嚴(yán) 杰，畢玉華，聶學(xué)選，王 鵬，萬(wàn)明定，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(dòng)力股份有限公司云南省內(nèi)燃機(jī)高原排放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500）

0 概述

氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）和顆粒物（particulate matter，PM）是柴油機(jī)最主要的排放污染物［1］。中國(guó)第六階段排放法規(guī)對(duì)柴油機(jī)NOx和PM 等排放量有嚴(yán)格限值，同時(shí)國(guó)六b 階段海拔高度在2 400 m 以下均要滿足法規(guī)要求［2］。中國(guó)海拔高度在1 000 m 以上的國(guó)土面積約占58%，海拔高度在2 000 m 以上的面積大約占33%［3］。為滿足排放法規(guī)要求，加裝后處理系統(tǒng)是當(dāng)下必須采取的措施。 其中柴油機(jī)氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）系統(tǒng)因可以有效降低柴油機(jī)NOx排放而被廣泛關(guān)注。為滿足國(guó)六排放法規(guī)要求，SCR 系統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)化效率需要提升至90% 以上［4］。柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的運(yùn)用會(huì)使排氣背壓升高，導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降。在高原環(huán)境下，大氣中含氧量與進(jìn)氣溫度等差異導(dǎo)致柴油機(jī)排氣溫度等性能與平原相比存在較大差異［5］，加裝后處理系統(tǒng)后柴油機(jī)排放特性也有差異。開展不同海拔下加裝后處理系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響的研究對(duì)于柴油機(jī)與后處理系統(tǒng)的匹配和在高原環(huán)境下滿足排放法規(guī)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)柴油機(jī)DOC+SCR 系統(tǒng)開展了大量研究。文獻(xiàn)［6］中研究了DOC+SCR 系統(tǒng)對(duì)顆粒物排放的影響，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)DOC+SCR 系統(tǒng)后，有機(jī)物含量降低，顆粒物中碳煙含量降低最為顯著。文獻(xiàn)［7］中研究了7 種不同催化劑對(duì)DOC+SCR 系統(tǒng)的影響，提出了一種新的DOC 成分，可以顯著降低DOC+SCR 系統(tǒng)對(duì)硫的敏感性。文獻(xiàn)［8］中研究了不同催化劑溫度對(duì)SCR 系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響，結(jié)果表明催化劑溫度是影響SCR 轉(zhuǎn)化效率的顯著因素。文獻(xiàn)［9］中針對(duì)DOC+SCR 系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，優(yōu)化后DOC+SCR系統(tǒng)性能有明顯提升。文獻(xiàn)［10］中運(yùn)用排氣熱管理措施從SCR 系統(tǒng)溫度提升程度、柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性與排放性等多個(gè)角度進(jìn)行了分析，得到了一套完整的SCR 排氣熱管理技術(shù)方案。文獻(xiàn)［11］中研究了不同類型的DOC 和SCR 的性能，結(jié)果表明鐵基催化劑的低溫活化性能比銅基催化劑更好。文獻(xiàn)［12］中的研究表明DOC+SCR 系統(tǒng)中，NOx的最佳轉(zhuǎn)化溫度為280 ℃～500 ℃。對(duì)于不同海拔下柴油機(jī)的相關(guān)性能，不同學(xué)者開展了大量研究［13-18］。文獻(xiàn)［19］中研究了在高原環(huán)境下加裝DOC 和催化型柴油機(jī)顆粒捕集器（catalyzed diesel particulate filter，CDPF）對(duì)柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果表明加裝后處理系統(tǒng)后，隨著試驗(yàn)循環(huán)數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性與原機(jī)相比略有下降。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)柴油機(jī)DOC+SCR系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特性、性能及不同海拔下柴油機(jī)性能開展了大量研究，但關(guān)于不同海拔DOC+SCR 系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能影響的研究非常有限。基于此背景，本研究中利用大氣模擬系統(tǒng)，搭建試驗(yàn)臺(tái)架，研究80 kPa、90 kPa、100 kPa 大氣壓力（對(duì)應(yīng)2 000 m、1 000 m、0 m 海拔高度）下加裝DOC+SCR 對(duì)柴油機(jī)性能的影響，該研究為柴油機(jī)在不同海拔運(yùn)行時(shí)的后處理系統(tǒng)匹配提供實(shí)際指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

