后處理封裝總成離線測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

張希杰，解家報(bào)，李 嵩，張建華

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

隨著汽車保有量迅速增加，汽車排放中的NOx污染問題愈加嚴(yán)重，為了限制排放，降低環(huán)境污染，我國(guó)制定了一系列汽車污染物排放法規(guī)。2017 年5 月實(shí)施的GB17691-2015《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)三、四、五階段）》中規(guī)定第三、四、五階段的NOx排放限值分別是5.0 g/kW·h、3.5 g/kW·h、2.0 g/kW·h。2018 年6 月發(fā)布GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》規(guī)定在WHSC 工況下壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)車輛NOx排放限值為0.4 g/kW·h。WHTC 瞬態(tài)循環(huán)工況下NOx排放限值為0.46 g/kW·h，NOx排放大幅降低，并且增加了PN 數(shù)量的限制。為了滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，NOx排放控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于柴油車[1]。控制技術(shù)主要有3種：（1）改善燃油品質(zhì)以減少NOx的生成；（2）機(jī)內(nèi)凈化，即通過改造柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及控制邏輯，優(yōu)化燃燒，減少NOx的生成；（3）機(jī)外凈化，即通過在柴油機(jī)后加裝后處理以降低NOx排放。現(xiàn)階段我國(guó)大多數(shù)柴油機(jī)采用這三種技術(shù)靈活組合的方式優(yōu)化排放，其中選擇性催化還原技術(shù)是不可或缺的一部分[2]。

車用選擇性催化還原技術(shù)（簡(jiǎn)稱SCR 系統(tǒng)），是目前較為成熟的重型柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)，它可使柴油機(jī)在滿足嚴(yán)格排放法規(guī)的同時(shí)，仍具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，已在國(guó)內(nèi)外重卡市場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。SCR系統(tǒng)一般由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、DCU、尿素箱、尿素泵、尿素噴嘴、后處理封裝總成及相關(guān)傳感器等組成。其中后處理封裝總成是SCR 系統(tǒng)的核心部件，由氧化型催化器（DOC）、顆粒過濾器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR）三部分組成，DOC 的主要作用是催化氧化柴油機(jī)尾氣中的有害物質(zhì)，DPF 是比較好的降低排氣中碳煙顆粒的方法，SCR 利用催化劑和NH3將尾氣中的NOx化物轉(zhuǎn)化成氮?dú)夂退甗3]。三者相互協(xié)同，對(duì)柴油機(jī)SCR 系統(tǒng)的排放性能起決定性作用。

1 后處理封裝總成試驗(yàn)方法

目前DOC-DPF-SCR 系統(tǒng)開發(fā)，一般利用小樣試驗(yàn)臺(tái)對(duì)催化劑性能進(jìn)行初步測(cè)試，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行封裝總成的開發(fā)標(biāo)定等工作。

1.1 基于小樣試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

取DOC、DPF、SCR 小樣，制成直徑2 cm 左右的圓柱形，置于石英玻璃管內(nèi)，通過加熱爐控制溫度恒定，通入一定濃度、空速的混合氣模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣，在系統(tǒng)出口布置氣體分析儀測(cè)試出口的氣體的濃度。該方法可以通過研究催化劑小樣的性能，判斷DOC、DPF、SCR 的性能，以及封裝總成的性能[4]，但是對(duì)于后處理混合器、噴嘴、傳感器等的性能無法進(jìn)行有效評(píng)估。某廠家催化劑小樣試驗(yàn)臺(tái)（圖1）。該試驗(yàn)臺(tái)集成度較高，把氣體輸送管路、反應(yīng)裝置、采樣測(cè)試裝置等都集成到了一起。

圖1 催化劑小樣試驗(yàn)臺(tái)

1.2 基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)

