一款柴油機匹配后處理系統的試驗分析

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438)

0 前言

自2023年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合國家第六階段機動車污染物排放標準(以下稱“國六”標準)b階段限值要求。因此，國內外的科研機構和高校通過大量的研究，最終確定了柴油機后處理系統的主流技術路線為氧化催化轉化器(DOC)、柴油顆粒捕集器(DPF)、選擇性催化還原(SCR)等后處理技術相結合，根據實際情況組合綜合使用[1]。由于多種后處理技術之間的性能影響因素較多，彼此之間還存在相互作用，如果與發動機匹配不當，容易出現凈化效率低、增加發動機油耗等不良后果[2]，因此研究集成式后處理系統和車用柴油機的匹配顯得愈加重要。

1 后處理技術匹配要求

柴油機和后處理系統匹配時，要從柴油機和后處理兩方面進行綜合考慮。

在柴油機方面，著重考察匹配后的柴油機的性能和排放，性能要滿足開發目標，排放要滿足法規要求。本文選擇一款滿足國六排放的柴油機進行匹配試驗，著重考察匹配后排放能否達到國六排放法規要求。

在后處理方面，根據后處理技術的不同，考察方面也略有不同。DOC主要用于氧化碳氫化合物(HC)和CO，著重考慮其流體均勻性和催化劑涂層的氧化性。DPF基于物理過濾原理，用于過濾顆粒物(PM)，著重考慮其流動阻力和載體材料。SCR主要用于還原氮氧化物(NOx),著重考慮其流體均勻性和轉化效率。

2 柴油機與后處理系統

本次試驗選用一款增壓中冷高性能柴油機，其主要參數如表1所示。

表1 柴油機主要技術參數

本試驗選擇來自3個廠家的A、B、C共3套不同的后處理系統，其布置方式如圖1所示。

圖1 后處理系統布置方式

選擇3套后處理系統時，根據經驗公式計算得到后處理系統的容積大致范圍，基于所匹配的發動機排量進行后處理系統容積的選擇[3]，匹配原則如表2所示。其中，DPF載體為堇青石，若采用SiC載體，則DPF容積大約為發動機排量的1.5倍。

表2 后處理與排量的關系

后處理系統的大致容積范圍確定好后，首先要通過計算流體力學(CFD)采用流體仿真的手段初步驗證后處理系統的流體均勻性。流體的均勻性一般包括流體的速度均勻性和流體的濃度均勻性。為了便于研究，本文選用流體速度均勻性。常用的速度均勻性分為面積加權平均和質量加權平均，這兩種結果基本趨勢一致，計算結果稍有差別，本文選用基于面積加權平均的速度均勻性進行分析。通常用面積加權平均的均勻性系數γa衡量速度均勻性，其定義如式1和式2所示[4]。

(1)

式中，φi為經過每一個載面單元的流體的法向速度，Ai為每一個載面單元的面積，φa為載面上的平均速度。

(2)

式中，Ai為每一個截面單元的面積，φi為經過每一個截面單元的流體的法向速度，φa為截面上的平均速度，γa為用面積加權平均的均勻性系數。

由于這3套后處理系統的結構布置基本一致，根據CFD的流場分析結果顯示，這3套后處理系統的各截面處的流體均勻性也十分接近，因此僅以后處理系統B的CFD結果為例。如圖2所示，3個截面位置分別在DOC入口、DPF入口和SCR入口，后處理系統C的各截面處的均勻性系數均在0.9以上，滿足工程目標要求。因此，DOC氧化性和SCR的還原效率均通過臺架試驗可進一步研究。

圖2 CFD仿真結果

3 試驗設計

通過發動機臺架試驗，主要驗證以下3點：

(1)后處理系統和發動機匹配后的尾氣凈化能力；

(2)DOC的氧化能力；

(3)SCR的還原能力，特別是溫度在200 ℃附近的低溫區域的還原能力。

為了驗證上述問題，主要進行了國六法規排放試驗、DOC氧化性試驗、SCR轉化效率試驗。為了保障后處理系統的催化性能，這3套后處理器在正式試驗之前，均在臺架上先進行預處理，運轉工況選擇溫度和流量均滿足要求的發動機額定工況，穩態運行2 h。