研究對(duì)象為一臺(tái)增壓中冷直列4 缸柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)所用的DOC 與SCR 主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。試驗(yàn)主要儀器設(shè)備有AVL PUMA 測(cè)控系統(tǒng)、AVL 電力測(cè)功機(jī)、AVL 662 燃燒分析儀、AVL 735 燃油質(zhì)量流量計(jì)、AVL 553 冷卻水恒溫控制系統(tǒng)、AVL AMA i60 排放測(cè)試設(shè)備、AVL FTIR i60 排放測(cè)試設(shè)備、AVL 415S 煙度測(cè)試儀、上海同圓測(cè)試設(shè)備有限公司生產(chǎn)的大氣模擬裝置等。臺(tái)架布置示意圖如圖1 所示，臺(tái)架布置實(shí)物圖如圖2 所示。

圖1 臺(tái)架布置示意圖

表1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 DOC 與SCR 主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

本研究在原機(jī)與加裝DOC+SCR 條件下選取80 kPa、90 kPa、100 kPa（對(duì)應(yīng)海拔高度約為2 000 m、1 000 m、0 m）3 種大氣壓力進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所處地為昆明，海拔約為2 000 m，利用大氣模擬系統(tǒng)對(duì)進(jìn)排氣加壓模擬0 m 和1 000 m 海拔試驗(yàn)，試驗(yàn)中大氣壓力誤差控制在0.5 kPa 以內(nèi)，同時(shí)保證柴油機(jī)進(jìn)氣溫度為25 ℃±2 ℃，進(jìn)氣濕度為50%±5%。本研究選取外特性工況進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中，不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)供油量由電控單元（electronic control unit，ECU）控制策略進(jìn)行調(diào)整。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別在80 kPa、90 kPa、100 kPa 大氣壓力下對(duì)比柴油機(jī)加裝DOC+SCR 系統(tǒng)前后的性能變化規(guī)律，在6 個(gè)外特性工況點(diǎn)下分別計(jì)算出性能參數(shù)變化的百分比，再求出6 個(gè)變化百分比的平均值以得到最終的性能參數(shù)變化百分比。

2.1 不同海拔下DOC+SCR 系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒性能的影響

圖3 為不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)功率、轉(zhuǎn)矩、有效燃油消耗率、缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響。由圖3 可知，加裝后處理裝置后，柴油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩下降，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下功率和轉(zhuǎn)矩均分別平均下降1.11%、1.89%、1.96%。隨著海拔的升高，柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩也略微下降。這是因?yàn)殡S著海拔的升高，空氣密度下降，導(dǎo)致柴油機(jī)每循環(huán)進(jìn)氣量減小，缸內(nèi)燃燒惡化，使得柴油機(jī)動(dòng)力性下降。加裝后處理系統(tǒng)后，柴油機(jī)排氣背壓升高，排氣阻力增大，增大了排氣損失，此外加裝后處理系統(tǒng)后柴油機(jī)進(jìn)氣流量有所下降，使得柴油機(jī)動(dòng)力性下降。隨著海拔的升高，有效燃油消耗率增加，加裝后處理后80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均增加1.64%、2.87%、2.94%。這是因?yàn)殡S著海拔的升高，空氣密度下降導(dǎo)致進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)減小，燃燒惡化，柴油機(jī)熱效率降低從而導(dǎo)致油耗升高。加裝后處理裝置后由于排氣背壓升高，排氣阻力增加，缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增加，另外加裝后處理系統(tǒng)需要開啟后噴以提升排氣溫度使后處理系統(tǒng)處于高效運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，導(dǎo)致油耗增加。平原環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣壓差與進(jìn)氣壓差較大，使平原環(huán)境下泵氣損失高于高原環(huán)境，相對(duì)于加裝后處理系統(tǒng)，泵氣損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性影響更加明顯，故加裝后處理裝置對(duì)平原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響小于高原環(huán)境。

由圖3 還可知，由于高原環(huán)境下進(jìn)氣氧含量的減小導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒不充分，使得高原環(huán)境下缸內(nèi)最大壓力小于平原地區(qū)。加裝后處理裝置后排氣背壓升高，排氣阻力增大，缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增加，缸內(nèi)氧含量減小，燃燒不充分，致使缸內(nèi)最大壓力下降。加裝后處理后，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下缸內(nèi)最高燃燒壓力分別平均降低8.47%、7.50%、6.24%。

