关于采用DOC+SCR后处理国5柴油机对应WHTC排放的技术措施试验研究

王知银，曹怀礼

(庆铃汽车(集团)有限公司，重庆 400052)

关于采用DOC+SCR后处理国5柴油机对应WHTC排放的技术措施试验研究

王知银，曹怀礼

(庆铃汽车(集团)有限公司，重庆 400052)

针对WHTC试验工况排温低、SCR不易发生起燃催化反应、会引起NOx排放高的问题,在发动机燃油系统的排放标定基础上，采用节气门和后处理包裹保温等技术措施提高发动机排气温度，达到SCR系统催化反应条件，实现降低PM和NOx排放的目标。试验研究结果表明：该发动机最终达到WHTC排放法规限值要求。

WHTC； NOx排放；排气温度；节气门；后处理包裹

在中国大气污染问题日趋严重，尤其是大城市空气污染、雾霾天气不断加重的情况下，中国陆续制定和出台了发动机和车辆方面的更严格的环保法规。国家环保部曾专题研究了大城市中车辆的排放问题。研究结果表明:大城市的柴油车行驶车速慢、发动机转速低，即使是装有SCR后处理的国4车辆的NOx排放仍高于试验室中发动机的排放。因此，国家环保部在已出台的国5排放法规基础上，专门针对城市用柴油车辆(如公交、环卫、邮政等车辆)增加了强制性的WHTC试验法规HJ689—2014[1]，今后城市用国5柴油车的发动机除满足GB17691—2005[2]中要求的ESC和ETC等试验规范外，还必须对应WHTC试验法规。

相比于发动机常规的瞬态排放试验规范ETC而言，WHTC法规主要针对城市用柴油车运行工况特点设置，更侧重考查发动机低转速区域的排放状况。其整个试验循环的平均转速和功率都较低，发动机排温也随之偏低[3]。另一方面，在中国重型车(GVW>3.5 t)市场上，大部分车辆都采用的是钒基SCR后处理技术路线，而钒基SCR在与发动机尾气中NOx发生催化反应时，有一个起燃反应温度，低于此温度SCR系统将不会喷射尿素，或是虽然高于此温度门槛限值，但SCR催化效率不一定是最佳，因而不能有效降低NOx排放[4]。如何解决发动机在WHTC试验循环下的排气温度低问题，如何满足和实现发动机尿素起喷、反应条件，实现真正降低NOx排放目的，是众多发动机生产企业或整车生产企业面临的课题。本文针对此问题展开试验研究。

1 试验设备和发动机

1.1 试验设备

发动机试验选在一般专业排放试验室,所用设备包括发动机测功机、全流稀释通道和相关分析仪等，试验所用主要设备及仪器见表1。

表1 试验所用主要设备及仪器Table 1 Equipment and instruments used in the test

1.2 发动机参数

试验用发动机技术参数见表2。

表2 发动机技术参数

2 试验技术方案

2.1 WHTC试验工况分析

WHTC试验工况可对比发动机常规瞬态试验工况ETC来研究分析。环保部委托济南汽车检测中心等对WHTC和ETC的对比试验研究结果(表3和图1)显示：因ETC循环的排放高，更容易达到SCR系统的尿素喷射温度和实现较高效率的反应。但WHTC更侧重于低速，而且怠速的比例明显增加，整个循环的平均转速和功率都比较低，导致发动机排气温度很低，WHTC的冷热态工况平均排温都低于ETC，甚至都低于SCR起喷和催化反应温度。

表3 WHTC和ETC试验工况对比

2.2 试验方案

为保证SCR系统的尿素正常喷射、雾化和发生起燃催化反应，提高排气温度是后处理SCR系统起作用和发生催化反应的关键，各种措施围绕此技术目的展开。试验发动机采用的是增压中冷技术。本项目的主要排放技术措施是在共轨系统标定的基础上，通过增加节气门、增加催化器包裹保温层、采用EGR系统等开展细致调整、优化。

图1 WHTC和ETC试验工况点分布和排气温度对比

EGR系统是柴油发动机调控、降低NOx的有效手段[5]，试验方案考虑通过增加EGR系统后，在一定程度降低NOx的排放，然后再利用SCR后处理系统进一步降低NOx的排放。

SCR必须在一定排气温度基础上才能发挥作用。试验结果证明：进气节流阀(节气门)是一种极为有效的提高排温的手段[6]。按照燃烧理论，发动机机燃料的不完全燃烧会提高排气温度，发动机的进气量降低也可较好地提高发动机的排气温度。节气门可以有效控制发动机的进气量。节气门关闭，燃油发生不完全燃烧，发动机排温会显著提高，从而提升了SCR的反应温度和效率。但此措施需要兼顾发动机进气量减少、发动机PM上升的可能性，以及PM和NOx的排放平衡。

