燃燒器改善柴油發動機排放的試驗

李常侃，王曉輝，何傳成，李明星

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 南寧 537000)

0 引言

根據生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報（2022 年）》，2021 年，我國道路柴油車產生的NOx和顆粒物排放分別占道路車輛NOx 和顆粒物排放總量的88.3%和99%以上，高效低排放柴油機關鍵技術開發是實現交通領域低碳環保目標的重要途徑[1]。

NOx 排放滿足NOx 超低排放的核心關鍵是控制低溫工況下NOx 的排放量[2]，提高催化劑在低溫區的NOx 轉化效率是實現超低排放的最重要技術途徑[3]。一方面尿素水解溫度限制了低溫轉化效率的進一步提升，另外一方面進一步提升低溫的轉化效率與催化器的特性造成高溫條件轉化效率的下降，難以兼顧。因此如何在高效發動機的情況下進一步提升排氣溫度為催化器提供理想的溫度窗口尤其關鍵[4]。

1 試驗裝置

以一臺某四缸車用柴油機為研究對象，基礎發動機滿足國6b 排放，發動機參數見表1。

表1 試驗發動機參數

圖1 為集成燃燒器裝置的系統方案簡圖。研究在原來DOC+DPF+SCR+ASC 的后處理裝置的基礎上，在DOC 和增壓器之間增加燃燒器裝置，燃燒器的控制信號接入發動機的ECU，通過ECU 來控制燃燒器的工作狀態，試驗過程中根據需要通過燃燒器的工作狀態對發動機的排氣進行加熱，提升排氣溫度。

圖1 集成方案簡圖

燃燒器由燃油噴嘴、點火棒、空氣輔助泵和反應器四大元件及控制單元構成。其控制接入發動機的ECU，實現與發動機的協同控制。通過在反應腔內實現柴油燃燒，對尾氣進行加熱。

2 研究方法

首先對基礎發動機的原始和尾排進行確認，確保原始狀態滿足國六b 排放要求。在此基礎上，通過在DOC 入口之前加裝燃燒器，燃燒器控制接入ECU，試驗過程的主要設備見表2。

表2 主要試驗設備列表

對國六法規的排放循環WHSC 和WHTC、WNTE三種循環比較發現，WHTC 的工況變化劇烈，溫度變化區間大，因此，主要對比燃燒器對WHTC 循環的原始排放和經過催化器的尾排進行對比，同時為了進一步研究該技在整車實際運行過程對排放的影響，選擇了排溫較低的環衛車的典型路譜進行排放對比，環衛車的運行特征和發動機運行工況特征如圖2 所示。在環衛車運行過程中，怠速工況占比較高，同時工況變化劇烈，后處理的載體溫度平均溫度較低。

圖2 環衛車典型路譜發動機運行工況特征

3 燃燒器對柴油機排放影響試驗

3.1 對原始排放的影響

在試驗過程中，通過對燃燒器的控制，保證在WHTC 循環過程中，燃燒器的工作狀態基于SCR 入口目標溫度350 ℃控制，根據排氣流量和當前排溫對噴射量進行控制，通過混合外界環境空氣實現在排氣管內燃燒放熱，對比燃燒器工作過程中，對SCR 催化器入口的溫度影響，從圖3 的對比可以發現，渦后溫度（增壓器出口）相同的條件，在燃燒器的介入工作下，SCR 催化器的入口溫度得到大幅度的提升。無燃燒器的情況下，SCR 床溫的最低溫度和176.25 ℃、最高溫度為332.75 ℃，WHTC 循環過程的平均排溫為245.71 ℃，通過在DOC 之前加裝燃燒器，SCR 床溫的最低溫度為218.75 ℃、最高溫度為423.50 ℃，WHTC循環過程的平均排溫為378.56 ℃，SCR 催化器的大幅度提升，使得SCR 處于高效的溫度區間，為實現超低NOx 排放提供基礎條件。

