畢玉華,聶學(xué)選,劉少華,肖 奔,王 鵬,申立中,彭益源
(1. 昆明理工大學(xué),云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650500;2. 昆明云內(nèi)動力股份有限公司,昆明 650500);
柴油機(jī)的主要排放污染物是氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM),二者由于生成機(jī)理的不同呈此消彼長的關(guān)系[1]。機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已無法滿足日益嚴(yán)格的排放要求,必須依靠機(jī)內(nèi)與機(jī)外凈化技術(shù)的協(xié)調(diào)配合才能有效控制二者排放[2]。選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術(shù)是專門用于減少柴油機(jī)NOx排放的機(jī)外手段,技術(shù)成熟且效率高,已被廣泛使用[3-6]。我國地形地勢復(fù)雜,海拔高度在1 000 m 以上的面積占到58%,2 000 m 以上的面積占到33%[7-8],即將實(shí)施的國六排放法規(guī)嚴(yán)格規(guī)定了不同海拔下汽車排放污染物限值[9]。柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時由于高原地區(qū)空氣稀薄,含氧量低,循環(huán)進(jìn)氣量少,會使柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化,進(jìn)而導(dǎo)致其動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能都有不同程度的下降[10-11]。由于柴油機(jī)在不同海拔下運(yùn)行時排氣溫度和排氣流量不同,二者的變化會對NOx轉(zhuǎn)化效率和NH3泄漏量產(chǎn)生重要影響,因此研究不同海拔下SCR 性能的影響因素與規(guī)律,對SCR 控制策略的優(yōu)化具有重要意義。
國內(nèi)外學(xué)者針對海拔變化對柴油機(jī)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了許多有針對性的研究,Kosmadakis 等[12]通過自主研發(fā)的大氣模擬系統(tǒng)研究了不同大氣壓力環(huán)境對柴油機(jī)動力性和排放性的影響,結(jié)果表明柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩和微粒排放都隨海拔的升高而變差。申立中等[13-14]利用大氣模擬系統(tǒng)較為全面地研究了自然吸氣、增壓柴油機(jī)和增壓中冷柴油機(jī)的燃燒過程、動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能隨海拔變化的規(guī)律。同時,對SCR 系統(tǒng)性能的影響因素也有大量的研究。Park等[15]研究SCR 催化箱溫度對NOx轉(zhuǎn)化效率與氨泄漏量之間的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于高的NOx轉(zhuǎn)化速率導(dǎo)致400 ℃時的氨泄漏遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于200 ℃時的泄漏,說明NH3與NOx在不同的溫度下反應(yīng)程度不同。王靜等[16]研究了不同排氣溫度對SCR 性能的影響,結(jié)果表明,排氣溫度會影響SCR 系統(tǒng)內(nèi)的液滴分布和催化劑人口還原劑分布,進(jìn)而對NOx轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生重要影響。陳韜等[17]探究了NOx轉(zhuǎn)化效率的影響因素,結(jié)果表明:NOx的最佳轉(zhuǎn)化溫度范圍為280~500 ℃,在該溫度范圍內(nèi),排氣流量對DOC+SCR 系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率基本沒有影響。Han 等[18]研究表明,隨著空速的增加,低溫下NOx還原率的降低更為明顯,高溫下空速對NOx還原率的影響要比在低溫下弱得多。王軍等[19]探究了氨氮比、溫度和空速對NOx轉(zhuǎn)化率的影響。Hanse 等[20]的試驗(yàn)結(jié)果表明,催化劑溫度越低,儲氨效果越好。綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者針對海拔變化對柴油機(jī)性能影響研究較多,對SCR 性能的研究也較為廣泛,而針對不同海拔下柴油機(jī)SCR性能的影響報道較少。
