新聞主題	尾氣裝置對柴油機(jī)排放特性的影響和試驗

 

摘要：柴油機(jī)具有熱效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、扭矩大等優(yōu)點，而柴油發(fā)電機(jī)是NO?排放和顆粒物排放的主要貢獻(xiàn)者。NO?是光化學(xué)煙霧的誘因之一，顆粒物對人體健康也有著不可忽視的危害。各類后處理技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)是柴油機(jī)應(yīng)對日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的主要手段。氧化型催化器和催化型顆粒捕集器通常聯(lián)合使用來有效減少柴油機(jī)THC，CO以及顆粒物的排放，選擇性催化還原系統(tǒng)則主要用來減少NO?的排放。因此聯(lián)合采用DOC+CDPF+SCR后處理系統(tǒng)是降低柴油機(jī)排放的有效措施。為研究三元催化器后處理系統(tǒng)對柴油發(fā)電機(jī)排放特性的影響，本文以康明斯國三柴油發(fā)電機(jī)為研究對象進(jìn)行臺架試驗，分析了排放特性，研究了不同工況下尾氣裝置的凈化效果以及各自在減排中的貢獻(xiàn)。

 

一、試驗方案和設(shè)備

 

      DOC常用的活性組分有鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）等貴金屬。Pt和Pd的主要貢獻(xiàn)是氧化CO和HC。Pd和Pt具有協(xié)同作用，能提高催化劑的抗老化能力，降低硫酸鹽的生成量。DOC應(yīng)用于DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后處理系統(tǒng)中時，能將NO氧化為NO?，有助于CDPF的被動再生和SCR的快速反應(yīng)。CDPF是在顆粒捕集器CDPF載體上涂覆催化劑（Pt，Pd等），降低顆粒物的起燃溫度，促進(jìn)再生，能有效減少柴油機(jī)顆粒物排放。SCR是柴油發(fā)動機(jī)降低NO?排放的重要途徑，其原理是將尿素水溶液（即AdBlue，濃度一般為32.5%）噴入柴油機(jī)排出的廢氣中，在催化劑作用下將廢氣中的NO?還原成無害的N2和H?O。DOC，CDPF，SCR聯(lián)合應(yīng)用于柴油機(jī)后處理系統(tǒng)能夠促進(jìn)彼此的凈化能力，是目前主流后處理系統(tǒng)的重要技術(shù)路線之一。

1、試驗樣機(jī)及設(shè)備

      試驗樣機(jī)為一臺QSB3.9、直列4缸、廢氣渦輪增壓中冷輕型國三柴油機(jī)，其尾氣裝置組成如圖1所示，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

      試驗所用檢測儀器包括ME?A-1600D氣態(tài)物分析儀和EEPS-3090顆粒粒徑分析儀。ME?A-1600D氣態(tài)物排放分析儀采用部分流采樣系統(tǒng)，可實時采集CO，CO2，THC，NO，NO?等氣態(tài)物濃度數(shù)據(jù)。EEPS-3090顆粒粒徑分析儀可測量粒徑范圍在5.6～560 nm顆粒的數(shù)量濃度、體積濃度、質(zhì)量濃度以及表面積濃度的粒徑分布。

表1    試驗樣機(jī)的基本參數(shù)

      試驗后處理系統(tǒng)由DOC，CDPF，SCR按順序串聯(lián)組成，其中DOC和CDPF的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2    DOC和CDPF基本參數(shù)

2、試驗方案

     柴油機(jī)排放試驗裝置見圖2。為了考察DOC+CDPF+SCR（三元催化器）技術(shù)對柴油發(fā)電機(jī)各類污染物排放特性的影響，以及DOC，CDPF，SCR在各類污染物排放轉(zhuǎn)化中各自的貢獻(xiàn)，本試驗選取本機(jī)后、DOC后、CDPF后以及SCR后共4個測點。臺架試驗工況包括外特性試驗、最大扭矩轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性試驗、標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性試驗。負(fù)荷特性下，在額定轉(zhuǎn)速下分別對負(fù)荷率10%，25%，50%，75%，100%進(jìn)行試驗。共計21個測試工況點。每個測試工況點穩(wěn)定采樣≥1 min。在上述試驗工況下，考察氣態(tài)物（NO?，THC，CO等）和顆粒物的排放特性。

