高壓共軌柴油機DOC/POC/SCR后處理系統的開發研究

閆安

摘要：本文提出了對在用的高壓共軌柴油機滿足國Ⅴ排放法規的技術方案。它以32.5%的尿素水溶液為還原劑，采用本文提出的DOC/POC/SCR后處理系統，通過共軌柴油車的發動機臺架試驗，分析了ESC循環測試下NOx的排放濃度和負荷特性下NOx的排放濃度，結果表明：若僅采用單一的Urea-SCR后處理系統，共軌柴油機排氣中的NOx濃度降至300ppm左右，轉化率可達到75%，只能滿足國Ⅳ的排放法規要求值;而采用本文提出的DOC/POC/SCR后處理系統后，共軌柴油機排氣中的CO和HC凈化效果顯著，NOx濃度降至180ppm左右，轉化率可達到85%完全滿足了當前實施的國Ⅴ的排放法規，實現了對在用高壓共軌柴油機后處理系統的技術升級。

關鍵詞：汽車工程;共軌柴油機;NOx;尿素;SCR;轉化率

0 ?引言

車用柴油機尾氣中排出的顆粒物（PM）和氮氧化物（NOx）已成為城市空氣的主要污染源之一[1]。采用電控高壓共軌技術之后，即使國Ⅲ以下的排放標準可通過優化柴油機燃燒系統來實現，但滿足國IV及其以上排放標準僅僅依靠優化燃燒系統等機內凈化方法已經難以實現，因此，使用排氣后處理技術已成為當前國際上減少PM、NOx排放最有效的手段，柴油機選擇性催化還原簡稱SCR（Selective Catalytic Reduction）系統也已在國際上廣泛地使用，以降低柴油柴油機尾氣排放物中的NOx，SCR系統使用32.5%尿素水溶液為還原劑[2]，利用燃料供給裝置將尿素水溶液噴入柴油機尾氣中，尿素水溶液在高溫廢氣中轉化為氨氣，在催化劑的作用下把廢氣中的NOx還原為N2和H2O。并且SCR系統與氧化催化器（DOC）+顆粒捕集器（POC）或者加熱型DPF相結合可以實現滿足國V排放法規的要求。目前國內外仍存在大量的在用共軌柴油機依靠單一的后處理系統只能滿足國Ⅳ的排放法規，面對日益嚴格的排放法規迫切需要進行技術升級，本文采用DOC+POC+SCR后處理系統對共軌柴油機進行技術升級，最終滿足國V的排放法規[3]。

1 ?Urea-SCR系統的實驗研究

1.1 Urea-SCR系統的化學反應機理

發動機工作時，還原劑經計量泵進入排氣管內，與尾氣中氮氧化物NOx在催化劑的作用下反應成無害的氮氣和水，目前在SCR系統上普遍采用濃度為32.5%的尿素水溶液作為還原劑，V2O5為催化劑。當車用尿素水溶液進入排氣管后，首先在高溫條件下水解成NH3和CO2：

NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2 ?（1）

緊接著氨氣把一氧化氮和二氧化氮還原成無害的氮氣和水，主要化學反應為：

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O ? ?（2）

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O ? ?（3）

2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O ? （4）

柴油機尾氣中的氮氧化物90%的是NO，因此SCR尾氣后處理系統內主反應式是1.3稱為標準SCR反應，而1.2化學反應式稱為快速SCR反應，其反應速率比標準SCR反應更迅速[4-5]。

1.2 實驗發動機和實驗方案

本次實驗研究采用目前在用的YC4F115-40高壓共軌柴油發動機進行SCR系統的臺架實驗，其柴油發動機的參數如表1所示，圖1是發動機臺架實驗的整體示意圖。

1.3 負荷特性下NOx的排放濃度

為了進一步驗證Urea-SCR系統對發動機尾氣氮氧化物的凈化效果，實驗通過對原機和加裝Urea-SCR后的柴油發動機進行了1700r/min負荷特性下氮氧化物NOx排放濃度的測量，測量結果見表2，并依據相關實驗數據做出NOx排放濃度變化曲線圖，如圖2所示。

