DOC+CDPF+SCR对轻型柴油机排放特性的影响

楼狄明，谭畅，谭丕强，胡志远

(同济大学，上海 201804)

柴油机具有热效率高、燃油经济性好、扭矩大等优点，广泛应用于载重货车、客运车等商用车领域。而柴油车是NOx排放和颗粒物排放的主要贡献者，NOx排放占机动车排放总量的70%，颗粒物排放超过总量的90%[1]。NOx是光化学烟雾的诱因之一，颗粒物对人体健康也有着不可忽视的危害。各类后处理技术相结合已经是柴油机应对日益严格的排放法规的主要手段。氧化型催化器(DOC)和催化型颗粒捕集器(CDPF)通常联合使用来有效减少柴油机THC，CO以及颗粒物的排放，选择性催化还原系统(SCR)则主要用来减少NOx的排放。因此联合采用DOC+CDPF+SCR后处理系统是降低柴油机排放的有效措施[2-4]。

DOC常用的活性组分有铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等贵金属。Pt和Pd的主要贡献是氧化CO和HC。Pd和Pt具有协同作用，能提高催化剂的抗老化能力，降低硫酸盐的生成量[5]。DOC应用于DOC+CDPF+SCR后处理系统中时，能将NO氧化为NO2，有助于CDPF的被动再生和SCR的快速反应[6-8]。CDPF是在颗粒捕集器DPF载体上涂覆催化剂(Pt，Pd等)，降低颗粒物的起燃温度，促进再生，能有效减少柴油机颗粒物排放[9]。SCR是柴油发动机降低 NOx排放的重要途径[10]，其原理是将尿素水溶液(即AdBlue，浓度一般为32.5%)喷入柴油机排出的废气中，在催化剂作用下将废气中的NOx还原成无害的N2和H2O[11-12]。DOC，CDPF，SCR联合应用于柴油机后处理系统能够促进彼此的净化能力，是目前主流后处理系统的重要技术路线之一。

为研究DOC+CDPF+SCR后处理系统对轻型柴油机排放特性的影响，本研究以某国五轻型柴油机为研究对象进行台架试验，分析了本机后、DOC后、CDPF后、SCR后4个测点的排放特性，研究了不同工况下DOC，CDPF，SCR联合使用的净化效果以及各自在减排中的贡献。

1 试验方案和设备

1.1 试验样机及设备

试验样机为一台1.91 L排量、直列4缸、废气涡轮增压中冷轻型国五柴油机，其主要技术参数见表1。

试验所用检测仪器包括MEXA-1600D气态物分析仪和EEPS-3090颗粒粒径分析仪。MEXA-1600D气态物排放分析仪采用部分流采样系统，可实时采集CO，CO2，THC，NO，NO2等气态物浓度数据。EEPS-3090颗粒粒径分析仪可测量粒径范围在5.6～560 nm颗粒的数量浓度、体积浓度、质量浓度以及表面积浓度的粒径分布。

表1 试验样机的基本参数

试验后处理系统由DOC，CDPF，SCR按顺序串联组成,其中DOC和CDPF的技术参数见表2。

表2 DOC和CDPF基本参数

1.2 试验方案

试验装置见图1。为了考察DOC+CDPF+SCR技术对轻型柴油机各类污染物排放特性的影响，以及 DOC，CDPF，SCR在各类污染物排放转化中各自的贡献，本试验选取本机后、DOC后、CDPF后以及SCR后共4个测点。台架试验工况包括外特性试验、最大扭矩转速负荷特性试验、标定功率转速负荷特性试验。外特性试验转速范围为1 200～3 200 r/min，以200 r/min为固定间隔。负荷特性下，在最大扭矩转速2 000 r/min和标定功率转速3 200 r/min下分别对负荷率10%，25%，50%，75%，100%进行试验。共计21个测试工况点。每个测试工况点稳定采样≥1 min。在上述试验工况下，考察气态物(NOx，THC，CO等)和颗粒物的排放特性。