3.1 國六法規排放試驗

試驗主要分為標準循環測試工況(全球統一穩態循環(WHTC)、全球統一瞬態循環(WHSC))以及非標準循環測試工況(WNTE)。標準循環測試工況的污染物排放限值如表3所示，根據后處理系統的轉化效率和法規要求限值計算出原排放的目標限值。因為尾氣排放的測點在后處理系統后端，因此要考慮周期再生和老化的影響，目標限值的確定不僅要參考法規限值，還要綜合考慮Ki因子、劣化系數，以及工程余量(15%)。為了避免上述因素的差別對試驗結果的影響，采用老化件進行試驗。這3套后處理器使用相同的老化流程進行老化，老化后對載體進行封裝。綜上所述，最終結果可直接根據法規目標對后處理系統的性能進行評價。

表3 后處理系統與排量的關系

3.2 DOC氧化性試驗

DOC的主要作用有兩點：一是將排氣中的HC和CO氧化成對環境無害的CO2和H2O；二是將CO氧化成CO2，增加DPF內部被動再生速率。不僅如此，催化劑涂層的氧化作用也可以增加NOx中NO2的比例，加快SCR反應進行。由于氧化反應是放熱反應，因此本次試驗通過考察相同時間內的DPF入口溫度的溫升速率來評判DOC的氧化性，溫升速率越大說明氧化性越強。

3.3 SCR轉化效率試驗

利用尿素溶液的還原性，通過SCR反應可以將排氣中的NOx清除90%以上，因此SCR技術在國六階段至關重要。但由于尿素溶液的固有屬性，在低溫時易出現尿素結晶，并降低轉化效率，因此本試驗通過考察不同的SCR入口溫度下SCR對NOx的轉化效率，評判SCR的還原能力。

4 試驗結果分析

為保證試驗結果的有效性，在試驗過程中嚴格控制環境溫度、燃油溫度、排氣背壓等試驗邊界條件，防止這些因素影響試驗結果。

4.1 DOC氧化性試驗結果分析

試驗在穩態工況下進行，以廢氣溫度穩定在240 ℃為試驗起始條件之一，開啟燃油后噴功能，保持總噴油量不變，持續300 s，查看溫度的變化情況，結果如圖3所示。從圖3可以看出：這3套后處理系統的升溫速率基本相同，說明燃油觸碰到DOC催化劑時發生的氧化反應劇烈程度接近，并且放熱速率都明顯大于散熱速率。在最后溫度趨于平穩時，后處理系統B的廢氣溫度最高，說明后處理系統B的DOC氧化性最好，因為實驗室內部環境條件不變，不同后處理系統對環境的散熱基本相同，而此時廢氣溫度高說明燃油轉化效率高，放熱量大。相比之下，后處理系統A和后處理系統C的溫度低，這可能是由于在載體長度接近的情況下，后處理系統B的貴金屬含量高或涂覆均勻性較好導致的。

圖3 廢氣溫度變化曲線

4.2 SCR轉化效率試驗結果分析

根據所匹配發動機的經常運行工況的溫度區間，選擇SCR入口溫度不同的幾個穩態工況點進行試驗。試驗開始之前進行發動機檢查，確保發動機狀態正常，之后按照SCR入口溫度從低到高的順序，依次進行試驗，每個穩態工況點至少運轉3 min之后進行測量并記錄數據。試驗結果如圖4所示，這3套后處理系統的轉化效率和SCR入口溫度之間的關系趨勢基本相同，都是隨著溫度的升高，轉化效率先上升后下降。這是因為在溫度低于250 ℃的低溫區域，隨著溫度的升高，一方面SCR催化劑的催化活性升高，轉化效率升高，另一方面經過DOC氧化后的NOx中NO2的比例升高，更有利于SCR快速反應的進行。隨著溫度進一步升高，SCR催化劑活性下降，NO2的比例下降，因此SCR的轉化效率呈下降趨勢。

