扈 静, 周 平, 刘 屹, 余 昳, 谢振凯

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

轻型柴油机国Ⅳ升国Ⅴ策略研究

扈 静, 周 平, 刘 屹, 余 昳, 谢振凯

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

为了满足国家标准中对轻型柴油机排放物的要求,文章对加装不同组合尾气后处理器的轻型柴油机进行了台架试验,并针对不同工况下氮氧化物(NOx)和碳烟等常规排放物的比排放量进行了分析研究。阐述了原机排气装置氮NOx和碳烟的排放问题,并对降低轻型柴油机尾气排放物的方法进行了研究;提出了加装柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和颗粒物氧化催化器(particulate oxidation catalyst,POC)的改进方法,并分析了该后处理器组合对发动机各种常规排放物的影响规律;提出了通过提高轨压、关闭废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)阀使回流率降低,并安装DOC和选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理器的改进方法。研究结果表明,改进后的轻型柴油车排放物标定值满足国Ⅴ标准,因此所设计的优化方法可行。

轻型柴油车;氮氧化物;颗粒物(PM);选择性催化还原(SCR);后处理系统

与汽油车相比，柴油车尾气中碳氢化合物、CO的排放量更低,是一种高效、节能且经济性能好的动力系统;同时,因其具有良好的燃油经济性、动力性以及耐久性等优点,在大功率车辆如大型客车、大型货车上得到广泛应用[1]。柴油机的CO、碳氢化合物排放较少,但氮氧化物(NOx)和颗粒物(particulate matter,PM)排放高,因此,对于轻型柴油机的排放改进性研究变得尤为重要[2]。

NOx在阳光的作用下会发生化学反应，生成臭氧、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物,增加低空大气中的臭氧浓度;而PM除了会使大气中悬浮颗粒增多、污染空气、影响能见度外,还会直接进入人的呼吸系统,对人体健康及环境造成极大的危害[3]。当前,解决柴油机对环境污染问题的首要任务就是降低NOx和PM的排放。针对全柴4B2-95C40轻型柴油机,本文进行了后处理系统优化方法的研究。

1 车用柴油机排放污染物现状

1.1 国内外排放技术路线

降低柴油机NOx排放的根本措施是机内净化。但是,在欧Ⅳ及以上排放法规颁布实施后,中国的油品升级问题亟待解决,因此仅依靠机内净化方式已不能达到标准[4]。

不同国家轻型柴油车升级的技术路线对比见表1所列。在欧洲、美国、日本等市场上,轻型柴油车普遍采用柴油颗粒过滤器(diesel particulate filter,DPF)技术降低PM排放。从欧Ⅳ到欧Ⅴ阶段,轻型柴油车采用废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)、优化燃烧等方式,可以不用安装NOx后处理装置,只采用柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和DPF即可满足排放法规要求[5]。

表1 轻型柴油车排放标准和技术路线选择

国内国Ⅲ升国Ⅳ的净化路线一般采用高压共轨结合中冷方式,调节EGR阀开度,并结合使用DOC和颗粒物氧化催化器(particulate oxidation catalyst,POC)装置去除PM、CO等污染物；而国Ⅳ升国Ⅴ的净化路线一般直接利用选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)去除排气中NOx等污染物[6]。需要注意的是,各国升级路线的不同与国情及油品问题密切相关。

当前国际上应用在柴油车排气净化上的一种较为成熟的技术是DOC。DOC主要是氧化除去排气中的CO、碳氢化合物以及PM中的轻组分，即有机可容成分(soluable organic fraction,SOF),此外,DOC的使用成本比DPF的低,因此具有较好的经济性和实用性。

氧化催化转化器一般包括壁流式的DPF和通流式的POC 2种。DPF的捕集效率一般为90%以上,而金属网状POC对于PM的捕集效率较低,一般仅能达到60%以上,它是通过特殊的载体结构使排气通过多褶皱不堵塞的通道,捕捉并氧化部分PM。与DPF、POC相比,金属网状POC孔壁更薄(约为0.03 mm),可保证低背压,同时机械强度高,有很好的导热率且启动快,不会造成烟灰或颗粒的阻塞,不需要主动再生设备,可表面涂覆催化剂,免维护;同时具有成本低、开发周期短、可靠性好以及无需复杂的标定过程等优点,更适合当前国内柴油机的发展及油品水平。因此,为满足国Ⅳ的排放法规要求,采用DOC加POC的方法是一种较为经济且适合国情的后处理方法。