图1 试验系统及测点分布

2 试验结果与讨论

2.1 动力性

图2示出外特性下加装DOC+CDPF+SCR后处理系统前后的动力性变化。由图2可知，外特性下，柴油机扭矩随着转速的增加先增大后降低，加装后处理装置后柴油机扭矩有所降低,尤其是在中等转速1 800 r/min时，这是因为CDPF内加载有炭烟颗粒，导致排气背压逐渐升高，发动机的动力性下降，有效功率与输出扭矩均有不同程度的损失[13]。图3示出外特性下加装DOC+CDPF+SCR后处理系统的压降。可以看出，随着转速的提高，空速提高，后处理系统带来的压降也基本呈直线提高，1 200 r/min时压降最低，为3.2 kPa，3 200 r/min时压降最高，为12.5 kPa。加装后处理后扭矩平均降幅为1.3%，最高降幅为2.5%，加装后处理装置对柴油机动力有一定影响。

图2 外特性下加装后处理前后柴油机动力性对比

图3 外特性下加装后处理系统后的压降

2.2 经济性

图4示出2 000 r/min和3 200 r/min负荷特性下加装DOC+CDPF+SCR后处理系统前后的经济性变化。由图4可知，负荷特性下，柴油机燃油消耗率随着负荷的增加而降低，加装后处理装置后柴油机燃油消耗率恶化的比例也随负荷的增加而降低。这是因为柴油机的经济性同样受到排气背压的影响。外特性下加装后处理后柴油机燃油消耗率增加比率平均约为2.6%，对柴油机的经济性有一定影响。

图4 负荷特性下加装后处理装置前后柴油机经济性对比

2.3 常规气态物及颗粒物排放特性

2.3.1NOx排放特性

图5示出2 000 r/min和3 200 r/min下NOx的转化率和SCR入口温度随负荷的变化。从图中可以看出，随着负荷的增加，排气温度和NOx的转化率逐渐增加，这是因为负荷增大导致缸内燃烧温度升高，而较高的排气温度能促进SCR的催化还原。在低负荷下，SCR后的NOx排放没有得到有效控制，这是因为低负荷下排气温度较低，SCR催化剂活性受到抑制，SCR的工作效率不高。随着负荷的提高，排气温度升高，此时NOx转化率达到最佳。试验结果表明：在SCR入口温度达到230 ℃时，NOx的转化率达到50%；低负荷下，SCR入口温度较低，NOx的转化率不超过40%；在75%和100%负荷下，平均转化率分别为98.7%，94.7%，高负荷下温度的进一步提升反而会促进NH3的氧化反应，略微降低NOx的转化率。

图5 负荷特性下NOx转化率和温度的变化

图6示出外特性下原机后、DOC后、CDPF后3个测点下NO2占NOx比例的变化。原机后NO2比例极低，在2 200 r/min时最大，仅为1.95%。DOC后NO2比例显著提升，这是因为DOC将部分NO氧化为NO2。低转速下DOC氧化特性主要受到温度的制约，转速的提高导致温度提高，NO2比例提高；高转速下DOC氧化特性主要受空速影响，NO2比例逐渐下降。排气进入下游CDPF后，部分NO在催化剂的作用下继续被氧化为NO2，部分NO2参与CDPF的被动再生，氧化颗粒物从而被还原，这两方面原因导致了NO2比例的变化。从图6中可以看出，CDPF后NO2比例略有上升，这说明CDPF催化作用的NO2生成量要多于被动再生消耗的NO2。

图6 外特性下NO2比例的变化

图7示出外特性下原机后、DOC后、CDPF后、SCR后4个测点的NOx排放特性。从图中可以看出，原机后NOx比排放随着转速的增加先增加后缓慢降低。DOC后、CDPF后NOx排放略有降低，NOx减排的主要贡献者还是SCR。在低转速下，SCR仍然受温度的影响工作效率不高，这与上文低负荷的情况类似。随着转速的提高，SCR转化率逐渐提高，在1 800 r/min时达到92.1%，NOx比排放量为0.94 g/(kW·h)，此后NOx转化率在平均值92.2%左右波动，NOx比排放量均在2 g/(kW·h)以下。

