輕型柴油機國Ⅳ升國Ⅴ策略研究

扈 靜, 周 平, 劉 屹, 余 昳, 謝振凱

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

輕型柴油機國Ⅳ升國Ⅴ策略研究

扈 靜, 周 平, 劉 屹, 余 昳, 謝振凱

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

為了滿足國家標準中對輕型柴油機排放物的要求,文章對加裝不同組合尾氣后處理器的輕型柴油機進行了臺架試驗,并針對不同工況下氮氧化物(NOx)和碳煙等常規排放物的比排放量進行了分析研究。闡述了原機排氣裝置氮NOx和碳煙的排放問題,并對降低輕型柴油機尾氣排放物的方法進行了研究;提出了加裝柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和顆粒物氧化催化器(particulate oxidation catalyst,POC)的改進方法,并分析了該后處理器組合對發動機各種常規排放物的影響規律;提出了通過提高軌壓、關閉廢氣再循環(exhaust gas recirculation,EGR)閥使回流率降低,并安裝DOC和選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)后處理器的改進方法。研究結果表明,改進后的輕型柴油車排放物標定值滿足國Ⅴ標準,因此所設計的優化方法可行。

輕型柴油車;氮氧化物;顆粒物(PM);選擇性催化還原(SCR);后處理系統

與汽油車相比，柴油車尾氣中碳氫化合物、CO的排放量更低,是一種高效、節能且經濟性能好的動力系統;同時,因其具有良好的燃油經濟性、動力性以及耐久性等優點,在大功率車輛如大型客車、大型貨車上得到廣泛應用[1]。柴油機的CO、碳氫化合物排放較少,但氮氧化物(NOx)和顆粒物(particulate matter,PM)排放高,因此,對于輕型柴油機的排放改進性研究變得尤為重要[2]。

NOx在陽光的作用下會發生化學反應，生成臭氧、醛、酮、酸、過氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物,增加低空大氣中的臭氧濃度;而PM除了會使大氣中懸浮顆粒增多、污染空氣、影響能見度外,還會直接進入人的呼吸系統,對人體健康及環境造成極大的危害[3]。當前,解決柴油機對環境污染問題的首要任務就是降低NOx和PM的排放。針對全柴4B2-95C40輕型柴油機,本文進行了后處理系統優化方法的研究。

1 車用柴油機排放污染物現狀

1.1 國內外排放技術路線

降低柴油機NOx排放的根本措施是機內凈化。但是,在歐Ⅳ及以上排放法規頒布實施后,中國的油品升級問題亟待解決,因此僅依靠機內凈化方式已不能達到標準[4]。

不同國家輕型柴油車升級的技術路線對比見表1所列。在歐洲、美國、日本等市場上,輕型柴油車普遍采用柴油顆粒過濾器(diesel particulate filter,DPF)技術降低PM排放。從歐Ⅳ到歐Ⅴ階段,輕型柴油車采用廢氣再循環(exhaust gas recirculation,EGR)、優化燃燒等方式,可以不用安裝NOx后處理裝置,只采用柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和DPF即可滿足排放法規要求[5]。

表1 輕型柴油車排放標準和技術路線選擇

國內國Ⅲ升國Ⅳ的凈化路線一般采用高壓共軌結合中冷方式,調節EGR閥開度,并結合使用DOC和顆粒物氧化催化器(particulate oxidation catalyst,POC)裝置去除PM、CO等污染物；而國Ⅳ升國Ⅴ的凈化路線一般直接利用選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)去除排氣中NOx等污染物[6]。需要注意的是,各國升級路線的不同與國情及油品問題密切相關。

當前國際上應用在柴油車排氣凈化上的一種較為成熟的技術是DOC。DOC主要是氧化除去排氣中的CO、碳氫化合物以及PM中的輕組分，即有機可容成分(soluable organic fraction,SOF),此外,DOC的使用成本比DPF的低,因此具有較好的經濟性和實用性。

氧化催化轉化器一般包括壁流式的DPF和通流式的POC 2種。DPF的捕集效率一般為90%以上,而金屬網狀POC對于PM的捕集效率較低,一般僅能達到60%以上,它是通過特殊的載體結構使排氣通過多褶皺不堵塞的通道,捕捉并氧化部分PM。與DPF、POC相比,金屬網狀POC孔壁更薄(約為0.03 mm),可保證低背壓,同時機械強度高,有很好的導熱率且啟動快,不會造成煙灰或顆粒的阻塞,不需要主動再生設備,可表面涂覆催化劑,免維護;同時具有成本低、開發周期短、可靠性好以及無需復雜的標定過程等優點,更適合當前國內柴油機的發展及油品水平。因此,為滿足國Ⅳ的排放法規要求,采用DOC加POC的方法是一種較為經濟且適合國情的后處理方法。