1.2 轻型柴油机排放标准和测试方法

欧洲标准及国家标准均规定了3种试验工况,即欧洲稳态循环工况(European steady cycle,ESC)、负荷烟度试验工况(European load response test,ELR)、欧洲瞬态循环工况(European transient cycle,ETC)。ESC和ETC的排放标准见表2所列,本文主要采用柴油车稳态循环工况下的排放标准。

表2 污染物和烟度的排放量限值 g/(kW·h)

污染物ESC国Ⅲ国Ⅳ国ⅤETC国Ⅲ国Ⅳ国ⅤCO2.101.501.505.454.04.0HC0.660.460.460.780.550.55NOx5.003.502.005.003.502.00PM0.100.130.020.020.160.210.030.03

2 4B2-95C40型台架试验

2.1 试验用发动机及测试设备参数

本文试验采用全柴公司生产的4B2-95C40型车用柴油机。试验时,不对原发动机参数做任何调整,即发动机的供油压力、喷油嘴启喷压力、供油提前角等参数均为原机数值。发动机的主要技术参数见表3所列,原机无任何尾气净化装置。

表3 4B2-95C40型车用柴油机主要技术参数

试验主要仪器设备有AVL公司生产的燃油温度控制器、燃油温度控制器、测功机、油耗仪、HORIBA的排气分析仪、水温控制器以及微克天平等。该检测中心采用标定设备不透光烟度计来测定烟度,柴油机国Ⅳ排放标准中烟度的标准值为0.5 m-1,本文试验采用滤纸烟度计进行测量。

2.2 试验方案及台架的布置

2.2.1 试验方案

本试验采用2种方案对原机进行改装,一种方式为安装DOC+POC,内部加装EGR阀,以达到国Ⅳ标准;另一种改装方案为安装DOC后再加装SCR，以达到国Ⅴ标准。按照GB17691—2005[7]中的ESC和ETC测试标准对原机及2种改装后的发动机台架进行试验。试验测试总布置台架如图1所示。

图1 试验测试总布置台架

2.2.2 原机试验台架

原机试验台架采用的是未经任何改装的全柴公司生产的4B2-95C40型车用柴油机,即试验时不对原发动机参数做任何调整,参数值均为原机数值。同时,不加装任何外部净化控制设备。在原机上接入采集分析仪,对原机排放尾气中的各种气体进行收集[8]。

2.2.3 国Ⅳ排放标准台架布置

由于DOC具有同时降低HO、CO和PM的功能,常在发动机上与EGR同时使用,以全面提高发动机的排放水平[9]。

本文国Ⅳ排放标准台架的布置为采用机内安装EGR阀、柴油机排气管加装DOC+POC同时配合提高喷油压力和增压中冷能力的改装方法。改装后试验台架测得常规排放物的比排放量达到了国Ⅳ排放标准。加装DOC和POC后的试验结果见表4所列。

表4 加装DOC和POC后试验结果 g/(kW·h)

2.2.4 国Ⅴ排放标准台架布置

为了有效降低柴油机的主要有害排放物——NOx的排放量,选用在加装有DOC的柴油机后再加装SCR。SCR是通过在排气中添加还原剂,并在催化剂的作用下,将氮氧化物转化为水和氮气[10]。

本文采用的国Ⅴ改装策略为机外净化路线,在原机加装DOC后的排气孔处安装SCR,关闭EGR阀,且不安装其他辅助部件。采用尿素辅助实现催化转化过程。尿素SCR系统的优点主要在于NOx转化效率高(可达80%～95%)、发动机燃油经济性好且发动机控制简单。

3 各改进策略测试结果及分析

根据ESC十三工况法,本文选取了代表发动机低、中、高转速点的3个转速1 880、2 430、2 880 r/min,研究不同后处理器组合对发动机各种常规排放物的影响规律。另外,瞬态工况下发动机本身的排放物浓度会增加,后处理器的氧化转化率也会受到不同程度的影响。

