氧化型催化器载体长度对柴油机排放性能的影响

楼狄明， 王亚馨， 孙瑜泽， 张允华

(同济大学 汽车学院，上海 201804)

柴油机具有功率适用范围广、燃油效率高、耐久性好等优点，在交通运输、工程机械等领域有着不可或缺的作用.近年来，排放法规日益严格[1-2]，给柴油机的发展带来了巨大挑战.以当前的技术水平，仅仅依靠机内净化技术已不能满足柴油机排放法规要求，必须依靠氧化型催化转化器(DOC)、柴油机颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原反应器(SCR)、稀燃NOx捕集器(LNT)等后处理技术.DOC不仅能够大幅降低HC及CO的排放[3-5]，还可以减少颗粒物排放中的可溶性有机物(SOF).文献[6]表明，DOC能降低核模态颗粒物数量浓度和积聚态颗粒物数量浓度，但积聚态颗粒物数量浓度受负荷的影响较大.DOC可以将NO氧化成NO2，为催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)在较低温度下实现连续被动再生提供条件[7-8]，NO2浓度增加还可以促进SCR中快速反应的进行.因此,DOC对于柴油机尾气处理有着重要作用.

影响DOC转化效率的主要因素有排气温度、反应气体在载体中停留时间、排气中硫含量等[9-10].理论上，反应气体在载体中停留时间越长，反应就越充分，转化效率就越高[11].DOC载体长度的增加可以使气体在载体中的滞留时间及反应面积增加，对DOC催化氧化性能的提高有促进作用.文献[12]中对不同容积DOC的模拟结果表明,提高DOC容积能够提高NO2在氮氧化物(NOx)中的占比.文献[13-14]的研究表明，DOC载体长度越长，DOC内流动均匀性越好，HC、CO减排率就越高，但是造成的压力损失也越高.除背压外，DOC的体积受到车辆安装空间限制，增加DOC载体长度在提高安装难度的同时还会造成DOC成本增加.

目前国内外对于DOC载体长度的模拟研究已经比较成熟，但是DOC载体长度对DOC本身特别是对DOC+CDPF+SCR整体后处理系统影响的试验研究较少.本文基于发动机台架试验平台和轻型柴油机DOC+CDPF+SCR后处理系统，研究DOC载体长度变化对排气温度、背压、自身减排性能以及DOC+CDPF+SCR后处理系统减排性能的影响，为实际DOC应用中的选型及设计提供参考.

1 试验设备及试验方法

1.1 试验装置

试验发动机选取1.91 L排量、直列四缸、废气涡轮增压中冷轻型国五柴油机，主要技术参数如表1所示.

表1 试验柴油机主要参数

本次试验中使用的DOC样品编号及主要参数如表2所示，CDPF参数如表3所示.

表2 DOC主要参数

注:cpsi指每平方英寸横截面上的孔道数；1 ft=0.304 8 m.

表3 CDPF主要参数

试验中搭建的台架系统如图1所示.台架系统的主要设备包括电力测功机、油耗仪以及台架辅助设备(冷却水温调节系统、机油恒温装置、发动机数据采集箱、空气滤清器等).台架系统主要排放测试仪器包括MEXA-1600D型气态物分析仪、EEPS-3090型颗粒粒径分析仪以及Dekati DI-2000型射流稀释器.台架控制台与电力测功机、油耗仪、排放测试系统及各传感器连接，操作整个试验台架的动作并输出相应设备信息及测试结果.

图1 试验装置示意图

1.2 试验方案

为研究不同载体长度DOC对DOC+CDPF+SCR后处理系统气态物排放及颗粒物排放减排率的影响，采用三种不同载体长度的DOC装置(DOC1、DOC2、DOC3)，选取DOC前、DOC后、DOC+CDPF后以及DOC+CDPF+SCR后四个测点，研究发动机最大转矩对应转速(下文简称发动机转速)2 000r·min-1下负荷比分别为10%、25%、50%、75%、100%时五种测试工况的排放特性，包括HC、CO、NOx及颗粒物排放.

