樓狄明, 王亞馨, 孫瑜澤, 張允華
(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院,上海 201804)
柴油機具有功率適用范圍廣、燃油效率高、耐久性好等優(yōu)點,在交通運輸、工程機械等領(lǐng)域有著不可或缺的作用.近年來,排放法規(guī)日益嚴格[1-2],給柴油機的發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn).以當(dāng)前的技術(shù)水平,僅僅依靠機內(nèi)凈化技術(shù)已不能滿足柴油機排放法規(guī)要求,必須依靠氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、柴油機顆粒捕集器(DPF)、選擇性催化還原反應(yīng)器(SCR)、稀燃NOx捕集器(LNT)等后處理技術(shù).DOC不僅能夠大幅降低HC及CO的排放[3-5],還可以減少顆粒物排放中的可溶性有機物(SOF).文獻[6]表明,DOC能降低核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度和積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度,但積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度受負荷的影響較大.DOC可以將NO氧化成NO2,為催化型柴油機顆粒捕集器(CDPF)在較低溫度下實現(xiàn)連續(xù)被動再生提供條件[7-8],NO2濃度增加還可以促進SCR中快速反應(yīng)的進行.因此,DOC對于柴油機尾氣處理有著重要作用.
影響DOC轉(zhuǎn)化效率的主要因素有排氣溫度、反應(yīng)氣體在載體中停留時間、排氣中硫含量等[9-10].理論上,反應(yīng)氣體在載體中停留時間越長,反應(yīng)就越充分,轉(zhuǎn)化效率就越高[11].DOC載體長度的增加可以使氣體在載體中的滯留時間及反應(yīng)面積增加,對DOC催化氧化性能的提高有促進作用.文獻[12]中對不同容積DOC的模擬結(jié)果表明,提高DOC容積能夠提高NO2在氮氧化物(NOx)中的占比.文獻[13-14]的研究表明,DOC載體長度越長,DOC內(nèi)流動均勻性越好,HC、CO減排率就越高,但是造成的壓力損失也越高.除背壓外,DOC的體積受到車輛安裝空間限制,增加DOC載體長度在提高安裝難度的同時還會造成DOC成本增加.
目前國內(nèi)外對于DOC載體長度的模擬研究已經(jīng)比較成熟,但是DOC載體長度對DOC本身特別是對DOC+CDPF+SCR整體后處理系統(tǒng)影響的試驗研究較少.本文基于發(fā)動機臺架試驗平臺和輕型柴油機DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng),研究DOC載體長度變化對排氣溫度、背壓、自身減排性能以及DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)減排性能的影響,為實際DOC應(yīng)用中的選型及設(shè)計提供參考.
試驗發(fā)動機選取1.91 L排量、直列四缸、廢氣渦輪增壓中冷輕型國五柴油機,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.
表1 試驗柴油機主要參數(shù)
本次試驗中使用的DOC樣品編號及主要參數(shù)如表2所示,CDPF參數(shù)如表3所示.
表2 DOC主要參數(shù)
注:cpsi指每平方英寸橫截面上的孔道數(shù);1 ft=0.304 8 m.
表3 CDPF主要參數(shù)
試驗中搭建的臺架系統(tǒng)如圖1所示.臺架系統(tǒng)的主要設(shè)備包括電力測功機、油耗儀以及臺架輔助設(shè)備(冷卻水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、機油恒溫裝置、發(fā)動機數(shù)據(jù)采集箱、空氣濾清器等).臺架系統(tǒng)主要排放測試儀器包括MEXA-1600D型氣態(tài)物分析儀、EEPS-3090型顆粒粒徑分析儀以及Dekati DI-2000型射流稀釋器.臺架控制臺與電力測功機、油耗儀、排放測試系統(tǒng)及各傳感器連接,操作整個試驗臺架的動作并輸出相應(yīng)設(shè)備信息及測試結(jié)果.
圖1 試驗裝置示意圖
為研究不同載體長度DOC對DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)氣態(tài)物排放及顆粒物排放減排率的影響,采用三種不同載體長度的DOC裝置(DOC1、DOC2、DOC3),選取DOC前、DOC后、DOC+CDPF后以及DOC+CDPF+SCR后四個測點,研究發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)轉(zhuǎn)速(下文簡稱發(fā)動機轉(zhuǎn)速)2 000r·min-1下負荷比分別為10%、25%、50%、75%、100%時五種測試工況的排放特性,包括HC、CO、NOx及顆粒物排放.
