DOC与SCR系统在轻型柴油机中的应用研究

游 靖，朱 浩，邓红喜，罗福强

(1.江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013；2.无锡四达动力机械集团有限公司， 江苏无锡214187)



DOC与SCR系统在轻型柴油机中的应用研究

游 靖1，朱 浩1，邓红喜2，罗福强1

(1.江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013；2.无锡四达动力机械集团有限公司， 江苏无锡214187)

针对单独的选择性催化还原器(SCR)不能使轻型柴油机排放达到标准，提出氧化催化转化器(DOC)与SCR组合应用。基于台架试验，在一台四缸共轨增压中冷柴油机的排气管上匹配DOC和SCR并进行欧洲稳态循环(ESC)测试研究，探究了DOC对SCR入口处进气的温度影响和对SCR中结晶物进行热重分析，研究了DOC+SCR对柴油机的经济性的影响、尾气排放性能的影响。试验结果表明：DOC对提高SCR入口温度的作用不大，在转速2 400 r/min，扭矩126 N·m时达到最大10 ℃；DOC主要改变SCR入口NO2与NOx的体积比，怠速状态下提高比例达到64%，其余工况达到30%；对尿素沉积物进行了分析，得出排气管壁与喷嘴处附近的结晶组分含量不相同；柴油机采用DOC与SCR后处理装置后，燃油消耗率在高负荷情况下增大1.5%；CO和HC排放在各个负荷下都大幅下降，排放值分别为0.007 g/(kW·h)、0.005 g/(kW·h)；NOx的排放在SCR作用下达到1.209 g/(kW·h)，转化率达到79%。研究结果可为轻型柴油机满足排放标准、优化排放提供参考。

柴油机；排放；氧化催化转化器(DOC)；选择性催化还原器(SCR)

0 引 言

发动机是汽车工业的核心，而柴油机由于热效率高、燃油经济性好被广泛应用[1]，成为当今主要车用动力之一。随着我国排放标准的不断严格以及人们的环保意识不断增强，仅依靠燃烧优化等诸多机内净化技术不能满足现有的排放标准要求。对于柴油机来说尾气中的氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放较高，碳烟是PM的主要组成部分[2]，由于通过机内控制技术降低PM和NOx排放存在矛盾关系，同时降低PM和NOx不容易实现，目前有两种主要技术路线可使柴油车能够满足欧Ⅳ、欧Ⅴ排放法规，一是对燃烧系统进行优化以降低机内颗粒物的生成，然后利用选择性催化还原器(SCR)后处理技术来降低NOx的排放；二是通过废气再循环(EGR)降低机内NOx的生成，然后采用颗粒物后处理技术降低颗粒物排放[3]。SCR技术由于其改装成本低、油品适应性强、产品平台继承性好等优点被广泛应用。氧化催化转化器(DOC)与SCR技术来降低柴油机的排放在欧洲国家得到广泛应用，雷诺、沃尔沃等知名汽车生产制造商均采用车载SCR技术来降低汽车尾气排放，减少尾气污染，2007年丹麦Grundfos公司和Topose公司联合研制出具有SCR技术的车用新型柴油引擎催化氧化器，德国的BOSCH公司开发了由喷射模块和定量配给模块组成的SCR系统，为了有效的控制尾气排放，康明斯IEM采用DOC+SCR，并由电控模块对其进行控制。在国内，2006年广西玉柴机器股份有限公司第一台达到欧Ⅳ排放要求的发动机诞生，通过SCR有效控制尾气排放，完全达到了欧Ⅳ排放水平，上海柴油机股份有限公司自主研发采用电控高压和机外SCR后处理技术实现重型柴油机满足欧Ⅳ排放法规要求[4]。