1.2 輕型柴油機排放標準和測試方法

歐洲標準及國家標準均規定了3種試驗工況,即歐洲穩態循環工況(European steady cycle,ESC)、負荷煙度試驗工況(European load response test,ELR)、歐洲瞬態循環工況(European transient cycle,ETC)。ESC和ETC的排放標準見表2所列,本文主要采用柴油車穩態循環工況下的排放標準。

表2 污染物和煙度的排放量限值 g/(kW·h)

污染物ESC國Ⅲ國Ⅳ國ⅤETC國Ⅲ國Ⅳ國ⅤCO2.101.501.505.454.04.0HC0.660.460.460.780.550.55NOx5.003.502.005.003.502.00PM0.100.130.020.020.160.210.030.03

2 4B2-95C40型臺架試驗

2.1 試驗用發動機及測試設備參數

本文試驗采用全柴公司生產的4B2-95C40型車用柴油機。試驗時,不對原發動機參數做任何調整,即發動機的供油壓力、噴油嘴啟噴壓力、供油提前角等參數均為原機數值。發動機的主要技術參數見表3所列,原機無任何尾氣凈化裝置。

表3 4B2-95C40型車用柴油機主要技術參數

試驗主要儀器設備有AVL公司生產的燃油溫度控制器、燃油溫度控制器、測功機、油耗儀、HORIBA的排氣分析儀、水溫控制器以及微克天平等。該檢測中心采用標定設備不透光煙度計來測定煙度,柴油機國Ⅳ排放標準中煙度的標準值為0.5 m-1,本文試驗采用濾紙煙度計進行測量。

2.2 試驗方案及臺架的布置

2.2.1 試驗方案

本試驗采用2種方案對原機進行改裝,一種方式為安裝DOC+POC,內部加裝EGR閥,以達到國Ⅳ標準;另一種改裝方案為安裝DOC后再加裝SCR，以達到國Ⅴ標準。按照GB17691—2005[7]中的ESC和ETC測試標準對原機及2種改裝后的發動機臺架進行試驗。試驗測試總布置臺架如圖1所示。

圖1 試驗測試總布置臺架

2.2.2 原機試驗臺架

原機試驗臺架采用的是未經任何改裝的全柴公司生產的4B2-95C40型車用柴油機,即試驗時不對原發動機參數做任何調整,參數值均為原機數值。同時,不加裝任何外部凈化控制設備。在原機上接入采集分析儀,對原機排放尾氣中的各種氣體進行收集[8]。

2.2.3 國Ⅳ排放標準臺架布置

由于DOC具有同時降低HO、CO和PM的功能,常在發動機上與EGR同時使用,以全面提高發動機的排放水平[9]。

本文國Ⅳ排放標準臺架的布置為采用機內安裝EGR閥、柴油機排氣管加裝DOC+POC同時配合提高噴油壓力和增壓中冷能力的改裝方法。改裝后試驗臺架測得常規排放物的比排放量達到了國Ⅳ排放標準。加裝DOC和POC后的試驗結果見表4所列。

表4 加裝DOC和POC后試驗結果 g/(kW·h)

2.2.4 國Ⅴ排放標準臺架布置

為了有效降低柴油機的主要有害排放物——NOx的排放量,選用在加裝有DOC的柴油機后再加裝SCR。SCR是通過在排氣中添加還原劑,并在催化劑的作用下,將氮氧化物轉化為水和氮氣[10]。

本文采用的國Ⅴ改裝策略為機外凈化路線,在原機加裝DOC后的排氣孔處安裝SCR,關閉EGR閥,且不安裝其他輔助部件。采用尿素輔助實現催化轉化過程。尿素SCR系統的優點主要在于NOx轉化效率高(可達80%～95%)、發動機燃油經濟性好且發動機控制簡單。

3 各改進策略測試結果及分析

根據ESC十三工況法,本文選取了代表發動機低、中、高轉速點的3個轉速1 880、2 430、2 880 r/min,研究不同后處理器組合對發動機各種常規排放物的影響規律。另外,瞬態工況下發動機本身的排放物濃度會增加,后處理器的氧化轉化率也會受到不同程度的影響。