     需要說明的是，裝試序列默認(rèn)為兩次，若兩次裝試仍不能合格交付，則認(rèn)為需進(jìn)行第三次裝試，這時在圖1的裝配流程中增加一次裝試序列，在計算相關(guān)進(jìn)度時需將新增的裝試序列考慮在內(nèi)，以此類推。

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)試驗系統(tǒng)及測點分布

 

二、試驗結(jié)果與討論

 

1、動力性

      圖3示出外特性下加裝DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后處理系統(tǒng)前后的動力性變化。由圖3可知，外特性下，柴油機(jī)扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后降低，加裝后處理裝置后柴油機(jī)扭矩有所降低，尤其是在轉(zhuǎn)速1800 r/min時，這是因為CDPF內(nèi)加載有炭煙顆粒，導(dǎo)致排氣背壓逐漸升高，發(fā)動機(jī)的動力性下降，有效功率與輸出扭矩均有不同程度的損失。圖4示出外特性下加裝DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后處理系統(tǒng)的壓降?？梢钥闯?，隨著轉(zhuǎn)速的提高，空速提高，后處理系統(tǒng)帶來的壓降也基本呈直線提高。加裝后處理后扭矩平均降幅為1.3%，最高降幅為2.5%，加裝后處理裝置對柴油機(jī)動力有一定影響。

 

圖3  外特性下加裝后處理前后柴油機(jī)動力性對比

圖4  外特性下加裝后處理系統(tǒng)后的壓降

 

2、經(jīng)濟(jì)性

      負(fù)荷特性下，柴油機(jī)燃油消耗率隨著負(fù)荷的增加而降低，加裝后處理裝置后柴油機(jī)燃油消耗率惡化的比例也隨負(fù)荷的增加而降低。這是因為柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性同樣受到排氣背壓的影響。外特性下加裝后處理后柴油機(jī)燃油消耗率增加比率平均約為2.6%，對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有一定影響。

      自動化系統(tǒng)的主要功能為：數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理。通過端站的傳感器和執(zhí)行端完成數(shù)據(jù)的采集和命令執(zhí)行；各站的數(shù)據(jù)通信設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)；最后由監(jiān)控中心站的微機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理工作，包括數(shù)據(jù)識別、校驗、存貯和分析，并將處理后的數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲和打印。

3、常規(guī)氣態(tài)物及顆粒物排放特性

（1）NO?排放特性

      圖5、圖6示出1500轉(zhuǎn)和1800轉(zhuǎn)額定轉(zhuǎn)速下NO?的轉(zhuǎn)化率和SCR入口溫度隨負(fù)荷的變化。從圖中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，排氣溫度和NO?的轉(zhuǎn)化率逐漸增加，這是因為負(fù)荷增大導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度升高，而較高的排氣溫度能促進(jìn)SCR的催化還原。在低負(fù)荷下，SCR后的NO?排放沒有得到有效控制，這是因為低負(fù)荷下排氣溫度較低，SCR催化劑活性受到抑制，SCR的工作效率不高。隨著負(fù)荷的提高，排氣溫度升高，此時NO?轉(zhuǎn)化率達(dá)到最佳。試驗結(jié)果表明：在SCR入口溫度達(dá)到230℃時，NO?的轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%；低負(fù)荷下，SCR入口溫度較低，NO?的轉(zhuǎn)化率不超過40%；在75%和100%負(fù)荷下，平均轉(zhuǎn)化率分別為98.7%，94.7%，高負(fù)荷下溫度的進(jìn)一步提升反而會促進(jìn)NH3的氧化反應(yīng)，略微降低NO?的轉(zhuǎn)化率。

