度对NOx转化效率与NH3存储量(存储在催化剂表面的NH3)之间的关系以及在350 kg/h废气量下开氨存储时不同温度下的转化效率,试验结果如图8所示。

图8 NH3存储量对NOx转化效率的影响

从图8a可以看出,在废气流量为350 kg/h的情况下,随着NH3存储量的增加,NOx转化效率逐渐增加,这是由于NH3存储量增加,吸附在催化剂表面上的NH3的量就增加,加快了NOx还原反应的速率,从而增大了NOx的转化效率[8]。

从图8b可以看出,随着温度的增加,NH3存储量逐渐减少,原因是随着温度的上升,催化剂活性增加,NH3与NOx的氧化还原速率增加,越来越多的NH3参与到氧化还原反应,导致吸附在催化剂表面上的NH3的量降低,故而NH3存储量随温度升高而降低[9]。从图8b还可以看出,NOx的转化效率先增加,然后在一定温度范围内保持稳定,在480 ℃后,随着温度的增加,NOx的转化效率略微下降。原因是随着温度上升,催化剂活性增加,NH3与NOx的氧化还原速率逐渐增加,在250～480 ℃温度区间内,催化剂活性很高,氧化还原速率保持在很高的水平;当温度大于480 ℃时,温度对催化剂活性几乎无影响[10-12],而NH3存储量过低,对NOx的转化效率有一定影响,导致NOx转化效率降低[13-15]。

3.4 尿素结晶试验

在发动机试验台架上进行WHTC工况试验。选取前345 s工况进行连续24 h低温结晶试验,测得温度传感器T6平均温度在200 ℃左右;结束后拆卸观察结晶现象并称重,结晶质量为17.5 g,有轻微结晶现象,满足试验要求,尿素结晶图如图9所示。尿素结晶原因可能是使用的尿素纯度不高,或者是喷嘴安装存在一定的空隙[16]。虽然SCR系统出现尿素结晶是正常现象,但是尿素结晶到一定程度会影响后处理性能,因此后续需要优化结构减少尿素结晶,减小其对发动机性能的影响。

图9 尿素结晶图

3.5 稳态温度损失试验

稳态温损试验是指发动机在节气门开度、转速和其他主要参数保持不变的情况下进行的温度损失验证。温度损失的大小为传感器T5与T6的数值之差,T5表示DPF入口处温度,T6表示SCR入口处温度。取发动机转速为1 300 r/min、扭矩为70 N·m(小负荷工况)和发动机转速为2 000 r/min、扭矩为220 N·m(大负荷工况)2个工况点,测得稳态温度损失分别为11 ℃和18 ℃,温差大小符合试验要求,结果如图10所示。

图10 不同工况下传感器数值

3.6 DPF载体涂敷性能试验

为了探究DPF涂敷层对发动机性能的影响,试验用未涂敷材料的DPF空白载体(SiC载体)和使用涂敷量为40 g/L的碱金属载体进行比较,分别测试两者的排气背压以及油耗情况,结果如图11所示。

图11 DPF载体涂敷性能影响试验结果

从图11可以看出:DPF载体涂敷层对发动机排气背压有一定的影响,涂敷碱金属的DPF载体和空白载体的排气背压都近乎呈线性增长,且前者比后者排气背压高了5.2 kPa左右;涂敷载体的油耗略大于空白载体。这是由于涂敷载体的排气背压大于空白载体,降低了发动机功率,为了保证发动机的动力性,需要增加混合气浓度来保证发动机功率输出[17]。

4 结 论

本文基于4B5-70U32型柴油机搭建发动机后处理试验台架,通过一系列试验探究了后处理系统对发动机性能、排放情况的影响,得出以下结论:

1) 试验对后处理系统的温度、NOx传感器进行校对,并对后处理系统进行稳态温损值进行测量,得到的结果均符合试验要求。

2) 发动机在最大转矩点的油耗率、尾气烟度以及排气温度均达到最高值,后续需要通过一系列技术手段降低最大扭矩点的排放值,降低对环境的污染。

3) 在一定废气流量的情况下,随着NH3存储量的增加,NOx转化效率增加;随着温度增加,NH3存储量减少,NOx转化效率先增后降。

4) 在尿素结晶试验中,后处理尿素结晶量较少,符合试验标准,但后续仍需要改善,进一步降低尿素结晶对后处理系统性能的影响。

5) DPF载体涂敷碱金属涂层对于空白载体而言,对发动机性能有一定的影响,但影响较轻微。