從實驗數據表明，Urea-SCR系統在轉速為1700r/min運轉工況下對柴油機尾氣中的NOx的凈化效果顯著，發動機穩定運轉后排氣中的NOx濃度降至300ppm左右，從表2可以看出，其NOx轉化率可達到75%左右，符合國Ⅳ的排放法規。由于新實施的國Ⅴ的排放法規對NOx的排放限值更為嚴格，僅靠單一的后處理裝置已經不能滿足新的排放法規。

2 ?DOC/POC/SCR組合后處理系統的實驗研究

面對日益嚴格的排放法規，本研究針對在用共軌柴油機不能達到國Ⅴ排放法規的現狀開發了一套DOC/POC/SCR后處理系統，采用該后處理系統對發動機改動小，成本低具有很好的燃油經濟性，非常適合針對在用高壓共軌柴油機國Ⅳ升級國Ⅴ的技術改造[6]。

2.1 組合后處理系統的技術原理

DOC首先可以降低柴油車尾氣中的CO和HC，并且可以將尾氣中的NO氧化成NO2，隨后NO2進入POC后處理裝置，NO2相比O2具有更強的氧化性，在催化劑的作用下，NO2分子鍵斷裂與尾氣中碳原子生成無毒無害的CO2，進而去除尾氣中的顆粒物，并且提高了進入SCR后處理裝置中NO2的濃度。通過SCR的反應機理可以看出，NO2可以促使氮氧化物進行快速SCR反應，進而提高NOx的反應效率，進一步降低尾氣中氮氧化物的濃度[7-9]。

2.2 ESC循環測試實驗

本實驗根據我國最新的《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）》標準，采用ESC測試循環并對相應的13個工況點進行發動機的臺架實驗[10]。

ESC是指歐洲穩態測試循環，ESC測試循環具體包括和A、B、C三個轉速相對應的四個不同負荷點以及一個怠速點共13個發動機運轉工況，其中三個轉速的計算公式如下：

計算公式中n1代表柴油發動機在低于額定轉速且功率為50%額定功率的外特性曲線上相對應的轉速，nh代表柴油發動機高于額定轉速且功率為70%額定功率的外特性曲線上相對應的轉速。發動機臺架實驗中ESC測試循環工況參數如表3所示。

嚴格按照國標中的尾氣測量方法，首先采用ESC測試循環對實驗中柴油發動機原機進行氮氧化物NOx排放濃度測試，然后在加裝DOC/POC/SCR后處理系統后，在相同的實驗條件下再次對尾氣中的氮氧化物NOx排放濃度的進行測試，先將柴油機調整到一穩定工況，待其穩定后開啟計量噴射泵的控制開關，采用AVL五組份尾氣分析儀對DOC/POC/SCR后處理系統中氣體成分進行測量，依次對13個不同的工況進行數據采集[11]，并繪制發動機的NOx排放濃度圖3和NOx轉化率的變化曲線圖4。

從NOx排放濃度的變化曲線以及NOx轉化率的變化曲線可以清楚的表明，本研究所采用的DOC/POC/SCR組合后處理系統，相比于單一的Urea-SCR系統凈化效果更加明顯，排氣中的CO和HC經凈化后滿足國Ⅴ的排放限值，NOx排放濃度基本穩定在180ppm，其NOx的轉化率也穩定在85%左右，滿足共軌柴油機從國Ⅳ到國Ⅴ的技術升級。

3 ?結論

①采用單一的Urea-SCR后處理系統，共軌柴油機排氣中的NOx濃度降至300ppm左右，轉化率可達到75%僅能滿足國Ⅳ的排放法規。②采用本文提出的DOC/POC/SCR后處理系統后，共軌柴油機排氣中的NOx濃度降至180ppm左右，轉化率可達到85%滿足國Ⅴ的排放法規，最終完成對在用共軌柴油機后處理系統的技術升級。

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