圖3 不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)功率、轉(zhuǎn)矩、有效燃油消耗率、缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響

2.2 不同海拔下DOC+SCR 對(duì)進(jìn)排氣參數(shù)的影響

圖4 為不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)進(jìn)排氣參數(shù)的影響。由圖4 可知，進(jìn)氣流量隨著海拔的升高而降低，不同海拔下進(jìn)氣流量隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)均一致。加裝后處理裝置后進(jìn)氣流量有所下降，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下進(jìn)氣流量分別平均下降3.32%、3.91%、4.62%。原因是隨著海拔的升高，大氣壓力下降，進(jìn)氣壓力不足導(dǎo)致進(jìn)氣流量減小。加裝后處理裝置后，由于排氣背壓升高，渦輪增壓器效率下降，導(dǎo)致增壓壓力降低，從而進(jìn)氣量隨之下降。

由圖4 中不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)中冷后壓力的影響規(guī)律可知，由于高原地區(qū)大氣壓力低于平原地區(qū)，不同海拔下中冷后壓力也呈現(xiàn)不同程度的變化。加裝后處理裝置后，中冷后壓力下降，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均下降3.86%、4.17%、4.32%。

圖4 不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)進(jìn)排氣參數(shù)影響

由圖4 中不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)排氣溫度的影響規(guī)律可知，相同轉(zhuǎn)速下，排氣溫度隨著海拔的升高而升高，不同海拔下的影響規(guī)律趨勢(shì)均一致。加裝后處理裝置后排氣溫度明顯升高，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均升高7.35%、7.21%、7.11%。分析其原因是隨著海拔的升高，進(jìn)氣量減小導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，同時(shí)為了降低高原地區(qū)缸內(nèi)燃燒的惡化程度，柴油機(jī)采用較大增壓比，使得進(jìn)氣溫度升高。此外，隨著大氣壓力的降低，增壓比升高，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量也升高，但增壓器的增壓效果仍不足以抵消大氣壓力下降帶來(lái)的壓力損失，造成高原環(huán)境下的缸內(nèi)燃燒效果仍然差于平原地區(qū)。以上原因?qū)е铝烁咴貐^(qū)排氣溫度高于平原地區(qū)。加裝后處理后，由于排氣背壓的升高，排氣阻力加大，廢氣無(wú)法及時(shí)排出，使缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增大，影響了缸內(nèi)燃燒，且加裝后處理裝置后ECU 開啟后噴以匹配后處理系統(tǒng)，導(dǎo)致加裝后處理裝置后排氣溫度顯著升高。

由圖4 中不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)排氣流量的影響曲線可見，相同轉(zhuǎn)速下隨著海拔的升高，排氣流量降低，加裝后處理裝置后排氣流量也降低，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均降低3.13%、4.75%、4.98%。排氣流量是進(jìn)氣流量與燃油質(zhì)量流量的總和，燃油質(zhì)量流量的變化相對(duì)較小，排氣流量下降的主要原因是進(jìn)氣流量下降。

由圖4 中不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)排氣背壓的影響曲線可見，高原環(huán)境下排氣阻力低于平原地區(qū)，加裝后處理裝置后排氣背壓明顯升高，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均升高28.02%、27.08%、26.81%。排氣背壓是影響柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)，過(guò)高的排氣背壓會(huì)影響缸內(nèi)的燃燒，使動(dòng)力性下降，油耗上升。平原地區(qū)的大氣壓力相對(duì)較高，排氣出口壓力相對(duì)于高原地區(qū)高，排氣阻力高于高原地區(qū)，因此平原地區(qū)的排氣背壓高于高原地區(qū)。由于后處理系統(tǒng)的管道和載體結(jié)構(gòu)加大了排氣阻力，并且加裝后處理系統(tǒng)后缸內(nèi)最大壓力下降，以上原因?qū)е录友b后處理系統(tǒng)后排氣背壓升高。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，加裝后處理系統(tǒng)后排氣背壓差值升高，這是由于隨著轉(zhuǎn)速升高，柴油機(jī)的排氣體積流量增大，加裝后處理系統(tǒng)后排氣阻力的增加對(duì)排氣背壓增加量的影響更加顯著。