图7 外特性下不同测点NOx的排放特性

2.3.2THC排放特性

图8示出外特性下原机后、DOC后、CDPF后、SCR后4个测点的THC排放特性。总体而言，THC比排放受转速增加影响不大。对比4个测点的THC排放规律可以看出，原机后、DOC后、CDPF后、SCR后4个测点的THC排放依次降低。DOC后THC的平均转化率为86.2%，CDPF后THC的平均转化率为87.9%，SCR后THC的平均转化率为90.1%，可以看出，DOC是THC排放降低的主要贡献者，CDPF、SCR能略微提高THC的转化率。主要原因是DOC和CDPF均涂覆了贵金属Pt和Pd，其中Pt对饱和碳氢化合物的氧化活性较高，Pd对不饱和碳氢化合物的氧化活性较高[14]，因此，在Pt和Pd的催化作用下，THC比排放显著下降；同时，DOC内氧化反应也提高了排气温度，促进了THC在CDPF内的进一步转化；SCR中部分THC也可作为还原剂与NOx发生反应。

图8 外特性下不同测点THC的排放特性

2.3.3CO排放特性

图9示出外特性下原机后、DOC后、CDPF后、SCR后4个测点的CO排放特性。总体而言，CO原机比排放随转速的提高先降低后增加，在1 200 r/min时CO的比排放过高，达到18.5 g/(kW·h)，可能是缸内燃烧不完全导致，但在DOC的减排作用下CO最终比排放不超过0.01 g/(kW·h)。CO的转化率始终处于一个较高的水准，平均转化率达到91.3%，DOC是CO减排的主要贡献者；CDPF能进一步略微减少CO的排放，这是因为DOC内氧化反应提高了排气温度，CDPF内涂覆的贵金属在排气温度提高的情况下进一步发挥了作用；SCR对CO排放影响不大。后处理装置后CO比排放保持在0.01～0.02 g/(kW·h)。

图9 外特性下不同测点CO的排放特性

2.3.4颗粒物排放特性

图10示出3 200 r/min不同负荷下的不同测点下颗粒粒径(Dp)分布。由图10可见，经过DOC和CDPF后，柴油机的颗粒物排放得到有效降低。颗粒物数量分布存在核态和聚集态两个分布区，分割点在50 nm。其中，核态颗粒物粒径在50 nm以内，主要由含硫化合物、碳氢化合物等可溶有机组分组成；聚集态颗粒物粒径在50 nm以上，主要成分为高度聚合形态的含碳颗粒吸附含硫化合物、碳氢化合物等可溶有机组分形成。随着粒径的增大，原机颗粒物数量总体呈先略微增加后减少的趋势，粒径分布呈单峰或双峰分布。单峰分布峰值在粒径45 nm附近；双峰分布第一个峰值在粒径10 nm附近，第二个峰值在粒径45 nm附近，均处于核态分布区内，第二个峰值接近于核态分布区和聚集态分布区的分界点，因此，核态颗粒物原机排放数量比聚集态更高，20～100 nm区域颗粒物数量最高，占排放总量的79.1%。

经过DOC后，颗粒物数量有所降低，但颗粒物粒径分布规律变化不大。随负荷的增大，排气温度随之升高，DOC对颗粒物的减排效果也更明显。DOC对粒径在100 nm以内的颗粒物具有良好的减排效果；对于更高粒径的聚集态颗粒物，DOC在10%负荷和100%负荷时减排效果较差，这是因为低负荷时排气温度较低，DOC的催化性能不高，而高负荷时DOC前排气温度高达408 ℃，反而促进了硫酸盐的生成[15]。