      圖7示出外特性下原機(jī)后、DOC后、CDPF后3個測點下NO?占NO?比例的變化。原機(jī)后NO?比例極低，在1500 r/min時最大，僅為1.95%。DOC后NO?比例顯著提升，這是因為DOC將部分NO氧化為NO?。低轉(zhuǎn)速下DOC氧化特性主要受到溫度的制約，轉(zhuǎn)速的提高導(dǎo)致溫度提高，NO?比例提高；高轉(zhuǎn)速下DOC氧化特性主要受空速影響，NO?比例逐漸下降。排氣進(jìn)入下游CDPF后，部分NO在催化劑的作用下繼續(xù)被氧化為NO?，部分NO?參與CDPF的被動再生，氧化顆粒物從而被還原，這兩方面原因?qū)е铝薔O?比例的變化。從圖6中可以看出，CDPF后NO?比例略有上升，這說明CDPF催化作用的NO?生成量要多于被動再生消耗的NO?。

      圖8示出外特性下原機(jī)后、DOC后、CDPF后、SCR后4個測點的NO?排放特性。從圖中可以看出，原機(jī)后NO?比排放隨著轉(zhuǎn)速的增加先增加后緩慢降低。DOC后、CDPF后NO?排放略有降低，NO?減排的主要貢獻(xiàn)者還是SCR。在低轉(zhuǎn)速下，SCR仍然受溫度的影響工作效率不高，這與上文低負(fù)荷的情況類似。隨著轉(zhuǎn)速的提高，SCR轉(zhuǎn)化率逐漸提高，在1800 r/min時達(dá)到92.1%，NO?比排放量為0.94 g/（kW·h），此后NO?轉(zhuǎn)化率在平均值92.2%左右波動，NO?比排放量均在2 g/（kW·h）以下。

 

圖5  負(fù)荷特性下NO?轉(zhuǎn)化率和溫度的變化（1500轉(zhuǎn)）	圖6  負(fù)荷特性下NO?轉(zhuǎn)化率和溫度的變化（1800轉(zhuǎn)）
圖7  柴油機(jī)外特性下NO?比例的變化	圖8  柴油機(jī)外特性下不同測點NO?的排放特性

 

（2） THC排放特性

       圖9示出外特性下原機(jī)后、DOC后、CDPF后、SCR后4個測點的THC排放特性?？傮w而言，THC比排放受轉(zhuǎn)速增加影響不大。對比4個測點的THC排放規(guī)律可以看出，原機(jī)后、DOC后、CDPF后、SCR后4個測點的THC排放依次降低。DOC后THC的平均轉(zhuǎn)化率為86.2%，CDPF后THC的平均轉(zhuǎn)化率為87.9%，SCR后THC的平均轉(zhuǎn)化率為90.1%，可以看出，DOC是THC排放降低的主要貢獻(xiàn)者，CDPF、SCR能略微提高THC的轉(zhuǎn)化率。主要原因是DOC和CDPF均涂覆了貴金屬Pt和Pd，其中Pt對飽和碳?xì)浠衔锏难趸钚暂^高，Pd對不飽和碳?xì)浠衔锏难趸钚暂^高，因此，在Pt和Pd的催化作用下，THC比排放顯著下降；同時，DOC內(nèi)氧化反應(yīng)也提高了排氣溫度，促進(jìn)了THC在CDPF內(nèi)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化；SCR中部分THC也可作為還原劑與NO?發(fā)生反應(yīng)。

（3）CO排放特性

      圖10示出外特性下原機(jī)后、DOC后、CDPF后、SCR后4個測點的CO排放特性。總體而言，CO原機(jī)比排放隨轉(zhuǎn)速的提高先降低后增加，在1500 r/min時CO的比排放過高，達(dá)到18.5 g/（kW·h），可能是缸內(nèi)燃燒不完全導(dǎo)致，但在DOC的減排作用下CO最終比排放不超過0.01 g/（kW·h）。CO的轉(zhuǎn)化率始終處于一個較高的水準(zhǔn)，平均轉(zhuǎn)化率達(dá)到91.3%，DOC是CO減排的主要貢獻(xiàn)者；CDPF能進(jìn)一步略微減少CO的排放，這是因為DOC內(nèi)氧化反應(yīng)提高了排氣溫度，CDPF內(nèi)涂覆的貴金屬在排氣溫度提高的情況下進(jìn)一步發(fā)揮了作用；SCR對CO排放影響不大。后處理裝置后CO比排放保持在0.01～0.02 g/（kW·h）。