溫度是影響DOC性能的重要因素之一,當(dāng)溫度低于氣體起燃溫度時,催化劑及載體只能起到一定的吸附作用.最佳反應(yīng)溫度范圍約在250 ℃到400 ℃之間,當(dāng)溫度過高時,由于催化劑性能的變化等因素,轉(zhuǎn)化效率下降.
圖2為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時不同載體長度DOC后排氣溫度變化.低負荷下DOC后排氣溫度較低,在130 ℃到180 ℃左右.三種載體長度DOC后排氣溫度差異較小,適當(dāng)減小DOC載體長度在低負荷時有利于提高DOC后的排氣溫度.
圖2 不同載體長度DOC后排氣溫度
Fig.2 Exhaust temperature at different carrier lengths after DOC
圖3為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時不同載體長度DOC前后排氣壓差的變化.從試驗結(jié)果看出,適當(dāng)減小DOC載體長度能有效減少DOC的壓力損失,從而改善發(fā)動機的油耗及排放特性.當(dāng)DOC載體長度縮短量超過臨界值時,DOC排氣壓差變化不大.
2.2.1THC排放特性
圖4為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時三種載體長度DOC后THC排放情況.
圖3 不同載體長度DOC前后排氣壓差
Fig.3 Pressure difference at different carrier lengths before and after DOC
圖4 不同載體長度DOC后THC排放
由圖4可知,DOC后THC排放因子明顯降低,DOC在凈化THC方面起主要作用.DOC后THC減排率隨著負荷的升高而逐漸增大.低負荷時,DOC對THC的減排效果較差,減排率在20%左右.原因在于低負荷下排氣溫度較低,反應(yīng)氣體沒有達到起燃溫度,催化劑沒有起到很好的反應(yīng)催化效果,此時載體長度較小的DOC1和DOC2對THC的減排率較好.低負荷下適當(dāng)降低DOC載體長度有利于DOC對THC減排性能的提高,DOC2在低負荷下對THC的減排率最高.高負荷工況下,DOC對THC的減排率大幅升高,減排率維持在75%~80%左右,載體長度越大,DOC對THC減排率越高.在75%~100%負荷區(qū)間,三種載體長度DOC對THC的平均減排率分別為74.6%、80.5%、81.2%.高負荷條件下適當(dāng)增大DOC長度可提高對CO、THC和NO的氧化率.當(dāng)DOC載體長度過大,對CO、THC和NO氧化性能的提升有限.
2.2.2CO排放特性
圖5為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時三種載體長度DOC后CO排放情況.
圖5 不同載體長度DOC后CO排放
由圖5可知,隨著負荷的增加,DOC后CO減排率逐漸增大.原因在于低負荷時,缸內(nèi)出現(xiàn)混合氣過稀以及局部區(qū)域溫度過低的情況,淬熄現(xiàn)象增加,造成了CO排放量的上升.在低負荷條件下,DOC對CO的減排率較低,小于45%.一方面是因為排氣溫度較低,催化劑沒有起到很好的催化效果;另一方面,在低溫時THC對于CO的氧化有一定的抑制作用.隨著負荷的增大,溫度升高,CO減排率逐漸增大.在50%~100%負荷條件下,CO減排率大幅升高,減排率穩(wěn)定在88%~95%,載體長度最短的DOC1后CO減排率相比DOC2后有明顯降低,而DOC2和DOC3對于CO減排率的差距較小.可以看出,適當(dāng)增加DOC長度能有效提高CO減排率,但超過一定限值后,DOC對于CO減排率提升有限.
2.2.3NO氧化特性
DOC可以將NO氧化成NO2,促進CDPF中的被動還原反應(yīng)以及SCR中的快速反應(yīng).研究不同載體長度DOC時NO的氧化性能對分析整體DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)的性能有一定的參考意義.
圖6為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時三種載體長度DOC后NO轉(zhuǎn)化情況,縱坐標為DOC后NO2在NOx中的質(zhì)量分數(shù).
