DOC氣態污染物轉化率影響因素研究

程曉章, 朱博文, 王 浩, 常嘯天, 邢曉通

(合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009)

柴油機在商業交通運輸中扮演著不可或缺的角色,因其具有良好的動力性、燃油經濟性和可靠性而被廣泛用于國內外大型車輛和重型機械中[1]。但與汽油機相比,柴油機排放的尾氣因成分復雜、排放量大、污染嚴重等特點而難以得到有效的控制。隨著“國六”排放法規于2019年7月1日正式實施,對柴油機車尾氣污染物排放也提出了更為嚴格的要求[2]。

通過對柴油機采取優化設計和缸內凈化措施等方式已經很難滿足尾氣排放達到“國六”法規的要求[3]，因此,需對柴油機加裝排氣后處理裝置來大幅降低污染物排放。在“國六”階段,常見的柴油機排氣后處理裝置主要包括氧化型催化轉換器(diesel oxidation catalyst,DOC)、催化型顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)和選擇性催化還原器(selective catalystic reduction,SCR)[4-6]。DOC作為柴油機車上應用最廣泛、結構最簡單的排氣后處理裝置,主要有以下作用:一方面能氧化排氣中HC、CO、顆粒物中的SOF以及刺激性氣味,將它們氧化成水和CO2,同時氧化氣缸內二次噴油中未燃燒的HC和CO,加熱排氣,提高下游DPF再生效率;另一方面可以把NO氧化成NO2,為連續地進行DPF上的碳煙再生和提高NOx催化器轉化效率提供保證[7]。

目前,針對DOC國內外已經開展了廣泛的研究。文獻[8]研究了DOC對尾氣排放中HC、CO、NOx的影響,證明DOC能大幅降低尾氣中HC、CO的排放,但對NOx排放影響不大;文獻[9]著重分析了氧化型顆粒物催化轉化器(particulate oxidation catalyst,POC)在凈化氣體排放方面的效果和局限性;文獻[10-11]通過試驗證明了 DOC對 CO、HC有明顯的凈化功能,同時能為后級的DPF提供必要的NO2生成準備;文獻[12-14]從DOC、POC和DPF的工作原理和化學反應進程上,闡述了相關組合對 NOx和顆粒在凈化方面的使用潛力。

本文基于GT-POWER軟件建立DOC氣態污染物排放化學反應模型,探討DOC在不同進氣量和不同溫度的情況下對氣態污染物排放的影響,同時進行試驗驗證,為國六標準下后處理系統的開發與設計提供一定的參考。

1 DOC系統建模

1.1 模型假設條件

根據已知的DOC參數和相應的化學動力模型在GT-POWER軟件上進行建模。為了降低模型的復雜度,在滿足計算精度要求的情況下對系統進行如下假設:

(1) 所有氣體均可視為理想氣體,各氣體的狀態參數(比熱容C、內能U等)僅是溫度T的函數。

(2) 各個管路、氣缸、閥門等零件均視為剛體,且密封性良好。

(3) 氣體在模型中的流動可看成穩定流動過程。

(4) 系統的外界環境為恒溫、恒壓,這里分別設為25 ℃、101 kPa。

(5) 由于氣體流速較小,將其視為不可壓縮流體。

1.2 化學反應模型

柴油機尾氣中的氣體污染物主要包括CO、NOx和HC。其中,HC成分繁多,生成機理復雜。由文獻[15]研究可知,DOC中HC可看成2種成分組成:C3H6是HC中唯一一種對NOx具有還原作用的成分,用它表示部分氧化的HC;DF(C14.6H24.8)對NOx不具有任何還原作用,用它來表示未燃燒的燃料。

DOC模型中的化學反應主要包括HC、NO、CO的氧化反應以及NO2的分解反應、CO與NO2之間的反應,即

(1)

(2)

(5)

(3)

(4)

由Arrhenius方程可以計算各反應速率常數,即

k=Ae-E/RT

其中:A為指前因子;E為反應活化能;R為摩爾氣體常數;T為反應溫度。

根據Sampara和Bissett[16]的試驗研究得出各反應相關參數,見表1所列。

表1 化學反應參數

本文所用的DOC特征參數見表2所列。其中,DOC采用蜂窩堇青石陶瓷載體。

表2 DOC特征參數

建立DOC的一維模型,該模型主要由DOC進氣環境、排氣環境、連接管路及閥門、DOC主體、監測模塊、表面反應模塊等部分組成。

2 試驗布置及模型驗證

2.1 試驗布置

發動機參數見表3所列,采用的是直列、增壓中冷、高壓共軌的柴油發動機。在DOC入口處和出口處分別布置溫度傳感器、壓力傳感器和氣體分析儀,通過調節發動機的轉矩和轉速來控制進氣量和進氣溫度，以達到試驗工況的要求。

