SCR和EGR聯合控制下NOx減排效果分析

彭美春，陳越，鄒康聰，黃文偉

(1.廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006；2.深圳職業技術學院汽車與交通學院，廣東 深圳 518055 )

國家生態環境部2019年發布的《中國移動源環境管理年報》[1]顯示，重型柴油貨車占汽車保有量的2.96%，其NOx排放占汽車NOx總排放量的57.8%。SCR與EGR技術是降低柴油機NOx排放的有效技術，但低速、低排氣溫度下SCR對NOx凈化效率不高，高速、高負荷下EGR對NOx生成的抑制效果受限于EGR率,為了兼顧動力性，一般不采用過高的EGR率。

彭美春等[2]采用車載測試技術分析了配備SCR的柴油貨車道路運行NOx排放特性，發現排氣溫度高于150 ℃時SCR開始對NOx發生催化還原凈化作用。Kanok Boriboonsomsin等[3]研究了不同載體的SCR工作溫度范圍與NOx轉化效率的關系，結果顯示，銅基SCR工作溫度范圍為225～350 ℃，鐵基為350～575 ℃，銅基SCR在200 ℃下約有77%的NOx轉化效率，鐵基只有27%。袁帥等[4]仿真分析了EGR率對柴油機性能的影響，發現高負荷工況NOx排放高，40%的EGR率才能有效抑制NOx的排放，中等負荷工況下取30%的EGR率可平衡排放與經濟性和動力性，小負荷工況下NOx排放低，取20%的EGR率即可。

目前，采用臺架試驗研究EGR和SCR對柴油發動機NOx排放控制效果的成果較多。臺架試驗工況與車輛實際道路運行工況有較大差異，導致兩者NOx排放結果有較大差異。單獨分析SCR或EGR控制NOx排放的研究成果較多，報道SCR與EGR聯合控制的較少，其原因是國Ⅴ以前的車輛單獨配置SCR或者EGR即可達到排放標準限值要求。為滿足不斷嚴格的排放標準，平衡實際道路運行工況下的NOx排放與能耗水平及動力性能，EGR與SCR聯合精確控制非常必要，目前尚少見該方面研究成果報道。

本研究以一款配置EGR和SCR排放控制系統的國Ⅵ排放標準重型柴油貨車為對象，應用PEMS系統(Portable Emission Measurement System)開展車輛實際道路運行排放測試，采集瞬時NOx排放體積分數、車輛速度、SCR出口溫度、發動機轉速與負荷等數據，分析實際道路行駛工況、排氣溫度對NOx排放的影響，分析 EGR和SCR分別對NOx的減排效果以及兩者聯合使用的綜合控制效果。

1 車載測試方案

1.1 試驗車輛與試驗路線

試驗車輛為1臺國Ⅵa排放標準的重型柴油廂式貨車，配置EGR和SCR等排放控制技術，車輛主要技術信息見表1。

表1 試驗樣車主要技術參數

根據GB 17691—2018 《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[5]中實際行駛排放(Reality Driving Emission,RDE)車載測試要求，對試驗車輛進行配重，包括配重、測試設備、試驗人員在內的載質量約為車輛標定載質量的50%。 按GB 17691—2018中RDE試驗路線的要求，選取如圖1所示的測試線路,起點為深圳市區同沙路，終點為沿江高速的廣州黃埔收費站，跨越深圳、東莞、廣州三地，包含市區、高速及模擬郊區車速路段，體現珠三角城市間貨運運行特點。

圖1 測試路線

試驗起始路段為市區路況，為深圳南山區同沙路到沿江高速前海收費站之間的市內道路，自西北向東南方向行駛；接著是模擬市郊路況，位于深圳市與東莞市行政區范圍之間，運行路段為沿江高速北上前海收費站與東莞虎門鎮之間的廣深沿江高速道路，控制車速在要求的RDE測試市郊路段車速范圍內；最后是高速路況，位于東莞與廣州兩個行政區間沿江高速北上東莞虎門鎮行駛至廣州黃埔收費站路段。

1.2 測試設備

試驗使用的車載排放測試設備是Sensors SEMTECH-ECOSTAR氣體排放測量系統、SEMTECH-CPN顆粒物數量車載測量裝置，主要包括排氣分析儀、粒子數測試儀、采樣管、尾氣流量計、OBD讀取裝置、環境溫濕度計、GPS系統和供電控制中心模塊等。采用不分光紅外法NDIR測量CO，CO2的體積分數，采用非分散紫外分析法NDUV測量NO，NO2的體積分數，采用凝結核粒子計數法(Condensation Particle Count, CPC)原理測量顆粒物的數量。OBD系統讀取發動機轉速、負荷、進氣流量、廢氣再循環流量等。GPS系統測試車輛地理位置、車速。尾氣流量管中安置了排氣流量、排氣溫度傳感器。PEMS測試設備在試驗車輛上安裝示意見圖2。本研究主要分析排放控制技術對NOx的減排效果，故只針對NOx排放數據進行分析。