本文中以滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)的高壓共軌柴油機(jī)為研究對象,依托AVL 試驗(yàn)臺架和尾氣采集分析設(shè)備,結(jié)合大氣模擬系統(tǒng),分別在80、90 和100 kPa 大氣壓力下進(jìn)行了柴油機(jī)性能和排放試驗(yàn),并對排氣溫度、排氣流量和海拔高度變化對NOx轉(zhuǎn)化效率和NH3泄漏量的影響展開研究,為柴油機(jī)SCR 系統(tǒng)在高原環(huán)境下應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。
試驗(yàn)所用的發(fā)動機(jī)是一臺滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)的高壓共軌直列四缸柴油機(jī),其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示,SCR載體參數(shù)如表2所示。
表1 柴油機(jī)基本參數(shù)
表2 SCR主要參數(shù)
臺架設(shè)備儀器主要有:AVL PUMA OPEN V1.5測控系統(tǒng),AVL 交流電力測功機(jī),AVL 753C 柴油質(zhì)量流量計(jì),AVL 735S 柴油溫控系統(tǒng),AVL AMA i60(用于測量SCR 前端HC、CO、NOx、O2等排放),AVL FTIR i60 傅里葉紅外光譜分析儀(用于測量SCR 后端NOx與NH3泄漏),上海同圓測試設(shè)備有限公司生產(chǎn)的大氣模擬裝置(用于調(diào)節(jié)大氣壓力、溫度、濕度),廣州賽維換熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的排氣溫度冷卻器(用于調(diào)節(jié)排氣溫度),冷卻設(shè)備附帶有電磁閥和循環(huán)泵。臺架布置示意圖如圖1所示。
圖1 柴油機(jī)SCR試驗(yàn)臺架示意圖
排氣溫度和排氣流量是影響SCR性能至關(guān)重要的兩個因素。在關(guān)于排氣溫度與排氣流量的研究中,大多學(xué)者是通過改變發(fā)動機(jī)工況來調(diào)節(jié)排氣溫度和排氣流量。而發(fā)動機(jī)工況的改變會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)排氣組分發(fā)生改變,從而造成多因素的改變影響SCR 性能。為使試驗(yàn)過程更加嚴(yán)謹(jǐn)可靠,確保研究單因素對SCR的影響,引入排氣溫度冷卻器,將其安裝在尿素噴嘴與SCR載體之間,用于冷卻排氣溫度。選擇最大轉(zhuǎn)矩工況,通過冷卻器降低溫度。排氣溫度和排氣流量對SRC性能的影響試驗(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室自然環(huán)境下進(jìn)行,海拔高度為1 980 m,對應(yīng)的大氣壓力為80 kPa。排氣溫度影響試驗(yàn)時,將排氣流量固定在350 kg/h,為覆蓋SCR 從低溫到高溫的性能,選擇冷卻所需的10 個溫度點(diǎn):230、260、290、320、350、380、410、440、470 和500 ℃。把冷卻器安裝在尿素噴嘴與SCR載體之間能保證在每個溫度點(diǎn)下尿素水解生成的NH3量不變,使每個溫度點(diǎn)下進(jìn)入載體的氨氮比和物質(zhì)組分都是相同的,唯一變量是SCR 入口溫度,以此研究不同溫度對SCR 性能的影響。排氣流量影響試驗(yàn)時,調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工況,使排氣流量分別達(dá)到200、250、300 和350 kg/h,并運(yùn)用冷卻系統(tǒng)分別將排氣溫度穩(wěn)定在250、300 和350 ℃,以此研究3個不同排氣溫度下排氣流量對SCR 性能的影響規(guī)律,試驗(yàn)SCR與冷卻器如圖2所示。
圖2 SCR與冷卻器圖
研究選取3個海拔高度,各海拔所對應(yīng)的大氣壓力分別為80、90和100 kPa。試驗(yàn)臺架所在地海拔高度為1 980 m,對應(yīng)的大氣壓力為80 kPa,因此采用大氣模擬裝置將進(jìn)排氣壓調(diào)到90 和100 kPa。此外,測試環(huán)境的空氣濕度為50%~60%,大氣溫度為20~28 ℃。