表3 發動機參數

臺架主要測試設備見表4所列。

表4 臺架測試設備

臺架布置如圖1所示。

圖1 臺架布置示意圖

試驗中,進氣量穩定在300、600 、1 000 kg/h 3個工況點,在這3個工況點中,均以30 ℃的溫度梯度調節進氣溫度處在180～550 ℃之間,因為進氣流量1 000 kg/h時溫度最低只能達到260 ℃,所以其最低溫度調節為260 ℃。采用MEXA-7500D氣體分析儀、溫度傳感器、壓力傳感器收集DOC入口以及出口處的CO、HC、NOx的質量分數以及進出口溫度和壓力,待發動機在各工況點穩定運轉時記錄試驗數據。因為DOC入口處NOx成分主要為NO,所以根據試驗數據計算CO、HC、NO的轉化效率。

2.2 壓降驗證

對上述所建立的模型進行穩態壓降試驗驗證,控制發動機的轉矩和轉速,保持進氣量為常量,進氣溫度逐漸由180 ℃上升至480 ℃,待發動及工況穩定后記錄DOC壓降。DOC壓降隨溫度變化的試驗值與模擬值對比如圖2所示。由圖2可知，在試驗工況內,模型壓降試驗值與模擬值誤差保持在5%范圍內,模型符合工程實際。

圖2 壓降試驗值與模擬值對比

3 結果及分析

3.1 不同進氣量下溫度對污染物轉化率的影響

GT-POWER設置的邊界條件見表5所列。

表5 各工況點邊界條件

根據已建好的模型進行仿真。將仿真結果與試驗數據對比,分別得到進氣量在300、600、1000 kg/h時,氣態污染物轉化效率隨DOC入口溫度變化的曲線,如圖3所示。

由圖4可知,進氣流量在300、600、1 000 kg/h時,DOC模型仿真值與試驗工況點計算值誤差很小,說明該模型值能準確預測不同進氣量下氣態污染物轉化率隨溫度的變化趨勢。

對于CO而言,在各進氣量下,DOC均能完全將其氧化為CO2。

對于HC而言,在各個進氣量和不同進氣溫度時,DOC均有很高的轉化率,且隨著進氣量的增大,HC轉化率略有下降(進氣量為300 kg/h時,轉化率在94%左右波動;進氣量為600 kg/h時,轉化率在90%左右波動;進氣量為1000 kg/h時,轉化率在88%左右波動)。對于NO而言,其轉化率對溫度的敏感度要高于HC和CO,在各進氣流量下,NO轉化率曲線近似可看成一個開口向下的二次曲線,剛開始隨入口溫度上升NO轉化率增大,當入口溫度增大至320 ℃左右時,NO轉化率達到最大值,約為60%,后來溫度再上升,NO轉化率會不斷下降,500 ℃時降至20%左右;這是由于NO的化學反應是可逆的,在低溫時NO不斷被氧化成NO2,當溫度上升至320 ℃后,逆向反應開始起作用,NO2分解成NO,使NO轉化率下降。

3.2 低溫下進氣量對污染物轉化率的影響

3.2.1 DOC模型計算

根據上述DOC模型,將DOC入口溫度設置為180 ℃,調節進氣量,使其隨時間增大而不斷增大,得出低溫下氣態污染物轉化效率曲線,研究低溫下進氣量對氣態污染物轉化效率的影響。模型仿真得到的低溫下氣態污染物轉化率曲線如圖4所示。

圖4 低溫下污染物轉化率

3.2.2 試驗驗證

通過調節發動機的轉矩和轉速來控制進氣溫度穩定在180 ℃,進氣量分別固定在300、600、1 000 kg/h,待發動機工況穩定后記錄數據,繪制污染物轉化率曲線,如圖5所示。

圖5 低溫下污染物排放試驗值

由圖5可知:在入口溫度為180 ℃時,CO基本能被完全氧化成CO2;隨著進氣量的增加,HC轉化率不斷降低,最終降至82%左右,NO轉化率顯著下降,最后降為0。

DOC入口溫度為180 ℃時,污染物轉化率試驗值與模擬計算值的對比如圖6所示。在進氣量試驗范圍內,CO、HC和NO轉化效率的試驗值與計算值在各工況點均吻合較好,最大誤差控制在5%以內。這表明本文建立的DOC模型能準確預測低溫下發動機臺架的排放情況。

圖6 低溫下污染物轉化率試驗值與計算值的對比

4 結 論

本文建立了DCO氣態污染物排放化學反應模型，研究了不同進氣量和不同溫度對DOC氣態污染物轉化中的影響，得到結論如下:

(1) 在進氣量為300、600、1 000 kg/h時,DOC能夠完全將CO氧化成CO2,同時在低溫條件下,DOC對CO的轉化率在99%以上。

(2) 在試驗溫度條件下,DOC對HC有很高的轉化率,隨著進氣量增大轉化率會略有下降。

(3) NO的轉化率曲線隨著溫度的增加呈先上升后下降的趨勢,當入口溫度為320 ℃左右時,NO轉化率達到最大值,約為60%。低溫條件下,NO轉化率隨著進氣量的增加將不斷下降,當進氣量達到700 kg/h時,NO不能被氧化。

(4) 為了使各種氣態污染物轉化率盡可能最大化,DOC入口溫度應控制在300～350 ℃,進氣量應控制在600 kg/h以下。