图10 3 200 r/min负荷特性下不同测点颗粒粒径分布

经过CDPF后，颗粒物粒径主要呈三峰分布或多峰分布，峰值点散布于核态和聚集态两个分布区。在粒径20～200 nm区域，CDPF的颗粒净化效率最高；对于粒径在20 nm内的颗粒物，CDPF的净化能将颗粒物数量降低一个数量级；对于粒径在200 nm以上的颗粒物，CDPF的净化效果相对较差。以10%，50%和100%负荷为例：25%负荷下，CDPF后粒径在200 nm内、200 nm以上的颗粒物减排率分别为99.6%，85.9%；50%负荷时，CDPF后粒径在200 nm内、200 nm以上的颗粒物减排率分别为99.4%，80.3%；100%负荷时，CDPF后粒径在200 nm内、200 nm以上的颗粒物减排率分别为98.3%，81.9%。

总体来说，5.6～560 nm的PN减排率(颗粒物数量减排率)和PM减排率(颗粒物质量减排率)可以由颗粒物的粒径分布加权得出，3 200 r/min负荷特性下DOC+CDPF后PN及PM减排率见图11。随负荷的增大CDPF的PN减排效果略有衰减，这是因为高负荷下原机颗粒物排放数量更高，尽管CDPF捕集了更多的颗粒物，但总体减排率仍略有降低。由于CDPF对大粒径颗粒物净化效果相对小粒径颗粒物较差，PM减排率略低于PN减排率，PM平均减排率为96.6%。在CDPF捕集颗粒物的过程中主要有三种捕集机理：布朗扩散、直接拦截以及惯性碰撞。在整个捕集过程中，布朗扩散占主导地位，但随着颗粒物粒径的增大，布朗扩散的作用下降，直接拦截和惯性碰撞机理的效果提高，但提高的效果有限，导致大粒径颗粒物的净化效果相对较差[16-17]；同时对于小粒径颗粒物来说，一方面CDPF表面涂覆的催化剂能将聚集态颗粒表面的可溶有机组分氧化，将它们转化为核态区的小粒径颗粒物，另一方面排气中的NO2对碳颗粒的氧化作用也能降低其吸附可溶有机组分的能力，减小颗粒物粒径，因此，尽管小粒径颗粒物的布朗扩散机理作用最强，但减排率仍略低于20～200 nm区域。

图11 3 200 r/min负荷特性下PN及PM减排率

3 结论

a) 加装DOC+CDPF+SCR后处理系统对柴油机动力性和经济性有一定影响，扭矩平均降幅为1.3%，燃油消耗率平均增幅为2.6%;

b) 在合适的排气温度下，DOC+CDPF+SCR能有效降低NOx的排放，SCR是主要贡献者;中低负荷以及低速工况下，排气温度在200 ℃以下，NOx的转化率不高;75%和100%负荷下，排气温度超过300 ℃，NOx的平均转化率达到96.7%;DOC能有效提高排气中NO2的比例，外特性下原机NO2的平均比例约为1.3%，DOC后NO2的平均比例达到29.0%，CDPF能将其进一步提高到30.8%，促进SCR的反应效率;

c) DOC是THC和CO排放降低的主要贡献者，效果显著;外特性下THC经过DOC+CDPF+SCR后的平均转化率为90.1%，THC平均比排放为0.01 g/(kW·h)；外特性下CO经过DOC+CDPF+SCR后的平均转化率为91.3%，CO平均比排放为0.02 g/(kW·h);

d) 原机颗粒物粒径分布呈双峰分布，DOC后颗粒物粒径分布规律变化不大，CDPF后颗粒物粒径主要呈三峰分布及多峰分布;DOC对颗粒物有良好的净化效果，仅在低、高负荷时对大粒径颗粒物表现不佳;CDPF对20～200 nm粒径颗粒物的净化效率最高，粒径在20 nm以下的颗粒物的净化效率其次，200 nm以上最低;PN和PM平均减排率分别为99.1%和96.6%。