在我国国V排放标准出台后，小排量柴油机由于裸机排放比较高，单纯依靠SCR系统实现NOx、PM同时达到排放标准较为困难。DOC可以有效降低尾气中一氧化氮(CO)、碳氢化物(HC)和颗粒中的可溶性有机成分(SOF)。在国内外研究中，对于如何去改善小排量发动机排放不理想的研究甚少，尤其是对于DOC+SCR应用在轻型裸排较高的柴油机中的影响研究更少，大多数研究主要是针对DOC+微粒氧化催化转化器(POC)或者DOC+柴油机尾气排放颗粒过滤器(DPF)的，如谭丕强等[5]研究的是关于DOC+柴油颗粒过滤器(CDPF)对生物柴油燃烧颗粒排放特性的影响。此外，在后处理匹配过程中不应只看到SCR带来降低排放的优点，而忽略SCR的结晶问题。国外对SCR的应用研究集中在利用模拟来指导试验[6]，同时把过多的研究放在SCR催化剂等影响上，也并没有分析DOC+SCR组合应用对柴油机性能与排放的影响。

本文提出DOC+SCR在轻型柴油机中的应用，并对此做了相关的试验研究，以国内某经典四缸共轨柴油机为研究对象，在分别加装DOC+SCR、SCR后按照《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》(GB17691-2005)标准进行试验，通过研究来分析DOC对SCR反应温度的影响和对SCR入口处NO2与NOx的体积比的影响，并对尿素结晶进行热重分析，以及加装DOC+SCR后与原机对比十三工况下燃油消耗率、HC、CO、NOx的变化。

1 试验设备与试验方案

1.1 试验柴油机及工况

试验中所使用的柴油机为电控高压共轨四缸柴油机，该款发动机在单体泵基础上改装成电控高压共轨系统。发动机的主要参数如表1所示。

为探究DOC+SCR对柴油机经济性以及排放的影响，试验采用欧洲稳态测试循环(ESC)十三工况排放试验[7]。表2所示为ESC稳态十三工况分布。其中，A=1 950 r/min，B=2 400 r/min，C=2 850 r/min。各工况点除了怠速运转4 min外，其余12个工况点均为2 min。试验时，保证每个工况转速最大误差控制在50 r/min范围内，扭矩最大误差控制在2%以内。

表1 试验柴油机的参数

表2 欧洲稳态测试循环(ESC)工况点

1.2 试验台架布置

试验台架由发动机、测功机、后处理系统、尾气分析仪、计算机组成，布置如图1。

试验中使用的测控系统为湘仪FC2000测控系统，测功机为电涡流测功机。尾气分析测量使用奥地利AVL公司生产的Digas 4000尾气分析仪，内置符合《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》(GB18285-2005)的双怠速测量软件，它的CO测量精度0.01%体积分数、HC测量精度1×10-6、NO测量精度1×10-6、发动机转速测量精度1 r/min。

图1 台架布置

1.3 试验后处理系统

本试验主要采用的后处理系统包括DOC、SCR，主要结构参数如表3所示。

表3 DOC和SCR主要参数

排气先经过DOC，将部分NO氧化成NO2:

2NO+O2→2NO2。

同时DOC是将发动机燃烧产生尾气中CO、HC和颗粒中的SOF(可溶性有机物)成分在一定的温度条件下，通过贵金属的催化与排气中的氧气发生氧化反应，通过无害化(CO→CO2、HC→H2O+CO2、C→CO2)转化处理、降低PM(以及HC、CO)排出量[8]。为了提高氧化反应的效率，采用了大容量的催化器，同时直接与增压器相联结，提高了催化器的温度，增加了实际转化效率。

随后排气经过SCR，SCR的作用是为了降低柴油机NOx的排放，以浓度为32.5%尿素水溶液作还原剂，在载体上的催化剂作用下将还原成N2和H2O排出，主要有如下两个反应：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O，

(1)

2NH3+NO+NO2→4N2+3H2O。

(2)

由公式(1)和(2)中可以看出DOC氧化的NO量对SCR反应效率有直接影响，这也是DOC+SCR技术路线可行的其中一个原因。

1.4 试验方法

搭建好台架，试验按照GB17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》进行，在A=1 950 r/min、B=2 400 r/min、C=2 850 r/min三种转速下选取负荷为25%、50%、75%及100%的四个工况点，测试不带DOC的SCR系统入口温度以及加装DOC后SCR系统的入口温度，对SCR喷嘴处、喷嘴座底部和排气管壁中的结晶进行取样并进行热分解，对原机和带DOC+SCR两种情况进行尾气排放检测，试验过程中保持调节排气背压阀使得排气背压保持一致。