为了研究瞬态工况下各种后处理器组合的氧化转化效率,本文试验根据ESC要求，主要针对包括原机在内的3种试验台架进行稳态排放测试以及在稳态条件下不同后处理器对发动机各种常规排放物的影响规律[11-12]。

3.1 原机与国Ⅳ常规排放物对比

参照GB17691—2005[7]中ESC 十三工况法排放计算表,计算出1 980、2 430、2 880 r/min 3个转速下,负荷分别为25%、50%、75%、100%时,原机与加装DOC+POC后尾气中NOx、CO、碳氢化合物、碳烟的比排放量数值,并绘制出对比图,如图2所示。

图2 3种转速下原机与加装DOC+POC后各常规排放物的比排放量对比

在低等转速(1 980 r/min)下,由图2a可知,加装DOC+POC的试验台架NOx的比排放量与原机相比变化不大,在低、中、高及全负荷时,改装后的数值反而比原机数值稍大,即加装DOC+POC对于发动机处于低速时NOx排放量影响不大;由图2d可知,原机低负荷时CO最高排放量可达3.2 g/(kW·h),改装后尾气中比排放量大幅降低,降幅在80%以上,在低、中、高、全负荷时,均低于0.1 g/(kW·h),低于国Ⅳ规定的1.5 g/(kW·h)限值;由图2g可知,加装DOC+POC后,碳氢化合物的比排放量显著降低,尤其是在低负荷时,降幅达95%以上,排放量均低于0.07 g/(kW·h),远低于国Ⅳ规定的0.46 g/(kW·h)限值;图2j中,原机在25%低负荷时碳烟的比排放量为0.045 g/(kW·h),远高于国Ⅳ规定的限值0.02 g/(kW·h),加装DOC和POC后,碳烟的比排放量则均低于国Ⅳ标准规定的0.02 g/(kW·h)的限值。由上述对比图可知,加装DOC+POC后的发动机在低转速下所排放各常规废气的量满足国Ⅳ排放标准要求。

在中等转速(2 430 r/min)下,由图2b可知,加装DOC+POC后,NOx的排放量相较于原机的比排放量有一定程度的变化,在低、中负荷时,改装后的数值反而比原机数值大10%～20%,全负荷时,加装DOC+POC后的比排放量降幅不及10%,且排气中NOx的排放量始终较高,即加装DOC+POC对于NOx排放量的影响不大;由图2e可知,原机在低负荷工况下比排放量最高可达4.25 g/(kW·h),而在改装后尾气中CO比排放量大幅降低,降幅在80%以上,均低于0.1 g/(kW·h),最低仅为0.05 g/(kW·h),低于国Ⅳ规定的1.5 g/(kW·h)限值,即加装DOC+POC可以显著降低尾气中CO的含量;由图2h可知,加装DOC+POC后,碳氢化合物的比排放量在低负荷时,降幅达95%以上,且在低、中、高、全负荷4种工况时的比排放量均低于0.15 g/(kW·h),低于国Ⅳ规定的0.46 g/(kW·h)的限值;由图2k可知,原机在75%高负荷比时碳烟的比排放量为0.021 g/(kW·h),稍高于国Ⅳ规定的限值0.02 g/(kW·h),然而,加装DOC+POC后,碳烟的比排放量均低于0.007 5 g/(kW·h)。由上述对比图可以得出,加装DOC+POC后的发动机在中等转速下,所排放各常规废气的量满足国Ⅳ排放标准要求。

在高转速下(2 880 r/min)，由图2c可知,加装DOC+POC的试验台架采集到的数据中,NOx的排放量相较于原机的比排放量略有变化,在低、中、高负荷时,改装后的数值比原机数值高5%～10%,混合气中含量仍较高;由图2f可知,原机低负荷时CO最高可达6.1 g/(kW·h),改装后尾气中CO比排放量大幅降低,降幅均在80%以上,均不高于0.1 g/(kW·h),低于国Ⅳ规定的1.5 g/(kW·h)的限值,即加装DOC+POC可以显著降低尾气中CO的含量;由图2i可知,加装DOC+POC后,碳氢化合物的比排放量显著降低,尤其是在低负荷时,降幅达95%以上,在低、中、高、全负荷时,均低于0.38 g/(kW·h),低于国Ⅳ规定的0.46 g/(kW·h)的限值;由图2l可知,在低负荷时,原机碳烟的比排放量为0.016 g/(kW·h),远高于国Ⅳ规定的限值,当加装DOC+POC后,碳烟的比排放量均不高于0.007 5 g/(kW·h),显著低于国Ⅳ标准规定的0.02 g/(kW·h)的限值。由上述对比图可以看出,加装DOC+POC后的发动机在高等转速下所排放各常规废气的量满足国Ⅳ排放标准要求。

