李常侃，王曉輝，何傳成，李明星

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 南寧 537000)

0 引言

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2022 年）》，2021 年，我國(guó)道路柴油車產(chǎn)生的NOx和顆粒物排放分別占道路車輛NOx 和顆粒物排放總量的88.3%和99%以上，高效低排放柴油機(jī)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)是實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域低碳環(huán)保目標(biāo)的重要途徑[1]。

NOx 排放滿足NOx 超低排放的核心關(guān)鍵是控制低溫工況下NOx 的排放量[2]，提高催化劑在低溫區(qū)的NOx 轉(zhuǎn)化效率是實(shí)現(xiàn)超低排放的最重要技術(shù)途徑[3]。一方面尿素水解溫度限制了低溫轉(zhuǎn)化效率的進(jìn)一步提升，另外一方面進(jìn)一步提升低溫的轉(zhuǎn)化效率與催化器的特性造成高溫條件轉(zhuǎn)化效率的下降，難以兼顧。因此如何在高效發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下進(jìn)一步提升排氣溫度為催化器提供理想的溫度窗口尤其關(guān)鍵[4]。

1 試驗(yàn)裝置

以一臺(tái)某四缸車用柴油機(jī)為研究對(duì)象，基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)滿足國(guó)6b 排放，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖1 為集成燃燒器裝置的系統(tǒng)方案簡(jiǎn)圖。研究在原來DOC+DPF+SCR+ASC 的后處理裝置的基礎(chǔ)上，在DOC 和增壓器之間增加燃燒器裝置，燃燒器的控制信號(hào)接入發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU，通過ECU 來控制燃燒器的工作狀態(tài)，試驗(yàn)過程中根據(jù)需要通過燃燒器的工作狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣進(jìn)行加熱，提升排氣溫度。

圖1 集成方案簡(jiǎn)圖

燃燒器由燃油噴嘴、點(diǎn)火棒、空氣輔助泵和反應(yīng)器四大元件及控制單元構(gòu)成。其控制接入發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU，實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同控制。通過在反應(yīng)腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)柴油燃燒，對(duì)尾氣進(jìn)行加熱。

2 研究方法

首先對(duì)基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的原始和尾排進(jìn)行確認(rèn)，確保原始狀態(tài)滿足國(guó)六b 排放要求。在此基礎(chǔ)上，通過在DOC 入口之前加裝燃燒器，燃燒器控制接入ECU，試驗(yàn)過程的主要設(shè)備見表2。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備列表

對(duì)國(guó)六法規(guī)的排放循環(huán)WHSC 和WHTC、WNTE三種循環(huán)比較發(fā)現(xiàn)，WHTC 的工況變化劇烈，溫度變化區(qū)間大，因此，主要對(duì)比燃燒器對(duì)WHTC 循環(huán)的原始排放和經(jīng)過催化器的尾排進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)為了進(jìn)一步研究該技在整車實(shí)際運(yùn)行過程對(duì)排放的影響，選擇了排溫較低的環(huán)衛(wèi)車的典型路譜進(jìn)行排放對(duì)比，環(huán)衛(wèi)車的運(yùn)行特征和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況特征如圖2 所示。在環(huán)衛(wèi)車運(yùn)行過程中，怠速工況占比較高，同時(shí)工況變化劇烈，后處理的載體溫度平均溫度較低。

圖2 環(huán)衛(wèi)車典型路譜發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況特征

3 燃燒器對(duì)柴油機(jī)排放影響試驗(yàn)

3.1 對(duì)原始排放的影響

在試驗(yàn)過程中，通過對(duì)燃燒器的控制，保證在WHTC 循環(huán)過程中，燃燒器的工作狀態(tài)基于SCR 入口目標(biāo)溫度350 ℃控制，根據(jù)排氣流量和當(dāng)前排溫對(duì)噴射量進(jìn)行控制，通過混合外界環(huán)境空氣實(shí)現(xiàn)在排氣管內(nèi)燃燒放熱，對(duì)比燃燒器工作過程中，對(duì)SCR 催化器入口的溫度影響，從圖3 的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，渦后溫度（增壓器出口）相同的條件，在燃燒器的介入工作下，SCR 催化器的入口溫度得到大幅度的提升。無燃燒器的情況下，SCR 床溫的最低溫度和176.25 ℃、最高溫度為332.75 ℃，WHTC 循環(huán)過程的平均排溫為245.71 ℃，通過在DOC 之前加裝燃燒器，SCR 床溫的最低溫度為218.75 ℃、最高溫度為423.50 ℃，WHTC循環(huán)過程的平均排溫為378.56 ℃，SCR 催化器的大幅度提升，使得SCR 處于高效的溫度區(qū)間，為實(shí)現(xiàn)超低NOx 排放提供基礎(chǔ)條件。