虽然发动机燃烧后的排气温度得到有效提高，但如果管路布置不当，排气管路和催化器的外表面散热也会导致排温损失，致使SCR载体的反应温度降低。因此，对排气管路或后处理装置实施物理包裹以减少排气温度损失，对保证SCR的反应温度是有效的。

3 WHTC排放实验研究

本次试验发动机是匹配搭载到总质量大于3.5 t的轻卡(即重型车)上的，因此排放试验按重型发动机排放标准GB17691—2005开展[6]，即对发动机单体开展排放试验。

3.1 排放控制基本策略

柴油发动机排放污染物主要控制对象为PM(颗粒)和NOx(氮氧化合物)，整个排放研究过程中，始终围绕这一对互为矛盾的目标寻求标准限值的平衡。

本试验发动机为3L的小型发动机，对应WHTC试验工况时，排放污染物中的PM成分中SOF的占比更大，soot和SOF比例约为2∶8。该发动机采用DOC+SCR后处理的排放策略：在发动机机内完成PM和NOx的原排标定，控制好PM和NOx的原机排放量，然后再通过后处理催化反应，降低各种排放污染物，达到对应的排放法规标准要求。其中：DOC主要针对SOF的催化消减，达到对PM的消减；SCR主要针对NOx的消减，最终达到法规限值标准。预想的排放消减规律如图2所示。

图2 WHTC排放控制基本策略

在排气温度低时，后处理SCR系统不能有效起作用，难以达到预定降低NOx排放的目的。为此，重点考虑针对降低NOx排放的专门技术措施。

3.2 EGR(废气循环系统)对排放影响

图3为发动机采用EGR后的WHTC排放研究结果。在采用EGR后，NOx下降9.2%。但由于EGR遵循贫氧燃烧规律，使PM出现上升，比原排的PM升高48.3%。

在此基础上，增加DOC+SCR后处理试验，PM和NOx最终结果均超过了法规限值。其中PM平均结果超过限值100.9%，NOx平均结果超过限值22.7%。综合分析后得出：虽然EGR对降低NOx有一定效果，但EGR不能有效提升发动机排气温度，导致后处理装置的DOC和SCR转化效率同时降低，这是导致PM和NOx排放超出法规限值的主要原因。因此，采用EGR方案不能最终解决PM和NOx超高的排放问题，还必须采用其他措施彻底解决NOx的排放问题。

3.3 节气门对NOx排放的影响

图4是发动机采用节气门后的排气温度值，在没有节气门情况下，WHTC的平均排气温度为188℃，增加节气门后，WHTC平均排气温度为224℃，温度提升36℃，表明节气门对排温提升效果显著。

图4 带节气门后WHTC的排气温度

图5是采用节气门后WHTC排放结果值，可见PM和NOx均满足WHTC法规限值要求。试验结果表明:排气温度对后处理效率提升有较明显效果。一方面，节气门的关闭减小了空气量，使燃油不能完全燃烧，导致PM升高，但PM其中主要成分是SOF，这样，在催化器中的DOC也可以提高反应效率， DOC在有效催化消除CO和HC排放的同时，也消减了SOF，降低了PM排放。另一方面，节气门可以有效控制发动机的进气量。节气门关闭，使发动机排气温度显著提高，大大提升了SCR的反应温度和效率。排气温度提升了SCR的反应效率，使NOx排放降低到法规限值内。但试验排放结果只是刚满足法规限值要求，裕度不足。

3.4 催化器包裹对NOx排放的影响

图6是对催化器包裹的技术方案。由于整车车辆布置和干涉原因，没有对发动机增压器出口到催化器全段排气管路实施包裹，只考虑对催化器本体实施包裹。

图7表明：催化器包裹后，在WHTC试验工况下，SCR的反应温度提升21 ℃，从224 ℃提升到245 ℃，正好处于SCR最有效反应温度的范围。

图5 带节气门后WHTC排放结果

图6 催化器包裹的技术方案

图7 带节气门及催化器包裹后WHTC的排气温度

图8是在催化器包裹状态下发动机WHTC排放结果。可见PM和NOx有效降低，在法规限值内有一定裕度，PM相对于法规限值裕度为31.3%，NOx相对于法规限值裕度为17.3%，可有效保证和弥补发动机一致性的散差波动。