為了研究瞬態工況下各種后處理器組合的氧化轉化效率,本文試驗根據ESC要求，主要針對包括原機在內的3種試驗臺架進行穩態排放測試以及在穩態條件下不同后處理器對發動機各種常規排放物的影響規律[11-12]。

3.1 原機與國Ⅳ常規排放物對比

參照GB17691—2005[7]中ESC 十三工況法排放計算表,計算出1 980、2 430、2 880 r/min 3個轉速下,負荷分別為25%、50%、75%、100%時,原機與加裝DOC+POC后尾氣中NOx、CO、碳氫化合物、碳煙的比排放量數值,并繪制出對比圖,如圖2所示。

圖2 3種轉速下原機與加裝DOC+POC后各常規排放物的比排放量對比

在低等轉速(1 980 r/min)下,由圖2a可知,加裝DOC+POC的試驗臺架NOx的比排放量與原機相比變化不大,在低、中、高及全負荷時,改裝后的數值反而比原機數值稍大,即加裝DOC+POC對于發動機處于低速時NOx排放量影響不大;由圖2d可知,原機低負荷時CO最高排放量可達3.2 g/(kW·h),改裝后尾氣中比排放量大幅降低,降幅在80%以上,在低、中、高、全負荷時,均低于0.1 g/(kW·h),低于國Ⅳ規定的1.5 g/(kW·h)限值;由圖2g可知,加裝DOC+POC后,碳氫化合物的比排放量顯著降低,尤其是在低負荷時,降幅達95%以上,排放量均低于0.07 g/(kW·h),遠低于國Ⅳ規定的0.46 g/(kW·h)限值;圖2j中,原機在25%低負荷時碳煙的比排放量為0.045 g/(kW·h),遠高于國Ⅳ規定的限值0.02 g/(kW·h),加裝DOC和POC后,碳煙的比排放量則均低于國Ⅳ標準規定的0.02 g/(kW·h)的限值。由上述對比圖可知,加裝DOC+POC后的發動機在低轉速下所排放各常規廢氣的量滿足國Ⅳ排放標準要求。

在中等轉速(2 430 r/min)下,由圖2b可知,加裝DOC+POC后,NOx的排放量相較于原機的比排放量有一定程度的變化,在低、中負荷時,改裝后的數值反而比原機數值大10%～20%,全負荷時,加裝DOC+POC后的比排放量降幅不及10%,且排氣中NOx的排放量始終較高,即加裝DOC+POC對于NOx排放量的影響不大;由圖2e可知,原機在低負荷工況下比排放量最高可達4.25 g/(kW·h),而在改裝后尾氣中CO比排放量大幅降低,降幅在80%以上,均低于0.1 g/(kW·h),最低僅為0.05 g/(kW·h),低于國Ⅳ規定的1.5 g/(kW·h)限值,即加裝DOC+POC可以顯著降低尾氣中CO的含量;由圖2h可知,加裝DOC+POC后,碳氫化合物的比排放量在低負荷時,降幅達95%以上,且在低、中、高、全負荷4種工況時的比排放量均低于0.15 g/(kW·h),低于國Ⅳ規定的0.46 g/(kW·h)的限值;由圖2k可知,原機在75%高負荷比時碳煙的比排放量為0.021 g/(kW·h),稍高于國Ⅳ規定的限值0.02 g/(kW·h),然而,加裝DOC+POC后,碳煙的比排放量均低于0.007 5 g/(kW·h)。由上述對比圖可以得出,加裝DOC+POC后的發動機在中等轉速下,所排放各常規廢氣的量滿足國Ⅳ排放標準要求。

在高轉速下(2 880 r/min)，由圖2c可知,加裝DOC+POC的試驗臺架采集到的數據中,NOx的排放量相較于原機的比排放量略有變化,在低、中、高負荷時,改裝后的數值比原機數值高5%～10%,混合氣中含量仍較高;由圖2f可知,原機低負荷時CO最高可達6.1 g/(kW·h),改裝后尾氣中CO比排放量大幅降低,降幅均在80%以上,均不高于0.1 g/(kW·h),低于國Ⅳ規定的1.5 g/(kW·h)的限值,即加裝DOC+POC可以顯著降低尾氣中CO的含量;由圖2i可知,加裝DOC+POC后,碳氫化合物的比排放量顯著降低,尤其是在低負荷時,降幅達95%以上,在低、中、高、全負荷時,均低于0.38 g/(kW·h),低于國Ⅳ規定的0.46 g/(kW·h)的限值;由圖2l可知,在低負荷時,原機碳煙的比排放量為0.016 g/(kW·h),遠高于國Ⅳ規定的限值,當加裝DOC+POC后,碳煙的比排放量均不高于0.007 5 g/(kW·h),顯著低于國Ⅳ標準規定的0.02 g/(kW·h)的限值。由上述對比圖可以看出,加裝DOC+POC后的發動機在高等轉速下所排放各常規廢氣的量滿足國Ⅳ排放標準要求。