2.3 不同海拔下DOC+SCR 系統(tǒng)對(duì)排放的影響

圖5 為不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)柴油機(jī)排放特性的影響。

圖5 不同海拔下加裝后處理裝置對(duì)排放特性的影響

如圖5 所示，隨著海拔的升高，大氣壓力降低，柴油機(jī)進(jìn)氣氧含量較低，使缸內(nèi)缺氧區(qū)域增多，限制了NOx的生成，NOx排放降低。加裝后處理系統(tǒng)后，由于排氣流量降低導(dǎo)致進(jìn)氣流量降低，進(jìn)氣氧含量進(jìn)一步減小，NOx排放降低。加裝后處理后，SCR 后端NOx排放明顯降低，且在外特性工況下，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的SCR 最大轉(zhuǎn)化效率分別為88.86%、86.11%、84.76%。不同海拔下煙度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律基本相同，由于高原環(huán)境下進(jìn)氣流量減小導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化，缸內(nèi)高溫缺氧的區(qū)域增多，碳煙排放增加。DOC 對(duì)碳煙中的可溶性有機(jī)物具有一定氧化作用，因此加裝后處理后排氣中煙度有所降低，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分別平均降低8.94%、8.82%、8.41%。高原環(huán)境下排氣溫度較高有利于后處理系統(tǒng)工作，且高原環(huán)境下排氣流量較低使NOx和碳煙在后處理系統(tǒng)中停留時(shí)間增加，使反應(yīng)更加充分，故高原環(huán)境下DOC+SCR 系統(tǒng)對(duì)NOx和碳煙的轉(zhuǎn)化效率高于平原環(huán)境。

由不同海拔下加裝后處理裝置后HC、CO 的變化規(guī)律可知，由于高原環(huán)境下進(jìn)氣含氧量減小，缸內(nèi)燃燒惡化，燃燒不完全，導(dǎo)致未燃HC 和CO 排放增多，加裝后處理后DOC 的氧化作用使HC 和CO 排放明顯降低。在大氣壓力80 kPa 下，DOC 對(duì)HC 和CO 的轉(zhuǎn)化效率分別為91.33% 和79.88%；90 kPa下，對(duì)HC 和CO 的轉(zhuǎn)化效率分別為98.29% 和77.38%；100 kPa 下，對(duì)HC 和CO 的轉(zhuǎn)化效率分別為99.18% 和75.31%。大氣壓力較高時(shí)，排氣含氧量較大，使DOC 中氧化反應(yīng)能力增強(qiáng)，而不同大氣壓力下DOC 對(duì)HC 和CO 的轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，這是由于DOC 中單位質(zhì)量的催化劑發(fā)生氧化反應(yīng)的能力有限，HC 和CO 在DOC 內(nèi)的氧化反應(yīng)存在一定競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，從而當(dāng)HC 的轉(zhuǎn)化效率上升時(shí)，CO 的轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）隨著海拔的升高，柴油機(jī)進(jìn)排氣流量、中冷后壓力、排氣背壓降低，排氣溫度升高。加裝DOC+SCR 后，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的進(jìn)氣流量分別平均降低3.32%、3.91%、4.62%；中冷后壓力分別平均降低0.41%、4.17%、4.32%；排氣溫度分別平均升高7.35%、7.01%、7.11%；排氣流量分別平均降低3.13%、4.75%、4.98%；排氣背壓分別平均升高28.02%、27.08%、26.81%。

（2）隨著海拔的升高，柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、缸內(nèi)最高燃燒壓力下降。加裝DOC+SCR 后，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的功率和轉(zhuǎn)矩變化一致，分別平均降低1.11%、1.89%、1.96%；有效燃油消耗率分別平均升高1.64%、2.87%、2.55%；缸內(nèi)最大壓力分別平均降低8.47%、7.50%、6.24%。

（3）隨著海拔的升高，柴油機(jī)NOx排放降低，碳煙、HC、CO 排放升高。加裝DOC+SCR 后，外特性工況80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的SCR 的最大轉(zhuǎn)化效率分別為87.86%、89.11%、85.76%；煙度分別平均下降8.94%、8.82%、8.41%；DOC 對(duì)HC 的平均轉(zhuǎn)化效率分別為91.33%、98.29%、99.18%；DOC 對(duì)CO 的轉(zhuǎn)化效率分別為79.88%、77.38%、75.31%。