發(fā)動機(jī)外特性是研究發(fā)動機(jī)性能好壞的重要指標(biāo),甚至可以說外特性的好壞決定了發(fā)動機(jī)性能的優(yōu)劣。外特性試驗(yàn)工況較為全面,從低速到高速都有覆蓋,是研究發(fā)動機(jī)常采用的試驗(yàn)方式,因此在研究不同海拔對SCR性能影響時選擇發(fā)動機(jī)外特性工況進(jìn)行性能試驗(yàn)。將發(fā)動機(jī)、后處理裝置和所需傳感器正確安裝,保證臺架測試設(shè)備正常工作,在3 個海拔下分別進(jìn)行發(fā)動機(jī)外特性試驗(yàn)。將AVL AMA i60 置于SCR 前端監(jiān)測入口的HC、CO、NOx和O2濃度,另將AVL FTIR i60 置于SCR 后端,監(jiān)測SCR 出口的NOx濃度和NH3泄漏量。
海拔高度直接影響柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性,進(jìn)而影響SCR系統(tǒng)的性能。圖3為3個海拔條件下柴油機(jī)外特性工況的性能和排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖3(a)~圖3(c)中可以看出:海拔越高柴油機(jī)相同工況下轉(zhuǎn)矩與功率越低,燃油消耗率越高。這是由于柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時空氣稀薄,含氧量低,循環(huán)進(jìn)氣量少,使柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化,進(jìn)而導(dǎo)致其動力性和經(jīng)濟(jì)性下降。從圖3(d)和圖3(e)可以看出,同一工況下,隨著海拔的升高,排氣溫度升高,而排氣流量下降。由于平原地區(qū)大氣壓力高,發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量多,缸內(nèi)燃燒充分;高原地區(qū)為改善缸內(nèi)燃燒情況,為保證壓比,增壓器轉(zhuǎn)速增加,與此同時增壓器溫度升高,導(dǎo)致進(jìn)氣溫度越高,排溫越高;相同工況下大氣壓力越低進(jìn)氣量越少,燃燒越差,排氣流量自然越??;排氣溫度和排氣流量是影響SCR性能的重要因素,兩者受海拔影響較大,海拔變化對二者的影響規(guī)律是研究SCR海拔特性的關(guān)鍵。從圖3(f)和圖3(g)可以看出,在同一工況下,柴油機(jī)排氣氧含量和NOx排放隨海拔升高而降低,且都呈現(xiàn)出低速時海拔影響較大的規(guī)律,在2 000 r/min 后NOx排放和排氣氧含量隨轉(zhuǎn)速升高而降低。NOx產(chǎn)生的必要條件是高溫、富氧、反應(yīng)時間長,NO的生成需要氧原子和氮原子在高溫環(huán)境較長時間進(jìn)行反應(yīng)。在轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min 后,氣體在缸內(nèi)停留的時間縮短,造成NOx排放的降低。雖然高原時缸內(nèi)燃燒溫度高于平原,但氧氣含量低于平原,綜合分析知氧氣含量對NOx產(chǎn)生的影響更大。從圖3(h)和圖3(i)可以看出,柴油機(jī)CO 和HC 排放都隨海拔升高而增多。HC 和CO 都是烴類燃料不完全燃燒的產(chǎn)物,隨著海拔升高,大氣氧含量降低,過量空氣系數(shù)減小,燃燒惡化,從而產(chǎn)生更多的HC和CO,因此海拔越高二者排放越惡劣。
圖3 不同海拔下柴油機(jī)外特性測試圖
2.2.1 排氣溫度對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響
排氣溫度是影響NOx轉(zhuǎn)化效率的重要因素,排氣溫度決定著載體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境溫度,影響催化劑的反應(yīng)活性,準(zhǔn)確把握溫度對SCR 的影響是研究SCR 性能的基礎(chǔ)。圖4 為NOx轉(zhuǎn)化效率與N2O 濃度隨溫度變化規(guī)律。由圖可見:NOx轉(zhuǎn)化效率總體呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律;在低溫區(qū)NOx轉(zhuǎn)化效率受溫度影響較大,230-380 ℃溫度區(qū)間轉(zhuǎn)化效率從43.3%上升到86.7%;380 ℃后,NOx轉(zhuǎn)化效率隨溫度的升高而降低,整個溫度范圍內(nèi)NOx轉(zhuǎn)化效率最大差值為43.4 百分點(diǎn)。分析其原因:低溫時尿素溶液中的水分蒸發(fā)較慢,隨著溫度的升高,水分蒸發(fā)加快,尿素的熱解和異氰酸的水解更加快速充分,分解產(chǎn)生更多NH3,此外溫度的上升使得催化劑活性加強(qiáng),化學(xué)反應(yīng)速率加快,從而NOx轉(zhuǎn)化效率提高;溫度升高至380 ℃以后NOx轉(zhuǎn)化效率降低的原因是因?yàn)檫M(jìn)入高溫區(qū)以后催化劑的活性降低,導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)變慢;加上NH3對O2的選擇性升高,且排氣中O2含量高于NOx含量,導(dǎo)致NH3與O2反應(yīng)的幾率比NOx高,也促使NOx轉(zhuǎn)化效率降低,N2O 則是NH3與O2反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物之一。要保證SCR 系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率需要有合適的溫度控制,溫度不能過低也不能過高,過低溫度會限制SCR性能,過高溫度會使催化劑活性降低,進(jìn)而降低NOx轉(zhuǎn)化效率。
