不同路線國IV車用重型柴油機非常規排放試驗研究

郭紅松 方茂東 曹 磊 陸紅雨 王益民

（中國汽車技術研究中心）

1 前言

我國和世界其它各國傳統法規關于汽車尾氣主要針對常規排放物諸如 NOx、顆粒物（PM）、THC、CO進行了規范，而對諸如 NO2、HCHO、SO2、NH3等非常規排放卻沒有具體的要求[1]。對于NH3排放，我國也僅在文獻[2]中規定，在ETC排放測試循環中，氨排放平均值不超過25×10-6（國IV和國V階段），而關于NO2排放也僅對采用EGR技術的柴油機有要求。2009年，美國環保署（EPA）開始對裝有排放控制裝置的柴油機的NO2排放量進行了規定，要求NO2的排放量不能超過NOx排放的20%[3]。

然而，非常規排放對人體的危害極大[4]，SO2、NO2是刺激性很強的有毒氣體，HCHO則是大氣中致癌的頭號因素，吸入過量的NH3輕則肺氣腫，重則致死。現在國內外正在探討是否在新的排放標準中增加這幾項限制[5]。本文使用AVL全流取樣系統對采用3款不同技術路線的國IV重型車用柴油機進行了非常規排放對比試驗研究[6～8]。

2 試驗設備及試驗方法

試驗系統布局如圖1所示，研究所使用主要設備型號見表1所列。其中，常規排放測試使用的是奧地利AVL公司生產的CEBII排氣分析儀。FTIR氣體分析儀可測量包括NH3、NO2、SO2和HCHO等22種不同的氣體成分[10]。

表1 試驗用設備型號

試驗用3臺國IV柴油機為直列四缸，供油系統均為高壓共軌，進氣系統均為增壓中冷，基本技術參數見表2所列。研究中SCR系統為開環控制，使用的尿素溶液質量濃度為32.5%，尿素噴射量為NH3/NOx=1；SCR催化器尾部帶有氨氧化（AMOX）裝置用來減少NH3泄漏。

表2 試驗用柴油機技術參數

試驗使用的是國IV標準柴油，其主要理化特性見表3所列。

表3 試驗用國IV柴油主要理化特性

按照GB17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國III、IV、V 階段）》，分別對 3 臺柴油機進行了 ESC（European Steady Cycle）和 ETC（European Transient Cycle）循環試驗。ESC和ETC試驗循環工況點分別如圖2和圖3所示[1]。其中，ETC循環中前600 s為城市街道工況，中間600 s為鄉村道路工況，后600 s為高速公路工況。

3 試驗結果與分析

為了便于分析結果，本文定義了變量δ=NO2/NOx·100。

3.1 不同技術路線常規排放比較

表4給出的是不同路線ESC、ETC循環下國IV柴油機常規排放結果。DOC是通過催化氧化反應降低柴油車尾氣中CO、THC和PM中部分可溶有機成分以及醛類物質[8]。POC主要通過催化氧化方式降低廢氣中微粒的含量，但POC降低廢氣中微粒含量的能力較差，如果要達到與DPF同樣的排放效果，則要求發動機內生成的微粒總量較低，因此增加了發動機控制的難度[8]。如表4所列，無論是ESC循環還是ETC循環，3種技術路線都可以使發動機達到國IV排放標準要求，且DOC+POC、DOC+DPF以及SCR 3種技術路線的PM排放依次降低，這和DPF對PM的凈化效率大大高于POC有關，同時SCR允許較高的NOx排放來盡可能降低PM排放，結果SCR的PM排放最低；3種技術路線下NOx排放大致相當，但DOC+POC路線難以保證在PM達標的情況下進一步大幅降低 NOx；DOC+POC及DOC+DPF路線的CO排放較SCR路線明顯低很多，尤其是在ETC循環下，這是由于DOC、POC可以高效氧化CO的結果。