 

圖9  柴油機(jī)外特性下不同測點THC的排放特性

圖10  柴油機(jī)外特性下不同測點CO的排放特性

 

（4）顆粒物排放特性

       圖11~圖15示出額定轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷下的不同測點下顆粒粒徑（Dp）分布。由圖11~圖15可見，經(jīng)過DOC和CDPF后，柴油機(jī)的顆粒物排放得到有效降低。顆粒物數(shù)量分布存在核態(tài)和聚集態(tài)兩個分布區(qū)，分割點在50 nm。其中，核態(tài)顆粒物粒徑在50 nm以內(nèi)，主要由含硫化合物、碳?xì)浠衔锏瓤扇苡袡C(jī)組分組成；聚集態(tài)顆粒物粒徑在50 nm以上，主要成分為高度聚合形態(tài)的含碳顆粒吸附含硫化合物、碳?xì)浠衔锏瓤扇苡袡C(jī)組分形成。隨著粒徑的增大，原機(jī)顆粒物數(shù)量總體呈先略微增加后減少的趨勢，粒徑分布呈單峰或雙峰分布。單峰分布峰值在粒徑45 nm附近；雙峰分布第一個峰值在粒徑10 nm附近，第二個峰值在粒徑45 nm附近，均處于核態(tài)分布區(qū)內(nèi)，第二個峰值接近于核態(tài)分布區(qū)和聚集態(tài)分布區(qū)的分界點，因此，核態(tài)顆粒物原機(jī)排放數(shù)量比聚集態(tài)更高，20～100 nm區(qū)域顆粒物數(shù)量最高，占排放總量的79.1%。

      經(jīng)過DOC后，顆粒物數(shù)量有所降低，但顆粒物粒徑分布規(guī)律變化不大。隨負(fù)荷的增大，排氣溫度隨之升高，DOC對顆粒物的減排效果也更明顯。DOC對粒徑在100 nm以內(nèi)的顆粒物具有良好的減排效果；對于更高粒徑的聚集態(tài)顆粒物，DOC在10%負(fù)荷（如圖11）和100%（如圖15）負(fù)荷時減排效果較差，這是因為低負(fù)荷時排氣溫度較低，DOC的催化性能不高，而高負(fù)荷時DOC前排氣溫度高達(dá)408℃，反而促進(jìn)了硫酸鹽的生成。

      經(jīng)過CDPF后，顆粒物粒徑主要呈三峰分布或多峰分布，峰值點散布于核態(tài)和聚集態(tài)兩個分布區(qū)。在粒徑20～200 nm區(qū)域，CDPF的顆粒凈化效率最高；對于粒徑在20 nm內(nèi)的顆粒物，CDPF的凈化能將顆粒物數(shù)量降低一個數(shù)量級；對于粒徑在200 nm以上的顆粒物，CDPF的凈化效果相對較差。以25%，50%和100%負(fù)荷為例：25%負(fù)荷下（如圖12），CDPF后粒徑在200 nm內(nèi)、200 nm以上的顆粒物減排率分別為99.6%，85.9%；50%（如圖13）負(fù)荷時，CDPF后粒徑在200nm內(nèi)、200nm以上的顆粒物減排率分別為99.4%，80.3%；100%負(fù)荷時，CDPF后粒徑在200 nm內(nèi)、200 nm以上的顆粒物減排率分別為98.3%，81.9%。