图8 带节气门和催化器包裹后WHTC排放结果 Fig.8 Results of WHTC emission with a throttle valve and a catalytic converter

4 结论

1) WHTC试验循环工况排气温度低，是DOC+SCR后处理的一个难点问题。且排气温度是采用SCR技术路线对应WHTC排放法规的关键因素，所有技术措施都按此对应和考虑。

2) 仅增加采用EGR系统在控制NOx上有一定效果，但不能有效提高发动机排气温度。对于排气温度不高的发动机，不能通过SCR后处理来解决其余NOx的排放问题，会出现PM排放大幅恶化的情况。

3) 增加节气门调控排气温度是稳定可靠的对应WHTC法规的技术措施。节气门开闭可有效提高排气温度。虽然发动机原排PM会升高，但由于较高的排气温度可提高DOC的催化反应效率，消减PM中的SOF，因此最终可实现PM和NOx的双降合规。

4) 通过物理手段如表面包裹方法可减少排气管路和催化器的温度损失，这也是提高和保证SCR反应效率的手段之一，是应对WHTC的有利措施。

[1] 国家环境保护部.城市用车辆柴油发动机排气污染物排放限值及及测量方法(WHTC工况法)，HJ689—2014[S].

Environmental Protection of the People’s Republic of China.Emission limits and measurement methods for exhaust emissions from vehicle diesel engines(WHTC method),HJ689—2014[S].

[2] 国家环境保护总局.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[S].

The State Environmental Protection Administration.The limits and measurement methods of vehicle pressure ignition,gas fuel ignition engine and automobile exhaust emission(China III,IV,V),GB17691—2005[S].

[3] 田茂军,黄德军,谷雨.重型车用发动机WHTC与ETC瞬态测试循环试验对比研究[J].内燃机与配件,2015(1):1-4.

TIAN Maojun.HUANG Dejun,GU Yu.Comparison Study of Transient Test Cycle WHTC and ETC for Heavy-duty Engine[M].Internal Combustion Engine & Parts,2015(1):1-4.

[4] 张立雄,张琳,景晓军,等.基于SCR柴油机的WHTC冷、热启动循环排放差异研究[J].小型内燃机与摩托车,2016,45(3):37-40.

ZHANG Lixiong,ZHANG Lin,JING Xiaojun.Emission Difference between Coldstart and Hotstart WHTC Cycles Based on a SCR Diesel Engine[J].Small Internal Combustion Engine and Vehicle Technique,2016,45(3):37-40.

[5] 温任林，陈光洪.电磁驱动式EGR阀原理与实验研究[J].柴油机，2008(2)：1-4.

WEN Renlin,CHEN Guanghong.Principle and experiment research of electromagnetic driven EGR valve[J].Diesel Engine,2008(2):1-4.

[6] 战强,殷海红,马雁.WHTC测试循环的排温控制研究[C]//中国内燃机学会燃烧净化节能分会2013年学术年会论文集.2013.

ZHAN Qiang,YIN Haihong,MA Yan.Study on the exhaust temperature control of WHTC test cycle[C]//Annual meeting of the Chinese society of internal combustion engine combustion purification and energy saving.2013.

(责任编辑 刘 舸)

Study on Technical Measures for WHTC Emission of CN5 on Diesel Engine with DOC+SCR After Treatment

WANG Zhi-yin, CAO Huai-li

(QingLing Motors (Group) Co., Ltd., Chongqing 400052, China)

For that the low temperature of WHTC test and the SCR is not easy to react, which will cause the problem of high NOx emission, and based on the calibration of the engine fuel system, we adopted the throttle and post treatment package and other technical measures to improve the engine exhaust temperature to achieve SCR catalyst reaction conditions and to reduce PM and NOx emission. The research results show that this engine ultimately achieves the limit requirements of WHTC emission regulations.

WHTC; NOxemission; engine exhaust temperature; throttle; post treatment package

2016-12-25

王知银，男，高级工程师，主要从事汽车发动机排放研究，E-mail:qinglingzgb@126.com; 曹怀礼，男，高级工程师，主要从事汽车、发动机开发及模具技术研究。

王知银，曹怀礼.关于采用DOC+SCR后处理国5柴油机对应WHTC排放的技术措施试验研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(2):28-33.

format：WANG Zhi-yin, CAO Huai-li.Study on Technical Measures for WHTC Emission of CN5 on Diesel Engine with DOC+SCR After Treatment[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):28-33.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.005

U464

A

1674-8425(2017)02-0028-06