圖2 車載測試設備安裝示意

1.3 試驗方案

為分析SCR和EGR排放控制技術對NOx排放的控制效果，探究SCR與EGR聯合控制策略，設計了3種試驗方案。方案1車輛配置有EGR+SCR，如圖2中①所示，排氣流過EGR和SCR，再進入排氣采樣系統；方案2車輛配置EGR，不配置SCR，如圖2中②所示，排氣流過EGR，不流過SCR，進入排氣采樣系統；方案3無EGR和SCR，即無排放控制裝置，如圖2中③所示，排氣離開發動機后直接進入測試采樣系統。如此形成3種排放控制技術配置方案，即SCR+EGR、單獨EGR(簡稱EGR)、無排放控制技術的原機(簡稱原機，或無)，分別開展RDE車載排放試驗。

2 試驗結果分析與討論

2.1 運行工況對原機NOx排放的影響

無排放控制裝置的原機試驗中，車輛NOx排放體積分數與發動機轉速、負荷的關系見圖3，NOx排放隨車輛速度、加速度的變化見圖4。

圖3 NOx排放隨發動機轉速和負荷的變化

圖4 NOx排放隨車速和加速度的變化

從圖3可以看出，發動機轉速越高，負荷越大，NOx排放體積分數也越大。這是因為轉速越高、負荷越大，發動機噴油量越多，燃燒溫度越高，有利于NOx生成。從圖4可以看到，NOx高排放區主要集中在高車速與大的加速區間，速度越高、加速度越大，NOx排放越多，這是因為車輛高速、高加速時，需要輸出更大的功率來維持動力，發動機噴油量增加，燃燒溫度升高，使得NOx生成量增多，排放量增加。

2.2 排放控制技術與車速對NOx排放的影響

以10 km/h作為速度區間長度，每個速度區間的中間值作為參考值，得到分別配置SCR，EGR，EGR+SCR和無排放控制裝置4種情形下的NOx排放體積分數隨車速變化的關系(見圖5)，其中單SCR下的排放是基于EGR+SCR與單EGR兩組測試方案下的數據計算而得。速度大于85 km/h工況點占比較少，故略去不進行分析。

圖5 NOx排放隨車速的變化

由圖5可見，原機的NOx排放體積分數隨車速的增加呈現增加的趨勢。車速大于45 km/h，NOx排放隨車速增加而增加的幅度急劇增大，原因是車速越高，行駛阻力越大，發動機為滿足車輛行駛的動力性需要的噴油量增多，燃燒溫度升高，故NOx生成量大幅增加。

配置SCR和EGR排放控制裝置的NOx排放體積分數明顯較無排放控制裝置的低，其中配置SCR+EGR的最低。速度高于40 km/h時，隨著速度的增加NOx排放體積分數呈現下降的趨勢，高速區NOx排放體積分數低于低速區，其原因是排放控制技術發揮了凈化作用。對于降低NOx排放的效果，SCR總體優于EGR，尤其在高速工況下；EGR+SCR降低NOx排放的效果又優于單獨的SCR或EGR。

研究結果表明，高速區SCR凈化效果最明顯，低速區EGR和SCR也有降低NOx排放的效果。因此，在RDE測試車速范圍內，EGR和SCR技術均有降低NOx排放效果。

2.3 不同路況下排放控制技術對NOx排放的影響

根據GB 17691—2018車載排放測試的規定，依車速將行駛路線區域劃分為市區、市郊、高速3種。第一個出現車速超過55 km/h的短行程記為市郊的開始，第一個出現速度超過75 km/h的短行程記為高速的開始，市區的平均車速在15～30 km/h，市郊的平均車速在45～70 km/h，高速路況的平均車速大于70 km/h。統計出的測試車輛3種路況區域下NOx平均排放體積分數見圖6。

圖6 不同路況區域下NOx排放

由圖6可見，市郊與高速路況下原機的NOx排放高于市區，符合車速升高發動機循環噴油量增大，燃燒溫度高，NOx生成量增多的機理。

在配置EGR時，市郊路況下的NOx排放最高，其次是高速路況。該狀況下決定NOx排放的除發動機運行工況外，還有EGR對NOx生成的抑制效果，其與EGR率大小相關。

同時配置EGR和SCR的情況下，市區工況的NOx排放體積分數最高，市郊次之，高速工況最低。該狀況下決定NOx排放的既有發動機運行工況，也有EGR缸內抑制NOx生成的作用，更有SCR對排氣中NOx的催化還原作用。SCR對NOx的催化還原反應需要在合適的工作溫度下進行，市區路況下運行的發動機排氣溫度較低，SCR對NOx催化還原效率不夠高，市郊、高速車速增加，排氣溫度升高，SCR對NOx催化還原效率明顯增大。