      總體來說，5.6～560 nm的PN減排率（顆粒物數(shù)量減排率）和PM減排率（顆粒物質(zhì)量減排率）可以由顆粒物的粒徑分布加權(quán)得出，額定轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下DOC+CDPF后PN及PM減排率見圖16。隨負(fù)荷的增大CDPF的PN減排效果略有衰減，這是因為高負(fù)荷下原機(jī)顆粒物排放數(shù)量更高，盡管CDPF捕集了更多的顆粒物，但總體減排率仍略有降低。由于CDPF對大粒徑顆粒物凈化效果相對小粒徑顆粒物較差，PM減排率略低于PN減排率，PM平均減排率為96.6%。在CDPF捕集顆粒物的過程中主要有三種捕集機(jī)理：布朗擴(kuò)散、直接攔截以及慣性碰撞。在整個捕集過程中，布朗擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，但隨著顆粒物粒徑的增大，布朗擴(kuò)散的作用下降，直接攔截和慣性碰撞機(jī)理的效果提高，但提高的效果有限，導(dǎo)致大粒徑顆粒物的凈化效果相對較差；同時對于小粒徑顆粒物來說，一方面CDPF表面涂覆的催化劑能將聚集態(tài)顆粒表面的可溶有機(jī)組分氧化，將它們轉(zhuǎn)化為核態(tài)區(qū)的小粒徑顆粒物，另一方面排氣中的NO?對碳顆粒的氧化作用也能降低其吸附可溶有機(jī)組分的能力，減小顆粒物粒徑，因此，盡管小粒徑顆粒物的布朗擴(kuò)散機(jī)理作用最強(qiáng)，但減排率仍略低于20～200 nm區(qū)域。

 

圖11  柴油機(jī)10%負(fù)荷特性下不同測點顆粒粒徑分布	圖12  柴油機(jī)25%負(fù)荷特性下不同測點顆粒粒徑分布
圖13  柴油機(jī)50%負(fù)荷特性下不同測點顆粒粒徑分布	圖14  柴油機(jī)75%負(fù)荷特性下不同測點顆粒粒徑分布
圖15   柴油機(jī)100%負(fù)荷特性下不同測點顆粒粒徑分布	圖16   柴油機(jī)負(fù)荷特性下PN及PM減排率

 

三、結(jié)論

 

（1）加裝DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后處理系統(tǒng)對柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性有一定影響，扭矩平均降幅為1.3%，燃油消耗率平均增幅為2.6%。

（2）在合適的排氣溫度下，DOC+CDPF+SCR（三元催化器）能有效降低NO?的排放，SCR是主要貢獻(xiàn)者；中低負(fù)荷以及低速工況下，排氣溫度在200℃以下，NO?的轉(zhuǎn)化率不高；75%和100%負(fù)荷下，排氣溫度超過300℃，NO?的平均轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.7%；DOC能有效提高排氣中NO?的比例，外特性下原機(jī)NO?的平均比例約為1.3%，DOC后NO?的平均比例達(dá)到29.0%，CDPF能將其進(jìn)一步提高到30.8%，促進(jìn)SCR的反應(yīng)效率。

（3）DOC是THC和CO排放降低的主要貢獻(xiàn)者，效果顯著；外特性下THC經(jīng)過DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后的平均轉(zhuǎn)化率為90.1%，THC平均比排放為0.01 g/（kW·h）；外特性下CO經(jīng)過DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后的平均轉(zhuǎn)化率為91.3%，CO平均比排放為0.02 g/（kW·h）。

（4）原機(jī)顆粒物粒徑分布呈雙峰分布，DOC后顆粒物粒徑分布規(guī)律變化不大，CDPF后顆粒物粒徑主要呈三峰分布及多峰分布；DOC對顆粒物有良好的凈化效果，僅在低、高負(fù)荷時對大粒徑顆粒物表現(xiàn)不佳；CDPF對20～200 nm粒徑顆粒物的凈化效率最高，粒徑在20 nm以下的顆粒物的凈化效率其次，200 nm以上最低；PN和PM平均減排率分別為99.1%和96.6%。

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