3.2 國Ⅳ與國Ⅴ常規排放物外特性對比

加裝DOC+POC與加裝DOC+SCR后各常規排放物排放量外特性曲線如圖3所示。

圖3 加裝DOC+POC與加裝DOC+SCR后各常規排放物排放量外特性曲線

由圖3a可知,加裝DOC+POC的試驗臺架標定的NOx外特性曲線整體位于加裝DOC+SCR試驗臺架標定的外特性曲線之上,在常用工況范圍內,安裝了DOC+SCR的發動機所排出的廢氣中NOx物比排放量低于5 g/(kW·h),優于國Ⅳ標準的試驗臺架。

由圖3b可知,發動機低于轉速1 400 r/min時,加裝DOC+POC的試驗臺架CO比排量均高于安裝了DOC+SCR的發動機,而在常用工況范圍內,安裝了DOC+SCR的發動機雖比加裝DOC+POC時排放量高,但最大值僅為0.12 g/(kW·h),遠低于限值1.5 g/kW·h。

由圖3c可知,在常用工況范圍內,安裝了DOC+SCR的發動機所排出的碳氫化合物比排放量相對較低(≤0.04g/(kW·h))。

由圖3d可知,低轉速下,安裝DOC+SCR的發動機碳煙排量明顯降低,而在常用工況范圍內,加裝DOC+POC的發動機則與安裝了DOC+SCR所排出的碳煙量相近,但均不高于0.02 g/(kW·h)。

4 結 論

(1) 原機加裝DOC+POC后,可以顯著降低CO、碳氫化合物和碳煙等常規排放物的排放量,其中,低轉速下碳煙的比排放量降低幅度可達95%,CO的比排放量降低幅度在80%以上,碳煙的比排放量降低幅度高于45%。

(2) 柴油機尾氣經DOC+SCR凈化后,NOx的含量明顯降低,相較于加裝DOC+POC時,最大降幅達45.6%,其他常規排放物含量均低于國家標準第Ⅴ階段的限值,而CO比排放量僅為0.12 g/(kW·h)。

(3) 排氣后處理系統已經成為現代柴油機的重要組成部分，還需要進一步加強發動機與后處理系統的一體化優化設計,以滿足日益嚴格的排放法規,并實現對燃油經濟性和系統設計成本的優化。

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(責任編輯 胡亞敏)

Strategy of meeting national standards of vehicle pollutant discharge from Ⅳ to Ⅴ for light-duty diesel engine

HU Jing, ZHOU Ping, LIU Yi, YU Yi, XIE Zhenkai

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to meet the requirements of national standard for light-duty diesel engine emissions, a bench test of light-duty diesel engine installed with different processors of combined off-gas is conducted. And the ratio among conventional emissions as nitrogen oxides(NOx) and soot under different operating conditions is analyzed. Firstly, the problem of original machine exhaust emissions of nitrogen oxides and carbon smoke is expounded. Then the method of reducing the light-duty diesel engine exhaust emissions is studied. On one hand, the diesel oxidation catalyst(DOC) and particulate oxidation catalyst(POC) are used, and the application effects of them are analyzed. On the other hand, DOC and selective catalytic reduction(SCR) are installed in the light-duty diesel engine, and the rail pressure is improved and the exhaust gas recirculation(EGR) valve is closed to reduce the recirculation ratio of diesel engine. The results show that the calibration value of improved emissions is lower than the limit of national Ⅴ standard, thus proving that the proposed optimization method is feasible.

light-duty diesel engine; nitrogen oxides(NOx); particulate matter(PM); selective catalytic reduction(SCR); aftertreatment system

2015-09-29；

2015-10-21

國家發改委和工信部產業振興和技術改造資助項目(中央評估)(發改投資2012[1938]號)

扈 靜(1972-),女,安徽六安人,博士,合肥工業大學副教授,碩士生導師; 劉 屹(1978-),男,安徽池州人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.001

TK421.5

A

1003-5060(2017)02-0145-06