在溫度低于250 ℃的低溫區域，后處理系統B的轉化效率最高，后處理系統A次之，后處理系統C最低，這說明在低溫工況下，后處理系統B對于排放結果的有益影響是最大的。這個結果與DOC的氧化性試驗結果可以匹配。DOC的氧化性越強，SCR入口處廢氣中NO2的比例越大，SCR轉化效率越高。在SCR入口溫度為250 ℃和300 ℃之間時，后處理系統A和B的轉化效率最高，接近100%，后處理系統C的轉化效率相對較低，但也在95%以上。

在SCR入口溫度高于400 ℃時，后處理系統C的轉化效率下降比較明顯，甚至低于80%，后處理系統C在此溫度區間的轉化效率可能無法讓NOx的排放結果滿足法規要求，而后處理系統A和B的轉化效率在此溫度區間仍然能保持較高的轉化程度，這說明這兩套后處理系統的催化劑涂層在高溫區域仍然保持較高的活性。綜合考慮，后處理系統B在低溫區域和高溫區域均能有不錯的轉化效率表現，因此后處理器系統和發動機匹配后對NOx的凈化效果最好，轉化效率曲線見圖4。

圖4 SCR轉化效率曲線

4.3 國六法規排放試驗結果分析

本試驗運行國家標準GB 17691—2018中規定的標準循環工況(WHTC和WHSC)進行測試，為了保證結果準確性，每個循環工況運行3次，結果取平均值。最終循環測試結果如表4所示。

表4 WHSC尾氣排放結果

發動機匹配不同的后處理系統，在背壓等邊界條件相同的情況下，兩種法規循環的原始排放結果基本相同，說明后處理器本身對于發動機的影響不大。根據尾氣排放的結果顯示，在兩種法規循環下，這3套后處理系統對于CO、HC和PM的處理效果均十分理想，排放結果均低于法規要求。但是在國六階段，SCR的作用更加重要，對于NOx的處理能力直接反映了SCR系統的性能優劣。

從2個標準排放循環結果看，只有后處理系統B的NOx結果滿足法規要求，后處理系統A和C的NOx排放結果均超過法規限值，其中后處理系統C的WHSC結果甚至超過法規限值50%以上。出現上述情況的原因，可能是由于后處理系統A和C的DOC氧化性較差：一方面在低溫工況時無法及時將溫度提升至尿素的高效反應溫度區間，導致循環一段時間的SCR反應效率較低；另一方面，氧化性差會導致DOC出口的NO2占NOx的比例較低，影響SCR反應速度，從而造成NOx排放結果偏大。因此，應用后處理系統A和C可能會增加后續標定工作難度，最終選擇后處理系統B作為匹配方案。

表5 WHTC尾氣排放結果

5 結論

(1)柴油機和后處理的匹配效果關系到柴油機的動力性、經濟性及匹配后的排放結果，因此匹配時要綜合考慮發動機和后處理系統兩方面。其中，后處理方面要著重考慮DOC的氧化性、DPF的再生能力、SCR的轉化效率及各部分的流體均勻性。

(2)DOC氧化性對DPF再生及SCR的轉化效率都有影響。DOC氧化性越強，燃油在DOC內部的氧化反應越劇烈，DPF主動再生的溫度就越高，同時DPF入口的NO2比例也越高，DPF被動再生的能力就越強，SCR轉化效率也越大。

(3) 在柴油機和后處理匹配的過程中，主要借助CFD仿真和臺架試驗兩種方法，對于流體均勻性此類難以通過臺架試驗驗證的屬性，可以借助CFD仿真的方式進行驗證，既可以節約試驗成本，也可以提高效率。本文所述方法具有通用性，可以推廣到其他項目。