3.2 国Ⅳ与国Ⅴ常规排放物外特性对比

加装DOC+POC与加装DOC+SCR后各常规排放物排放量外特性曲线如图3所示。

图3 加装DOC+POC与加装DOC+SCR后各常规排放物排放量外特性曲线

由图3a可知,加装DOC+POC的试验台架标定的NOx外特性曲线整体位于加装DOC+SCR试验台架标定的外特性曲线之上,在常用工况范围内,安装了DOC+SCR的发动机所排出的废气中NOx物比排放量低于5 g/(kW·h),优于国Ⅳ标准的试验台架。

由图3b可知,发动机低于转速1 400 r/min时,加装DOC+POC的试验台架CO比排量均高于安装了DOC+SCR的发动机,而在常用工况范围内,安装了DOC+SCR的发动机虽比加装DOC+POC时排放量高,但最大值仅为0.12 g/(kW·h),远低于限值1.5 g/kW·h。

由图3c可知,在常用工况范围内,安装了DOC+SCR的发动机所排出的碳氢化合物比排放量相对较低(≤0.04g/(kW·h))。

由图3d可知,低转速下,安装DOC+SCR的发动机碳烟排量明显降低,而在常用工况范围内,加装DOC+POC的发动机则与安装了DOC+SCR所排出的碳烟量相近,但均不高于0.02 g/(kW·h)。

4 结 论

(1) 原机加装DOC+POC后,可以显著降低CO、碳氢化合物和碳烟等常规排放物的排放量,其中,低转速下碳烟的比排放量降低幅度可达95%,CO的比排放量降低幅度在80%以上,碳烟的比排放量降低幅度高于45%。

(2) 柴油机尾气经DOC+SCR净化后,NOx的含量明显降低,相较于加装DOC+POC时,最大降幅达45.6%,其他常规排放物含量均低于国家标准第Ⅴ阶段的限值,而CO比排放量仅为0.12 g/(kW·h)。

(3) 排气后处理系统已经成为现代柴油机的重要组成部分，还需要进一步加强发动机与后处理系统的一体化优化设计,以满足日益严格的排放法规,并实现对燃油经济性和系统设计成本的优化。

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(责任编辑 胡亚敏)

Strategy of meeting national standards of vehicle pollutant discharge from Ⅳ to Ⅴ for light-duty diesel engine

HU Jing, ZHOU Ping, LIU Yi, YU Yi, XIE Zhenkai

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to meet the requirements of national standard for light-duty diesel engine emissions, a bench test of light-duty diesel engine installed with different processors of combined off-gas is conducted. And the ratio among conventional emissions as nitrogen oxides(NOx) and soot under different operating conditions is analyzed. Firstly, the problem of original machine exhaust emissions of nitrogen oxides and carbon smoke is expounded. Then the method of reducing the light-duty diesel engine exhaust emissions is studied. On one hand, the diesel oxidation catalyst(DOC) and particulate oxidation catalyst(POC) are used, and the application effects of them are analyzed. On the other hand, DOC and selective catalytic reduction(SCR) are installed in the light-duty diesel engine, and the rail pressure is improved and the exhaust gas recirculation(EGR) valve is closed to reduce the recirculation ratio of diesel engine. The results show that the calibration value of improved emissions is lower than the limit of national Ⅴ standard, thus proving that the proposed optimization method is feasible.

light-duty diesel engine; nitrogen oxides(NOx); particulate matter(PM); selective catalytic reduction(SCR); aftertreatment system

2015-09-29；

2015-10-21

国家发改委和工信部产业振兴和技术改造资助项目(中央评估)(发改投资2012[1938]号)

扈 静(1972-),女,安徽六安人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师; 刘 屹(1978-),男,安徽池州人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.001

TK421.5

A

1003-5060(2017)02-0145-06