圖4 不同排氣溫度下NOx轉(zhuǎn)化效率與N2O濃度
2.2.2 排氣溫度對NH3泄漏量的影響
圖5 為NH3泄漏量和N2O 濃度隨溫度的變化規(guī)律。從圖中可以看出,NH3泄漏量隨著溫度的上升不斷減小,230 ℃時NH3泄漏量為348.3×10-6,到410 ℃時降至20.6×10-6,降低327.7×10-6,降幅達(dá)94%。泄漏量降低的原因是,隨著溫度的提高,催化劑活性增高,參與還原NOx的NH3增多,NOx轉(zhuǎn)化效率升高,NH3泄漏量降低。此外,溫度升高,參與的副反應(yīng)增多,例如一部分NH3會被氧化成N2O,NH3在持續(xù)消耗,也使NH3泄漏量降低。但當(dāng)溫度高于410 ℃之后,伴隨溫度繼續(xù)升高,NH3泄漏量略有增加。原因是SCR催化劑的儲氨能力會隨著溫度的升高而逐漸降低,進(jìn)入高溫區(qū)域后,雖然NH3在參與NOx轉(zhuǎn)化和其他副反應(yīng),但由于儲氨能力下降,NH3泄漏量會略有上升。該試驗(yàn)NOx轉(zhuǎn)化效率較低,而NH3泄漏量較大。原因是試驗(yàn)用ECU 為批產(chǎn)ECU,未對控制策略進(jìn)行更改,不影響變化規(guī)律,此外,尿素噴射過程中,三維流動和混合器結(jié)構(gòu)等參數(shù)會影響NH3分布,從而影響轉(zhuǎn)化效率和泄漏量。
圖5 不同排氣溫度下NH3泄漏量與N2O濃度
2.3.1 排氣流量對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響
圖6為在250、300和350 ℃下NOx轉(zhuǎn)化效率隨排氣流量而變化的規(guī)律。從圖中可以看出,同一溫度下,排氣流量從200 上升到350 kg/h 區(qū)間,轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。此外,溫度越高,排氣流量對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響越小。排氣溫度為250 ℃時,不同排氣流量的NOx轉(zhuǎn)化效率最大相差21.5 百分點(diǎn)。排氣流量在200 到250 kg/h 區(qū)間轉(zhuǎn)化效率略有上升,因?yàn)楫?dāng)尿素噴入管路后,排氣流量適當(dāng)增大帶來單位時間內(nèi)的能量增加,使得NH3在載體內(nèi)混合更均勻,所以轉(zhuǎn)化效率略有上升;在250到350 kg/h 區(qū)間,隨著排氣流量的繼續(xù)增大,單位載體內(nèi)氣體流速過大,NH3在載體內(nèi)停留的時間逐漸減少,吸附氨的量減少,導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率降低。溫度升高使催化劑活性提高,隨溫度升高尿素分解成NH3的量增多,故使排氣流量對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響變小。
2.3.2 排氣流量對NH3泄漏量的影響
圖7為溫度在250、300和350 ℃下NH3泄漏量隨排氣流量的變化規(guī)律。從圖中可看出,隨著排氣流量的增大,NH3泄漏不斷增大,而溫度越低,NH3泄漏量及其變化幅度越大,250 ℃時在整個排氣流量變化 范 圍,NH3泄 漏 量 從103.4×10-6增 大 到194.2×10-6,增加90.8×10-6;300 ℃時NH3泄漏量從78.3×10-6增加到138.6×10-6,增加60.3×10-6;350 ℃時NH3泄漏量從64.7×10-6增加到93.2×10-6,只增加28.5×10-6。分析原因:排氣流量增大帶走更多的NH3,使得NOx轉(zhuǎn)化效率降低,NH3泄漏量增大;溫度越低,NH3泄漏,是因?yàn)闇囟容^低時,催化劑活性不足,催化劑吸附氨的能力較弱,參與NOx轉(zhuǎn)化的NH3減少,則NH3泄漏量增加。
圖6 不同溫度NOx轉(zhuǎn)化效率隨排氣流量的變化
圖7 不同排氣流量下NH3泄漏量
2.4.1 不同海拔下NOx轉(zhuǎn)化效率