圖7示出了3種路況區域下，不同排放控制技術下的NOx降低率。EGR降低率是基于EGR配置方案和原機方案下的測試數據計算所得，EGR+SCR降低率是基于EGR+SCR配置方案和原機方案下測試數據計算所得，SCR降低率是基于EGR+SCR下降低率與EGR降低率計算所得。由圖7可見，EGR的降低率為16%～42%，SCR降低率為51%～82%，EGR+SCR的降低率為92%～99%。可見，EGR與SCR聯合控制將實現全路況下很低的NOx排放。由圖可見，EGR對NOx的降低率在市區路況下最大，高速次之，市郊最低；SCR對NOx的降低率在市郊最高，高速次之，市區最低。EGR和SCR聯合控制下的NOx降低率在高速和市郊工況下相差不大，市區工況最小，這與市區工況NOx排放低于市郊和高速工況的情形相匹配。

圖7 不同路況下EGR和SCR對NOx的降低率

2.4 EGR率對NOx排放的影響

為探究EGR對NOx排放的控制規律，統計了配置EGR控制裝置試驗方案下測試車輛EGR率隨著車速、加速度的分布(見圖8)。

圖8 基于車速、加速度的EGR率分布

從圖8可以看出，0～50 km/h、高于70 km/h的減速區間EGR率較高，在28%～38%占比較多；高加速度區間EGR率最低，在10%以下；50～65 km/h的中速區間內EGR率較低，在25%以下。該EGR率分布情況與圖7所示市區、郊區、高速3種路況下EGR對NOx的降低率結果基本對應，也反映了EGR控制策略。高加速區間為了不影響車輛的動力性和經濟性，不宜采用較大的EGR率。市區工況車輛行駛速度低，排氣溫度較低，SCR活性較低，為了控制NOx排放需采用較大的EGR率來降低NOx的排放。市郊工況中等車速，排氣溫度處在SCR催化還原的最佳工作溫度范圍內，SCR的催化還原效果最佳，為了實現動力性、經濟性與排放性能綜合優化，采用較小的EGR率協同SCR的控制策略。高速工況下車輛排氣溫度可能超出SCR催化還原的最佳工作溫度的范圍[3]，使得SCR的凈化效果稍有降低，為了滿足嚴格的排放標準，同時不影響高速時車輛的動力性和經濟性，此時需要適當提高EGR率來協同SCR使得NOx排放降低。

NOx排放隨EGR率的變化見圖9。隨EGR率增大，NOx排放體積分數降低，EGR率大于35%時，EGR率的增大對降低NOx排放效果不明顯。

圖9 NOx排放體積分數隨EGR率的變化

2.5 排氣溫度對SCR凈化NOx排放的影響

根據張傳霞[6]、唐韜[7]等對柴油機SCR系統催化劑溫度場進行研究的結果，穩態工況下，SCR入口溫度與SCR出口溫度差別不大，故本研究選取SCR出口溫度代表排氣溫度，分析排氣溫度與SCR對NOx凈化效果的影響。以25 ℃為溫度間隔，得到每個溫度區間的時間占比分布情況(見圖10)。由圖10可見，測試車輛排氣溫度區間主要分布在200～350 ℃之間。

圖10 排氣溫度時間占比

圖11示出了配置SCR+EGR控制裝置下測試車輛NOx排放隨排氣溫度的變化。可以看到NOx排放體積分數隨著排氣溫度的增加總體呈降低趨勢，其原因是排溫升高，SCR活性增大，對NOx的凈化效率增大。但排氣溫度高于350 ℃時，NOx排放體積分數隨溫度升高反而升高。Kanok Boriboonsomsin[3]等在對配備SCR的重型柴油車道路運行實際排氣溫度分布的研究中發現，以銅基為載體的SCR最佳入口溫度是200～350 ℃，其結論與本研究結果相符，溫度高于350 ℃時，超出了SCR最佳溫度范圍，尿素經熱解和水解分解出的NH3與NOx反應的敏感度要遠低于與O2反應的敏感度，導致SCR的活性明顯降低，故導致NOx的排放呈現出升高的趨勢。

圖11 NOx排放隨排氣溫度的變化

由圖5和圖6可見，原機NOx排放隨車速增大而增大，在匹配SCR+EGR控制技術情形下，NOx排放隨車速增大而降低。圖8顯示市區EGR率高于市郊與高速工況。總之，NOx減排主要依賴SCR，市區車速低、排氣溫度低、SCR的活性低，導致市區NOx減排率不高。

3 結論

a) SCR對NOx的凈化率在51%～82%之間；當溫度低于350 ℃時，排氣溫度升高，SCR對NOx凈化效果加強，當溫度在200～350 ℃時，SCR對NOx轉化率最高，當溫度高于350 ℃時，SCR對NOx凈化效果有所下降；

b) EGR對NOx排放的降低率在16%～42%，EGR率增大，NOx排放降低；EGR率在低速區較高，EGR率在28%～38%占比較多，中等車速區EGR率低于25%，高加速區間在10%以下；

c) EGR+SCR對NOx排放的降低率在92%～99%；配置EGR+SCR，NOx排放隨車速的增加而下降。