由圖6可知,低負荷工況下,NO有少量升高,NO2在NOx中的質(zhì)量分數(shù)有少量降低.這是由于低溫時HC、CO和NO2之間轉(zhuǎn)化率存在競爭關(guān)系[15-16].在110 ℃以下,NO2被HC和CO還原,當(dāng)有十二烷和間二甲苯等碳氫化合物存在時,NO2的還原反應(yīng)溫度甚至可以到140 ℃以上.隨著溫度升高,O2成為主要還原劑,NO可以被氧化為NO2[17],NO2在NOx中的質(zhì)量分數(shù)升高,同時CO氧化放熱,促進NO氧化反應(yīng)進行.隨著負荷的增大,NO2質(zhì)量分數(shù)逐漸增大.在高負荷條件下,三種載體長度DOC后的NO2在NOx中的質(zhì)量分數(shù)最大分別為0.34、0.36、0.38.高負荷條件下,載體長度最大的DOC3對NO的氧化性能最好,原因在于此時排氣溫度較高,因而載體長度越大,反應(yīng)時間越長,NO氧化越充分.在所有負荷工況中,載體長度居中的DOC2在低負荷時的氧化性能更為穩(wěn)定.適當(dāng)降低DOC長度可以提高低負荷工況下DOC對NO的氧化性能,但是過量減小DOC長度將導(dǎo)致高負荷時NO氧化性能的降低.
圖6 不同載體長度DOC后NO2質(zhì)量分數(shù)
Fig.6 NO2mass fraction at different carrier lengths after DOC
柴油機的顆粒物排放較為嚴重,催化型柴油機顆粒捕集器(CDPF)是主要的顆粒物處理裝置.本節(jié)主要研究DOC載體長度變化對CDPF顆粒物凈化性能的影響.
2.3.1顆粒物數(shù)量排放特性
圖7為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時三種載體長度DOC后處理系統(tǒng)CDPF后顆粒物數(shù)量(PN)凈化情況.
圖7 不同載體長度DOC后處理系統(tǒng)CDPF后PN排放
Fig.7 PN emission at different carrier lengths of DOC aftertreatment system after CDPF
由圖7可知,隨著負荷增加,顆粒物數(shù)量先逐漸減少后增加.原因在于隨著發(fā)動機負荷增大,缸內(nèi)溫度升高,顆粒物的氧化更充分,較容易產(chǎn)生相對細小的顆粒,顆粒物數(shù)量增大.三種載體長度DOC后處理系統(tǒng)CDPF后對于PN都有較好的減排效果,整體顆粒物減排率在90%以上.在低負荷范圍內(nèi),載體長度最大的DOC3對于PN減排率最高.在高負荷狀態(tài)下,三種載體長度DOC后處理系統(tǒng)CDPF后PN減排率有所降低,相較而言,載體長度較短的DOC1+CDPF和DOC2+CDPF對PN的減排率較高.DOC載體長度的變化對DOC+CDPF的PN減排率的影響較小.三種載體長度DOC后處理系統(tǒng)CDPF后PN的平均減排率分別為95.2%、94.0%、94.5%.
2.3.2顆粒物質(zhì)量排放特性
圖8為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時三種載體長度DOC后處理系統(tǒng)CDPF后顆粒物質(zhì)量(PM)減排率情況.
圖8 不同載體長度DOC后處理系統(tǒng)CDPF后PM排放
Fig.8 PM emission at different carrier lengths of DOC aftertreatment system after CDPF
如圖8所示,發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時,PM排放因子整體隨負荷升高而下降.原因在于低負荷條件下,低溫條件促進了揮發(fā)性物質(zhì)的凝結(jié),同時抑制了顆粒物的氧化過程,導(dǎo)致PM較大.隨著負荷增加,溫度上升,有利于核模態(tài)顆粒物氧化,因而PM變小.三種載體長度DOC對于PM的減排率在75%~95%,最高為94.6%.在100%負荷時,DOC+CDPF對于顆粒物的減排率有明顯下降,原因在于高負荷時大于350 ℃高溫下DOC中硫酸鹽增多,影響DOC氧化作用.隨著負荷增加,排氣流速增大,氣體在DOC+CDPF內(nèi)的滯留時間減少,同時氣體流速增加會將CDPF中餅層捕集的顆粒吹出,PM增加.三種載體長度DOC+CDPF對于PM的平均減排率分別為87.1%、85.4%、82.9%.綜合來看,載體長度較小的DOC+CDPF對于PM的減排率較好,原因在于DOC載體長度較小時,DOC后壓力損失較少,并且在低負荷時溫度較高,有利于PM的減排.同時載體長度較大的DOC對脫除顆粒物中SOF的效果更好,使得顆粒物表觀活化能上升,影響CDPF的被動再生效果.