目前后處理封裝總成性能測(cè)試主要的測(cè)試手段是基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)。該方法借助發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)、油耗儀、進(jìn)氣空調(diào)、中冷器、水溫控設(shè)備等多種設(shè)備組合而成。試驗(yàn)前需要進(jìn)行大量準(zhǔn)備工作，且不同后處理催化消音器需要不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，占用較多試驗(yàn)資源。試驗(yàn)結(jié)果可信度高，但是由于測(cè)試周期長(zhǎng)、集成設(shè)備多，試驗(yàn)一致性較難控制。圖2 是一種典型的國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)，后處理總成布置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣尾管后面。

從試驗(yàn)過程及方法對(duì)比來看，兩種方法優(yōu)劣勢(shì)較明顯。后處理封裝總成排放試驗(yàn)結(jié)果跟DOC、DPF、SCR、封裝過程控制息息相關(guān)。在樣件批量驗(yàn)證或批產(chǎn)后，可以開發(fā)一種快速有效的離線試驗(yàn)方法，用來替代發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)對(duì)后處理進(jìn)行性能檢測(cè)、質(zhì)量控制及一致性驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的后處理封裝總成離線試驗(yàn)裝置，不需要發(fā)動(dòng)機(jī)及臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)，通過模擬產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)特定工況下的尾氣，用來進(jìn)行后處理封裝總成的性能試驗(yàn)，一套裝置可以覆蓋不同排量“國(guó)六”后處理催化消音器試驗(yàn)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)一致性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，系統(tǒng)調(diào)試簡(jiǎn)單穩(wěn)定，成本低，可以靈活滿足各種試驗(yàn)需求，有效縮短開發(fā)周期。具體方案如下：

該試驗(yàn)系統(tǒng)由控制單元、進(jìn)氣系統(tǒng)、硝基甲烷噴射系統(tǒng)、混合器及熄焰裝置、尿素噴射系統(tǒng)、背壓調(diào)節(jié)裝置、測(cè)試裝置、尾氣處理裝置、進(jìn)氣流量計(jì)、NOx傳感器及溫度傳感器等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

新鮮空氣由空氣凈化器過濾，進(jìn)入風(fēng)機(jī)，經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓、加速后通過進(jìn)氣流量計(jì)。主控制器根據(jù)流量計(jì)反饋的信號(hào)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)指定的進(jìn)氣流量。氣體進(jìn)入燃燒器以后，與燃料混合點(diǎn)燃，控制器根據(jù)催化消音器前溫度傳感器檢測(cè)溫度，控制燃燒器，保證氣體達(dá)到指定溫度。

NOx作為一種常見的大氣污染物，本質(zhì)上有兩類產(chǎn)生途徑，一類是由空氣中的氮?dú)獗谎趸桑硪活愑扇剂现械牡卦谌紵^程中經(jīng)過復(fù)雜轉(zhuǎn)化生成。硝基烷烴是一類具有代表性的含氮燃料，硝基甲烷（CH3-NO2）是最簡(jiǎn)單的硝基烷烴，熱解產(chǎn)物相對(duì)容易控制，常溫下為無色油狀液體，略有刺激性氣味，燃燒易于分解生成氮氧化物，氮元素轉(zhuǎn)化為氮氧化物的比例在90%左右，是一種較為理想的氮氧化物制備物質(zhì)。可以利用這一特點(diǎn)，采用噴嘴噴射+燃燒方式生成氮氧化物。

硝基甲烷反應(yīng)：

排氣中NO 濃度計(jì)算方法：

式中：MCH3NO2為排氣中CH3NO2的質(zhì)量流量（mg/s）；ConcNO為排氣中NO 體積濃度（ppm）；Gexh 為排氣流量（kg/h）。

將硝基甲烷通過噴射系統(tǒng)噴射到燃燒器后面的管路中，在管路中燃燒生成NOx，控制單元根據(jù)上游氮氧傳感器反饋值，控制硝基甲烷噴射量，保證NOx達(dá)到指定濃度。燃燒的氣體經(jīng)由混合器充分混合后，通過熄焰裝置熄滅火焰，形成滿足要求的廢氣。廢氣經(jīng)由催化消音器處理后排出，下游NOx傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氮氧濃度。