柴油機(jī)具有海拔特性,不同大氣壓力下進(jìn)入氣缸的氣體狀態(tài)不同,導(dǎo)致機(jī)內(nèi)燃燒和機(jī)外排放都有較大差異。為彌補(bǔ)海拔高度造成的性能差異,引入如增壓器等部件,但這些部件在不同海拔下表現(xiàn)出不一樣的特性。SCR 系統(tǒng)也同樣,海拔變化會使發(fā)動機(jī)的排氣組分濃度、排氣溫度和排氣流量等參數(shù)發(fā)生改變,而這些參數(shù)正是影響SCR 性能的重要因素,因此SCR也具有海拔特性。
圖8 為外特性工況下不同海拔下SCR 的NOx轉(zhuǎn)化效率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖中可以看出,海拔越高,NOx轉(zhuǎn)化效率越高,80和100 kPa時NOx轉(zhuǎn)化效率最大發(fā)生在最低轉(zhuǎn)速1 200 r/min,分別為89.3%和69.2%,相差20.1 百分點(diǎn);其原因是隨著海拔的升高,發(fā)動機(jī)排氣溫度上升,使NOx轉(zhuǎn)化效率提高;同一海拔下,隨著轉(zhuǎn)速的升高,NOx轉(zhuǎn)化效率降低,低速時海拔變化影響顯著,中高速時影響較小。分析原因:同一海拔下,隨著轉(zhuǎn)速升高,排氣流量增大,使NH3停留在載體內(nèi)時間減少,從而NOx轉(zhuǎn)化效率降低;低速時不同海拔排氣流量差異較大,因此不同海拔下NOx轉(zhuǎn)化效率差異較大,到中高速排氣流量差異很小,NOx轉(zhuǎn)化效率的差異也變小。
圖8 不同海拔下NOx轉(zhuǎn)化效率
2.4.2 不同海拔下NH3泄漏量
發(fā)動機(jī)在不同海拔下運(yùn)行時排氣溫度和排氣流量不同,因此NH3泄漏量在不同海拔下也會有所差異。圖9 為不同海拔下NH3泄漏量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖中可知,隨著轉(zhuǎn)速升高,NH3泄漏量先減小后增大,低速時NH3泄漏量海拔差異較小,中高速時差異較大。不同海拔NH3泄漏量最大差值首先發(fā)生在轉(zhuǎn)速為2 400 r/min 時,80 kPa泄漏量為16.8×10-6,100 kPa 泄漏量為71.4×10-6,相差54.6×10-6;轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高時,不同海拔NH3泄漏量基本上同步增大,最大差值幾乎不變。分析泄漏量隨轉(zhuǎn)速的升高先減后增的原因是:SCR 儲氨能力會隨著溫度的升高而降低,溫度越高飽和儲氨量越小。從前文研究可知,外特性排氣溫度隨轉(zhuǎn)速升高先降低后升高,因此SCR儲氨能力呈相反規(guī)律,即隨轉(zhuǎn)速的升高,儲氨能力先升后降,所以NH3泄漏量隨轉(zhuǎn)速升高呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。NH3泄漏量的海拔影響差異是因?yàn)榕艢饬髁孔兓脑?,海拔越高,排氣流量越小,NH3在載體內(nèi)停留的時間越長,則供吸附和反應(yīng)的時間越長,NH3泄漏量越低。低速時排氣流量較低,且NOx轉(zhuǎn)化效率較高,不同海拔下NH3泄漏量差異較?。恢懈咚倥艢饬髁靠焖僭黾?,海拔越低增長越快,因此NH3泄漏量的海拔差異隨轉(zhuǎn)速的升高而加大。
圖9 不同海拔下NH3泄漏量
(1)海拔越高,柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率越小,燃油消耗率越高,在低速時不同海拔下的柴油機(jī)性能差異更明顯;隨著海拔的升高排氣溫度升高,排氣流量下降;柴油機(jī)NOx排放和排氣氧含量隨海拔升高而降低;而CO和HC排放都隨海拔升高而增加。
(2)NOx轉(zhuǎn)化效率隨排氣溫度升高呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律,230-380 ℃溫度區(qū)間NOx轉(zhuǎn)化效率從43.3%上升到86.7%,增加43.4 百分點(diǎn),380 ℃后NOx轉(zhuǎn)化效率逐漸降低。NH3泄漏量隨著溫度的上升呈現(xiàn)下降趨勢,不同溫度下NH3泄漏量最大差值為328×10-6。
(3)NOx轉(zhuǎn)化效率隨排氣流量加大呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律,在250 ℃時,不同排氣流量下NOx轉(zhuǎn)化效率最大相差21.5 百分點(diǎn);NH3泄漏量隨排氣流量的加大而增加,在250 ℃時,不同排氣流量下NH3泄漏量最大差值為90.8×10-6。
(4)相同工況下,海拔越高,NOx轉(zhuǎn)化效率越高,低速時海拔高度影響顯著,中高速時影響較小。相同工況下,海拔越高,NH3泄漏量越小,低速時NH3泄漏量的海拔差異較小,中高速時差異較大。80 和100 kPa 轉(zhuǎn)化效率最大相差20.1 百分點(diǎn),NH3泄漏量為最大相差54.6×10-6。