2 试验结果与分析

2.1 排气温度与背压

温度是影响DOC性能的重要因素之一，当温度低于气体起燃温度时，催化剂及载体只能起到一定的吸附作用.最佳反应温度范围约在250 ℃到400 ℃之间，当温度过高时，由于催化剂性能的变化等因素，转化效率下降.

图2为发动机转速2 000 r·min-1时不同载体长度DOC后排气温度变化.低负荷下DOC后排气温度较低，在130 ℃到180 ℃左右.三种载体长度DOC后排气温度差异较小，适当减小DOC载体长度在低负荷时有利于提高DOC后的排气温度.

图2 不同载体长度DOC后排气温度

Fig.2 Exhaust temperature at different carrier lengths after DOC

图3为发动机转速2 000 r·min-1时不同载体长度DOC前后排气压差的变化.从试验结果看出，适当减小DOC载体长度能有效减少DOC的压力损失，从而改善发动机的油耗及排放特性.当DOC载体长度缩短量超过临界值时，DOC排气压差变化不大.

2.2 DOC后排放特性分析

2.2.1THC排放特性

图4为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后THC排放情况.

图3 不同载体长度DOC前后排气压差

Fig.3 Pressure difference at different carrier lengths before and after DOC

图4 不同载体长度DOC后THC排放

由图4可知，DOC后THC排放因子明显降低，DOC在净化THC方面起主要作用.DOC后THC减排率随着负荷的升高而逐渐增大.低负荷时，DOC对THC的减排效果较差，减排率在20%左右.原因在于低负荷下排气温度较低，反应气体没有达到起燃温度，催化剂没有起到很好的反应催化效果，此时载体长度较小的DOC1和DOC2对THC的减排率较好.低负荷下适当降低DOC载体长度有利于DOC对THC减排性能的提高，DOC2在低负荷下对THC的减排率最高.高负荷工况下，DOC对THC的减排率大幅升高，减排率维持在75%～80%左右，载体长度越大，DOC对THC减排率越高.在75%～100%负荷区间，三种载体长度DOC对THC的平均减排率分别为74.6%、80.5%、81.2%.高负荷条件下适当增大DOC长度可提高对CO、THC和NO的氧化率.当DOC载体长度过大，对CO、THC和NO氧化性能的提升有限.

2.2.2CO排放特性

图5为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后CO排放情况.

图5 不同载体长度DOC后CO排放

由图5可知，随着负荷的增加，DOC后CO减排率逐渐增大.原因在于低负荷时，缸内出现混合气过稀以及局部区域温度过低的情况，淬熄现象增加，造成了CO排放量的上升.在低负荷条件下，DOC对CO的减排率较低，小于45%.一方面是因为排气温度较低，催化剂没有起到很好的催化效果；另一方面，在低温时THC对于CO的氧化有一定的抑制作用.随着负荷的增大，温度升高，CO减排率逐渐增大.在50%～100%负荷条件下，CO减排率大幅升高，减排率稳定在88%～95%，载体长度最短的DOC1后CO减排率相比DOC2后有明显降低，而DOC2和DOC3对于CO减排率的差距较小.可以看出，适当增加DOC长度能有效提高CO减排率，但超过一定限值后，DOC对于CO减排率提升有限.

2.2.3NO氧化特性

DOC可以将NO氧化成NO2，促进CDPF中的被动还原反应以及SCR中的快速反应.研究不同载体长度DOC时NO的氧化性能对分析整体DOC+CDPF+SCR后处理系统的性能有一定的参考意义.

图6为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后NO转化情况，纵坐标为DOC后NO2在NOx中的质量分数.