表4 不同技術路線ESC、ETC循環下國Ⅳ柴油機常規排放結果 g/（kW·h）

3.2 不同技術路線非常規排放比較

表5給出的是不同技術路線ESC、ETC循環下國IV柴油機的非常規排放結果。從表5不難看出，無論是ESC循環還是ETC循環，DOC+POC、DOC＋DPF以及SCR 3種技術路線的HCHO和NH3排放依次升高，且SCR路線HCHO、NH3排放較其它2種路線高很多。前者是由于DOC、POC不僅可以氧化CO而且對醛類也有高效的氧化作用[9]，后者是由于SCR路線使用尿素溶液存在NH3泄漏所致。此外，3種路線的NO2、SO2排放基本相當，沒有明顯規律性變化。然而，無論是ESC循環還是ETC循環，DOC+POC、DOC＋DPF以及SCR 3種路線的δ依次順序明顯下降，這是POC、DOC可以氧化NO促進NO2生成的結果[8]。

表5 不同技術路線ESC、ETC循環下國Ⅳ柴油機的非常規排放結果

3.3 不同技術路線油耗和CO2排放比較

對3種技術路線重型國IV柴油機的油耗和CO2排放也進行了比較，結果見表6所列。從表6可以看出，3種技術路線下油耗和CO2排放比較接近，但SCR路線油耗和CO2排放要略低于DOC+POC、DOC+DPF路線，在ESC和ETC循環下SCR路線較DOC+POC路線油耗分別要下降4.9%和4.6%。這是由于DOC+POC、DOC+DPF路線需要同時使用EGR技術，導致一部分功率損失，結果油耗升高。

4 結束語

本文 研 究的 DOC+POC、DOC+DPF、SCR 3種技術路線都可以使車用重型柴油機達到國IV排放標準要求，但其 CO、HCHO、NH3排放依次惡化，NO2在NOx中的比例依次明顯下降。DOC+POC、DOC+DPF路線非常規排放相對較低，SCR路線在油耗方面相對具有優勢。DOC+POC路線難以保證在PM達標的情況下進一步大幅降低NOx，很難滿足國V車用重型柴油機的需要。

表6 不同路線CO2排放和油耗 g/（kW·h）

1 GB17691—2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法 （中國III、IV、V階段）．

2 HJ473—2008車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車車載診斷（OBD）系統技術要求．

3 U.S.Environmental Protection Agency （EPA）， Control of EmissionsFrom New HighwayVehiclesand Engines Guidance on EPA’s Certification Requirements for Heavy-Duty Diesel Engines Using Selective Catalytic Reduction Technology， 40 CFR Part 86， Federal register/Vol.76， No.109，2011.

4 蔡茂春，楊雪茹，孫平．增壓柴油機采用廢氣再循環的燃燒過程和排放特性研究．小型內燃機與摩托車，2008，37（2）：68～71．

5 Economic Commission for Europe （ECE）， Test Procedure for Compression-ignition（C.I.） Engines and Positiveignition（P.I.） Engines Fuelled With Natural gas （NG） or Liquefied Petroleum gas （LPG） With Regard to the Emission of Pollutants，ECE/TRANS/180/Add.4/Amend.1， 2010.

6 Vaarkamp M， Rodkin M.Diesel Emission Contral Systems，SAIT，Kenote Paper.

7 Brian Scarnegie.A LNT+SCR System for Treating the NOxEmissions from a Diesel Engine， SAE 2006-01-0210，2006.

8 Chatterjee S， Walk A P， Blackman P G.Emission Control Options to Achieve Euro IV and Euro V on Heavy Duty Diesel Engines，SAE 2008-28-0021.

9 李博，樓狄明，譚丕強，胡志遠，張斌.柴油機燃用生物柴油的氮氧化物排放特性.同濟大學學報，2008，（9）：5～8．

10 于津濤，王建海，田冬蓮.歐美常溫排放法規對比及試驗分析，汽車技術，2011（4）：43～45.