在DOC+CDPF+SCR系統(tǒng)中,由于SCR對CO、HC以及PM 和PN的減排效果甚小,而對NOx降低起主導(dǎo)作用,因此僅對SCR后NOx排放特性進行分析.
圖9為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時NOx排放因子和三種載體長度DOC后處理系統(tǒng)SCR后的減排率.
圖9 不同載體長度DOC后處理系統(tǒng)SCR后NOx排放
Fig.9 NOxemission at different carrier lengths of DOC aftertreatment system after SCR
隨著負荷的增大,發(fā)動機缸內(nèi)溫度增加,發(fā)動機NOx排放因子升高.在低負荷范圍內(nèi),各裝置對于NOx的減排率較低.原因在于低負荷時排氣溫度較低,SCR不能更好地進行催化轉(zhuǎn)化.在低負荷范圍內(nèi),載體長度較小的DOC后處理系統(tǒng)的NOx減排率較為穩(wěn)定.在75%~100%高負荷范圍內(nèi),三種載體長度DOC后處理系統(tǒng)SCR后NOx排放因子大幅降低,但減排率均在90%以上,在該負荷區(qū)間的平均減排率分別為92.0%、93.7%、95.9%.DOC長度越大,NOx減排率越高.原因在于載體長度較大的DOC后處理系統(tǒng)對NO氧化效果最好,生成的NO2促進了SCR內(nèi)快速反應(yīng)的進行.
為了更好地分析DOC載體長度對減排率的影響,綜合比較了低溫低負荷工況及高負荷工況下后處理系統(tǒng)的減排率.低溫低負荷工況取10%、25%及50%負荷條件下污染物減排率平均值,高溫高負荷工況取75%及100%負荷條件下污染物減排率平均值.
圖10、11分別為不同載體長度DOC后處理系統(tǒng)在低溫低負荷工況及高溫高負荷工況下的污染物減排率.可以看出,在低溫低負荷工況下,DOC2后處理系統(tǒng)氣態(tài)物減排效果最好,DOC1后處理系統(tǒng)顆粒物減排效果較優(yōu).高溫高負荷工況下,載體長度最大的DOC3后處理系統(tǒng)的氣態(tài)物減排率最高;顆粒物方面,DOC2后處理系統(tǒng)的減排效果最好.綜合考慮成本及減排效果,DOC2最優(yōu).
圖10 低溫低負荷工況下污染物減排率
Fig.10 Pollutant reduction rate under low temperature and low load conditions
圖11 高溫高負荷工況下污染物減排率
Fig.11 Pollutant reduction rate under high temperature and high load conditions
(1) DOC后排氣溫度受DOC載體長度影響不大,但DOC載體長度對排氣壓差影響較為顯著,隨著DOC載體長度增大,排氣壓差增大.當(dāng)過量增大DOC載體長度時,排氣壓差的增長率有較大上升.
(2) DOC載體長度變化對CO、THC和NO的氧化性能影響顯著.低溫低負荷情況下,載體長度較小的DOC對CO、THC及NO的氧化效果更好;中高負荷情況下,隨著DOC載體長度的增加,DOC后NO2質(zhì)量分數(shù)和CO、HC的減排率相應(yīng)上升.適當(dāng)增大DOC載體長度可有效提高對CO、THC和NO的氧化率.當(dāng)DOC載體長度過大時,對CO、THC和NO氧化性能的提升有限.
(3) 三種載體長度DOC后處理系統(tǒng)CDPF后PN和PM的減排率分別為95.2%、94.0%、94.5%和87.1%、85.4%、82.9%,減排率受DOC載體長度的影響不大.
(4) DOC載體長度變化對SCR后的NOx減排效果有一定影響,DOC載體長度越大,高負荷下的NOx減排率越高.
(5) 從兼顧成本與性能的角度出發(fā),載體長度居中的DOC2最優(yōu).適當(dāng)增加DOC載體長度能有效提高減排效果,但過量增加對減排效果的提升不大,同時影響DOC在低溫低負荷時的減排效果.