尿素噴射系統(tǒng)根據(jù)需求指定尿素噴射量或通過控制單元閉環(huán)控制。背壓閥、壓力傳感器閉環(huán)調(diào)節(jié)排氣背壓，催化消音器上布置四個(gè)溫度傳感器及反饋通道，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣件狀態(tài)，滿足不同試驗(yàn)需求。

該系統(tǒng)可以模擬完成發(fā)動(dòng)機(jī)特定運(yùn)行工況的試驗(yàn)任務(wù)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)靈活方便。以后處理開發(fā)的基本試驗(yàn)——氮氧轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)為例，先根據(jù)試驗(yàn)需求選取特定工況的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)作為輸入，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的排溫、廢氣流量、NOx濃度、尿素噴射量等，然后對(duì)催化消音器上、下游氮氧、溫度、背壓等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及閉環(huán)控制，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動(dòng)得出氮氧轉(zhuǎn)化效率。

試驗(yàn)時(shí)尿素噴射量根據(jù)廢氣流量、NOx濃度、氨氮比綜合確定，下游NOx濃度穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，氮氧轉(zhuǎn)化效率根據(jù)上游NOx濃度和下游NOx濃度計(jì)算獲得，計(jì)算式為：

系統(tǒng)控制流程圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)流程圖

3 WHSC 模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

WHSC 是GB17691 重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法中規(guī)定的世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)，用于驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)匹配后處理系統(tǒng)是否滿足排放法規(guī)要求，是后處理封裝總成的關(guān)鍵放行試驗(yàn)。認(rèn)證試驗(yàn)要求必須在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。但是可以利用該離線試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，用于排放摸底、一致性驗(yàn)證、批產(chǎn)后的排放驗(yàn)證、質(zhì)量檢驗(yàn)放行等，簡(jiǎn)單高效。

WHSC 測(cè)試循環(huán)包括12 個(gè)不同工況點(diǎn)，其中包含了5 個(gè)不同最大凈功率、5 個(gè)不同轉(zhuǎn)速和2 種不同的怠速工況，各個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的扭矩也有不同。試驗(yàn)系統(tǒng)以臺(tái)架采集發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的廢氣流量、排溫、入口NOx濃度、尿素噴射量等作為輸入，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程數(shù)據(jù)，出口NOx作為最終結(jié)果。試驗(yàn)中使用相同型號(hào)的后處理封裝總成，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如下：

3.1 模擬過程與臺(tái)架實(shí)際過程對(duì)比

以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架采集的WHSC 循環(huán)過程參數(shù)為基準(zhǔn)，與離線裝置的控制過程對(duì)比，廢氣流量、排溫、入口NOx、尿素噴射量等參數(shù)控制相對(duì)穩(wěn)定且差異不大，SCR 入口溫度偏差較大，與試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度控制不同有關(guān)。從試驗(yàn)結(jié)果看出，后處理封裝總成離線測(cè)試系統(tǒng)可以有效模擬臺(tái)架實(shí)際運(yùn)行過程，見圖5。

3.2 兩次WHSC 過程對(duì)比

對(duì)同一樣件相繼進(jìn)行兩次WHSC 模擬循環(huán)，廢氣流量、后處理封裝總成入口溫度、尿素噴射量、入口NOx等對(duì)比可以看出，封裝總成離線測(cè)試系統(tǒng)能夠保持較好的一致性，見圖6。

圖6 兩次WHSC 過程數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

一種后處理封裝總成的離線測(cè)試系統(tǒng)，利用硝基甲烷燃燒產(chǎn)生NOx，并通過混合器與燃燒尾氣充分混合，解決燃燒器普通燃燒過程難以產(chǎn)生NOx的問題；采用NOx傳感器信號(hào)反饋高精度閉環(huán)控制進(jìn)氣中的NOx濃度；進(jìn)氣流量、溫度等變量同樣閉環(huán)控制，確保產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的廢氣。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠有效模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并具有較好的一致性。可以用于后處理排放摸底、一致性驗(yàn)證、批產(chǎn)后的排放驗(yàn)證、質(zhì)量檢驗(yàn)放行等。相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)，更加靈活、方便、使用成本低。