圖3 燃燒器對(duì)柴油機(jī)排溫影響對(duì)比圖

對(duì)比圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在加裝燃燒器的前后，對(duì)NOx 排放基本無影響，這是由于燃燒器工作效率較低，即使少量的柴油在燃燒器中燃燒，溫度較低，產(chǎn)生的NOx 增量較少，對(duì)整體的NOx 原始排放影響較小。同時(shí)，圖4（b）和圖4（c）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CO 和HC 排放大幅度上升，這主要由于燃燒器工作中，燃油噴射壓力較低，即使在外接新鮮空氣輔助的情況下，燃油霧化不充分，其管路中的油氣混合不均勻，造成大量的CO排放，同時(shí)由于燃油撞壁等因素造成HC 的大幅度的上升。

圖4 燃燒器對(duì)柴油機(jī)原排影響對(duì)比圖

3.2 對(duì)尾排的影響

通過對(duì)WHTC 排放循環(huán)的尾排進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，如圖5 所示，NOx 排放在整個(gè)循環(huán)加裝燃燒器后，最大NOx 排放峰值由610 ppm 降低到11 ppm，基本實(shí)現(xiàn)0 排放，這主要由于通過燃燒器進(jìn)行排氣進(jìn)行加熱，快速加熱SCR 載體的床溫至350 ℃以上，并長(zhǎng)時(shí)間維持高溫狀態(tài)，使SCR 催化器始終處于最高轉(zhuǎn)化效率區(qū)間，其效率接近100%。HC 和CO 排放相比原排均有大幅度的降低，但在循環(huán)開始的100 s 內(nèi)，尤其燃燒器工作的滯后，排氣溫度提升需要一個(gè)過程，HC 排放在WHTC 循環(huán)的前100 s 還處于較高的水平。但總體排放物均處于較低水平，加裝燃燒器前后的排放物水平基本相當(dāng)。

圖5 燃燒器對(duì)柴油機(jī)尾排影響對(duì)比圖

HTC 排放循環(huán)結(jié)果見表3。從表3 可以發(fā)現(xiàn)，在加裝燃燒器前后其排放物均滿足國(guó)六b 標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)限值要求，其NOx 排放具有滿足下一階段排放發(fā)箍的潛力，HC 和PN 數(shù)量由于燃燒器內(nèi)柴油的燃燒，對(duì)尾排有一定的貢獻(xiàn)。CO2排放也同時(shí)有一定的上升，增加幅度大約為4.67%。

表3 WHTC 排放循環(huán)結(jié)果

3.3 對(duì)典型路譜的排放影響

從發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的驗(yàn)證結(jié)果來看，實(shí)際WHTC 運(yùn)行過程中的NOx 降低到比較低的水平，為了進(jìn)一步驗(yàn)證整車實(shí)際運(yùn)行過程的NOx 排放情況，對(duì)整車的運(yùn)行路譜進(jìn)行整合提取，在臺(tái)架模擬整車的運(yùn)行工況。從圖6 的結(jié)果展示來看，在前500 s，其SCR 催化器載體溫度低于200 ℃，此時(shí)未釋放燃燒器介入；500 s 后開始釋放燃燒器介入，在700 s 左右時(shí)基本達(dá)到控制的目標(biāo)溫度350 ℃左右，NOx 尾排得到大幅度降低，在700 s 之后由于催化器的載體溫度始終處于SCR 高效區(qū)間，轉(zhuǎn)化效率較高，NOx 排放在10 ppm 之內(nèi)。

圖6 環(huán)衛(wèi)車典型路譜下排溫和排放

4 結(jié)論

開展燃燒器對(duì)柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的原排和尾排的影響研究，結(jié)論如下：

（1）燃燒器對(duì)提升催化器的排溫有較大的幫助，通過基于目標(biāo)溫度的控制，其排氣溫度得到大幅度的提升，在WHTC 循環(huán)過程中，按照目標(biāo)SCR 載體床溫350 ℃控制，其平均溫度提升132.85 ℃。

（2）燃燒器對(duì)原始NOx 排放影響較大，但由于燃燒器內(nèi)的燃油燃燒效率不高，產(chǎn)生大量的HC 和CO排放，但通過DOC+DPF+SCR+ASC 后處理裝置，后尾排仍然滿足國(guó)6b 排放標(biāo)準(zhǔn)，HC 排放有一定程度的上升。

（3）燃燒器對(duì)WHTC 循環(huán)的NOx 排放以及環(huán)衛(wèi)車的典型路譜NOx 的排放均有顯著的影響，其NOx排放得到大幅度的降低，這主要由于通過燃燒器的工作使得SCR 催化器的床溫提升，促使SCR 催化器始終處于高效區(qū)間，NOx 結(jié)果具備滿足下階段排放標(biāo)準(zhǔn)的潛力。

（4）燃燒器需要一定的柴油燃燒提升排溫，由此造成尾排CO2升高。在WHTC 排放循環(huán)過程中CO2排放升高4.67%。因此在應(yīng)用該技術(shù)的時(shí)候，需要對(duì)其控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步研究在提升催化器載體床溫和CO2之間的平衡。