2 试验结果与分析

2.1 DOC对SCR入口温度的影响

考虑到DOC前置，所发生的氧化放热反应可能对SCR入口温度产生影响，图2所示是ESC十三工况下SCR的入口温度。从图2中看到各个工况下SCR入口温度变化并不大，在转速1 950 r/min、扭矩56 N·m时温度变化为0，在转速2 400 r/min、扭矩126 N·m时，SCR的入口温度提高了10 ℃，其他工况下提高温度也很小，可知DOC的氧化反应产生的放热量对于排温的影响甚微，故可以忽略不计，虽然SCR的转化效率受到排气温度的影响，但是DOC对SCR 入口温度的影响太小。因此，DOC并不是影响SCR转化率的主要因素。

2.2 DOC对SCR入口处NO2与NOx的体积比的影响

由公式(2)可知，当废气经过DOC部分氧化成NO2时，SCR将进行快速反应，NOx转化速率会加快，理想的为1∶2[9]。图3给出十三工况中SCR入口处NO2与NOx的体积比。从图3中可知，在未安装DOC时，SCR入口处体积比大约在10%左右，大量的NO使得大部分反应按照公式(1)所示进行。在安装DOC后，SCR入口处NO2与NOx的体积比提高到30%～50%，怠速状态下NO2与NOx的体积比达到64%，DOC改变了SCR进口处的NO2与NOx的组分，将部分NO氧化成NO2，促进了SCR还原反应进行，也就是进行了公式(3)所示的反应，提高NOx转化效率。因此，DOC前置不但可以有效降低CO、HC的排放量，还可以有效提高SCR的NOx转化效率，辅助SCR还原NOx。

图2 SCR入口温度

Fig.2 Entrance temperature of SCR

图3 十三工况下NO2与NOx的体积比

Fig.3 Volume ratio of NO2与NOxunder 13 mode test cycle

2.3 SCR尿素沉积物的热重分析

SCR系统中发生的复杂的反应过程，包括尿素液滴的雾化、破碎、蒸发，排气管中的结晶情况会影响系统正常运行包括整机性能，尤其在SCR喷嘴下游附近结晶情况最为严重[10-11]。为了获得样品质量与温度的关系曲线，利用热重分析法对样品进行分析，把质量随温度的变化关系称作样品的物理化学变化过程。利用瑞士梅特勒—托利多公司的TGA/DSCI热分析仪进行热重分析。

图4所示为尿素喷嘴、喷嘴座底部、排气管壁三处的结晶热分解，程序温度区间40～1 000 ℃，升温速率20 ℃/min。从图4中可以看出，尿素喷嘴位置和喷嘴座底部沉积物热分解过程几乎一致，由此可以说明成份、组分含量一致。排气管内壁上的结晶出现失重速率峰值较尿素喷嘴和喷嘴座位置提前，在200～230 ℃附近。随着温度的增加，三处样品失重速率峰值再次出现且失重速率接近相同，在390 ℃附近达到峰值最大。总的来看，三处结晶在420 ℃左右基本下降到初始质量的8%。质量变化起始温度一致，说明结晶中含有相同的成分，排气管内壁与喷嘴附近在对应温度区间质量变化有所差别，说明组分含量有所差别。从图4中可以总结出，解决结晶问题的关键在于优化喷嘴并控制排气温度。