圖3 燃燒器對柴油機排溫影響對比圖

對比圖4 可以發現，在加裝燃燒器的前后，對NOx 排放基本無影響，這是由于燃燒器工作效率較低，即使少量的柴油在燃燒器中燃燒，溫度較低，產生的NOx 增量較少，對整體的NOx 原始排放影響較小。同時，圖4（b）和圖4（c）對比發現，CO 和HC 排放大幅度上升，這主要由于燃燒器工作中，燃油噴射壓力較低，即使在外接新鮮空氣輔助的情況下，燃油霧化不充分，其管路中的油氣混合不均勻，造成大量的CO排放，同時由于燃油撞壁等因素造成HC 的大幅度的上升。

圖4 燃燒器對柴油機原排影響對比圖

3.2 對尾排的影響

通過對WHTC 排放循環的尾排進行對比發現，如圖5 所示，NOx 排放在整個循環加裝燃燒器后，最大NOx 排放峰值由610 ppm 降低到11 ppm，基本實現0 排放，這主要由于通過燃燒器進行排氣進行加熱，快速加熱SCR 載體的床溫至350 ℃以上，并長時間維持高溫狀態，使SCR 催化器始終處于最高轉化效率區間，其效率接近100%。HC 和CO 排放相比原排均有大幅度的降低，但在循環開始的100 s 內，尤其燃燒器工作的滯后，排氣溫度提升需要一個過程，HC 排放在WHTC 循環的前100 s 還處于較高的水平。但總體排放物均處于較低水平，加裝燃燒器前后的排放物水平基本相當。

圖5 燃燒器對柴油機尾排影響對比圖

HTC 排放循環結果見表3。從表3 可以發現，在加裝燃燒器前后其排放物均滿足國六b 標準的法規限值要求，其NOx 排放具有滿足下一階段排放發箍的潛力，HC 和PN 數量由于燃燒器內柴油的燃燒，對尾排有一定的貢獻。CO2排放也同時有一定的上升，增加幅度大約為4.67%。

表3 WHTC 排放循環結果

3.3 對典型路譜的排放影響

從發動機臺架的驗證結果來看，實際WHTC 運行過程中的NOx 降低到比較低的水平，為了進一步驗證整車實際運行過程的NOx 排放情況，對整車的運行路譜進行整合提取，在臺架模擬整車的運行工況。從圖6 的結果展示來看，在前500 s，其SCR 催化器載體溫度低于200 ℃，此時未釋放燃燒器介入；500 s 后開始釋放燃燒器介入，在700 s 左右時基本達到控制的目標溫度350 ℃左右，NOx 尾排得到大幅度降低，在700 s 之后由于催化器的載體溫度始終處于SCR 高效區間，轉化效率較高，NOx 排放在10 ppm 之內。

圖6 環衛車典型路譜下排溫和排放

4 結論

開展燃燒器對柴油機發動機的原排和尾排的影響研究，結論如下：

（1）燃燒器對提升催化器的排溫有較大的幫助，通過基于目標溫度的控制，其排氣溫度得到大幅度的提升，在WHTC 循環過程中，按照目標SCR 載體床溫350 ℃控制，其平均溫度提升132.85 ℃。

（2）燃燒器對原始NOx 排放影響較大，但由于燃燒器內的燃油燃燒效率不高，產生大量的HC 和CO排放，但通過DOC+DPF+SCR+ASC 后處理裝置，后尾排仍然滿足國6b 排放標準，HC 排放有一定程度的上升。

（3）燃燒器對WHTC 循環的NOx 排放以及環衛車的典型路譜NOx 的排放均有顯著的影響，其NOx排放得到大幅度的降低，這主要由于通過燃燒器的工作使得SCR 催化器的床溫提升，促使SCR 催化器始終處于高效區間，NOx 結果具備滿足下階段排放標準的潛力。

（4）燃燒器需要一定的柴油燃燒提升排溫，由此造成尾排CO2升高。在WHTC 排放循環過程中CO2排放升高4.67%。因此在應用該技術的時候，需要對其控制邏輯進行優化，進一步研究在提升催化器載體床溫和CO2之間的平衡。