2.4 DOC+SCR对柴油机经济性的影响

柴油机在三种转速A=1 950 r/min、B=2 400 r/min、C=2 850 r/min下不同负荷的燃油消耗率，如图5所示。

由图5可知，装配DOC+SCR后柴油机燃油消耗率在各负荷下都略高于原机的燃油消耗率。转速2 400 r/min负荷100%时，原机燃油消耗率仅为装配DOC+SCR时的97%。从低、中、高三个转速来看，无论是否装配DOC+SCR，都是当柴油机的负荷越大，燃油消耗率越低，在负荷100%时达到最低。且在低负荷向重负荷过渡时燃油消耗率下降幅度较大。从负荷25%提高到负荷50%，燃油消耗率降低20%。同时高转速下的燃油消耗率要大于低转速，转速2 850 r/min下的燃油消耗率比1 950 r/min下的燃油消耗率大5.1%。分析原因，在增加DOC+SCR后处理系统后，柴油机排气背压受后处理的影响发生变化，尤其是在中高转速，这使得柴油机排气冲程时泵气损失增大，降低了柴油机的充气效率，同时增加燃烧室内的残余废气，不能得到更充足的新鲜空气，使得燃烧恶化，燃烧效率下降，机械损失增大，所以造成了加装后处理系统后燃油消耗率大于原机[12-14]。同时因为试验中使用的是一款四缸增压柴油机，当增压器工作时可以提供较大进气压力，造成过量空气系数变大，随负荷增大，柴油机平均有效压力增大，机械效率上升较快，且柴油机指示热效率下降的速率小于机械效率上升速率，所以燃油消耗率曲线走势是随着负荷的增大而降低的。

图4 沉积物热分解对比

Fig.4 Sediment thermal decomposition

图5 燃油消耗率对比

Fig.5 Specific fuel consumption

2.5 DOC+SCR对柴油机CO排放的影响

柴油机在三种转速A=1 950 r/min、B=2 400 r/min、C=2 850 r/min下各负荷的CO排放对比，如图6所示。

由图6可知，在装配后处理系统前，同一转速下，随着负荷的增大，CO排放在不断减少，负荷100%时，CO排放体积分数降到71×10-6左右。且在中低负荷中，下降的速率较快。转速为1 950 r/min时，从25%负荷到50%负荷体积分数下降80%。在安装后处理系统后，CO排放大幅度降低，转速1 950 r/min负荷25%时，CO排放下降98%。加权排放值0.007 g/(kW·h)。分析原因，原机状态下，在负荷较小时，柴油机缸内燃烧温度较低导致燃料不完全燃烧从而生成大量CO。随着负荷的增大，燃烧较完全，CO浓度随着负荷的增大在降低[15]。加装后处理系统后，在DOC中的贵金属铂催化作用下使得废气中的CO与O2发生氧化反应生成CO2，从而在低负荷下就能够有效降低CO排放，使得CO排放几乎为零。

2.6 DOC+SCR对柴油机HC排放的影响

柴油机在三种转速A=1 950 r/min、B=2 400 r/min、C=2 850 r/min下各负荷的CO排放对比，如图7所示。

由图7可知，在加装后处理系统前，同一转速下，随着负荷的增大，HC排放在不断降低，负荷100%时，HC排放体积分数降到9.7×10-6左右。且在中低负荷中，下降的速率较快。转速1 950 r/min时，从25%负荷到50%负荷体积分数下降88%。在安装后处理系统后，HC排放大幅度降低，转速1 950 r/min负荷25%时，HC排放下降94%。加权排放值为0.005 g/(kW·h)。分析原因，原机状态下，在负荷较小时候，油气混合浓度较低，混合气体比较稀薄，燃烧不完全，HC排放增加。加装后处理系统后，在DOC中的贵金属催化作用下使得废气中的HC氧化成H2O+CO2[16-17]。当负荷越大，排气温度越高，催化剂的活性提高，使得DOC的催化反应效率越高。

图6 CO排放体积分数

Fig.6 CO exhaust volume fraction

图7 HC排放体积分数

Fig.7 HC exhaust volume fraction

2.7 DOC+SCR对柴油机NOx排放的影响

柴油机在三种转速A=1 950 r/min、B=2 400 r/min、C=2 850 r/min下各负荷的NOx排放对比，如图8所示。

图8 NOx排放体积分数对比Fig.8 NOx volume fraction

由图8可知，在加装后处理系统前，同一转速下，NOx排放随着负荷的增加而增加，负荷越大，NOx排放越大，转速2 850 r/min，负荷100%时，NOx体积分数达到1 050×10-6；中低负荷时，在负荷保持不变的情况下，可以看出随着转速的变大，NOx排放却稍有降低，转速2 850 r/min负荷25%时的排放值比转速1 950 r/min负荷25%时要低27%。在安装后处理系统后，NOx排放大幅度降低，在转速2 850 r/min负荷100%时，NOx排放下降86%。加权排放值为1.209 g/(kW·h)，转化效率达到79%。分析原因，原机状态下，同一转速下，燃油混合气体的平均空燃比随着柴油机的负荷增大在降低，此时的缸内温度和燃烧压力却在急剧上升，这样会导致随着负荷增大，NOx排放增大[18]；在同一负荷下，随着转速的升高，柴油机燃烧室内的空气量减少，导致含氧量降低，使得燃烧恶化，此时氧浓度对燃烧的影响大于缸内温度升高而导致的燃烧恶化，在一定的程度上使得NOx的排放得到抑制。在加装后处理系统后，由于SCR的作用，发生选择性催化还原反应，在载体上催化剂作用下，尿素水溶液作还原剂，使得NOx还原成N2和H2O，所以NOx排放大幅度降低。

3 结 论

①DOC装配在SCR前对排温影响在10 ℃上下，并且最主要的使SCR入口处NO2与NOx的体积比提高到30%～50%，使SCR中的反应能进行快速反应。因此在SCR前端匹配DOC不但可以有效降低CO、HC，还通过改变SCR入口处NO2与NOx的体积比，有效提高SCR对NOx的催化反应效率，使反应效率达到79%。

②SCR喷嘴处、喷嘴座处与排气管壁尿素结晶成分相同，组分含量不同，可以通过有效控制排温在350～400 ℃附近，从而有效控制尿素结晶生成，解决后处理系统堵塞问题。

③在低转速小负荷状态下，DOC+SCR后处理系统对油耗的影响较小，高负荷情况下，燃油消耗率增大1.5%，综合来说，DOC+SCR对柴油机的经济性影响较小。

④柴油机在匹配DOC+SCR后处理系统后，CO、HC和NOx排放值在各个工况下都有了极大改善与降低，使得排放值分别达到0.007 g/(kW·h)、0.005 g/(kW·h)和1.209 g/(kW·h)，对改善轻型柴油机排放有明显作用。

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(责任编辑 梁 健)

Applied research of DOC and SCR on light-duty vehicle diesel engine

YOU Jing1, ZHU Hao1, DENG Hong-xi2, LUO Fu-qiang1

(1.School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China; 2.Wuxi Si Da Power Machinery Group Co., LTD, Wuxi 214187, China)

Because the individual selective catalytic reduction (SCR) can not make light diesel engine reaches emission standards, Coupling diesel oxidation catalyst (DOC) with SCR is proposed. An experimental research was carried out to explore the effects of coupling DOC and SCR on performance and emission of a 4-cylinder, common rail, inter-cooling diesel engine to follow European steady state cycle (ESC) role. Results showed that DOC had little effects on the temperature of SCR entrance especially. The temperature increased about 10 ℃ when speed was 2 400 r/min and torque was 126 N·m and it mainly changed the ratio of NO2to NOxto 64% on the idling condition while other conditions were about 30%; By the analysis of the urea sediment, it is found that the components of urea sediment on the surface of the exhaust pipe and near the injector were different. With the coupling use of DOC and SCR, the fuel consumption rate slightly increased about 1.5% at high load conditions. The CO and HC emission were decreased obviously, the results showed that emission were 0.007 g/(kW·h) and 0.005 g/(kW·h). Moreover, the NOxemission was 1.209 g/(kW·h) with the use of SCR and its conversion efficiency reaches 79%.The results can provide reference to meet emission standards and to optimize emission for light diesel engine.

diesel engine; emission; diesel oxidation catalyst(DOC);selective catalytic reduction(SCR)

2016-06-23；

2016-07-25

国家自然科学基金资助项目(51476072)；江苏省高校优势学科建设工程资助项目(苏政办发[2011]6号)

罗福强(1963—)，男，湖南辰溪人，江苏大学教授，博士生导师；E-mail：luofq@ujs.edu.cn。

游靖，朱浩，邓红喜，等.DOC与SCR系统在轻型柴油机中的应用研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(5)：1386-1393.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1386

TK421.5

A

1001-7445(2016)05-1386-08