由图6可知，低负荷工况下，NO有少量升高，NO2在NOx中的质量分数有少量降低.这是由于低温时HC、CO和NO2之间转化率存在竞争关系[15-16].在110 ℃以下，NO2被HC和CO还原，当有十二烷和间二甲苯等碳氢化合物存在时，NO2的还原反应温度甚至可以到140 ℃以上.随着温度升高，O2成为主要还原剂，NO可以被氧化为NO2[17]，NO2在NOx中的质量分数升高，同时CO氧化放热，促进NO氧化反应进行.随着负荷的增大，NO2质量分数逐渐增大.在高负荷条件下，三种载体长度DOC后的NO2在NOx中的质量分数最大分别为0.34、0.36、0.38.高负荷条件下，载体长度最大的DOC3对NO的氧化性能最好，原因在于此时排气温度较高，因而载体长度越大，反应时间越长，NO氧化越充分.在所有负荷工况中，载体长度居中的DOC2在低负荷时的氧化性能更为稳定.适当降低DOC长度可以提高低负荷工况下DOC对NO的氧化性能，但是过量减小DOC长度将导致高负荷时NO氧化性能的降低.

图6 不同载体长度DOC后NO2质量分数

Fig.6 NO2mass fraction at different carrier lengths after DOC

2.3 CDPF后颗粒物排放特性

柴油机的颗粒物排放较为严重，催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)是主要的颗粒物处理装置.本节主要研究DOC载体长度变化对CDPF颗粒物净化性能的影响.

2.3.1颗粒物数量排放特性

图7为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后处理系统CDPF后颗粒物数量(PN)净化情况.

图7 不同载体长度DOC后处理系统CDPF后PN排放

Fig.7 PN emission at different carrier lengths of DOC aftertreatment system after CDPF

由图7可知，随着负荷增加，颗粒物数量先逐渐减少后增加.原因在于随着发动机负荷增大，缸内温度升高，颗粒物的氧化更充分，较容易产生相对细小的颗粒，颗粒物数量增大.三种载体长度DOC后处理系统CDPF后对于PN都有较好的减排效果，整体颗粒物减排率在90%以上.在低负荷范围内，载体长度最大的DOC3对于PN减排率最高.在高负荷状态下，三种载体长度DOC后处理系统CDPF后PN减排率有所降低，相较而言，载体长度较短的DOC1+CDPF和DOC2+CDPF对PN的减排率较高.DOC载体长度的变化对DOC+CDPF的PN减排率的影响较小.三种载体长度DOC后处理系统CDPF后PN的平均减排率分别为95.2%、94.0%、94.5%.

2.3.2颗粒物质量排放特性

图8为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后处理系统CDPF后颗粒物质量(PM)减排率情况.

图8 不同载体长度DOC后处理系统CDPF后PM排放

Fig.8 PM emission at different carrier lengths of DOC aftertreatment system after CDPF

如图8所示，发动机转速2 000 r·min-1时，PM排放因子整体随负荷升高而下降.原因在于低负荷条件下，低温条件促进了挥发性物质的凝结，同时抑制了颗粒物的氧化过程，导致PM较大.随着负荷增加，温度上升，有利于核模态颗粒物氧化，因而PM变小.三种载体长度DOC对于PM的减排率在75%～95%，最高为94.6%.在100%负荷时，DOC+CDPF对于颗粒物的减排率有明显下降，原因在于高负荷时大于350 ℃高温下DOC中硫酸盐增多，影响DOC氧化作用.随着负荷增加，排气流速增大，气体在DOC+CDPF内的滞留时间减少，同时气体流速增加会将CDPF中饼层捕集的颗粒吹出，PM增加.三种载体长度DOC+CDPF对于PM的平均减排率分别为87.1%、85.4%、82.9%.综合来看，载体长度较小的DOC+CDPF对于PM的减排率较好，原因在于DOC载体长度较小时，DOC后压力损失较少，并且在低负荷时温度较高，有利于PM的减排.同时载体长度较大的DOC对脱除颗粒物中SOF的效果更好，使得颗粒物表观活化能上升，影响CDPF的被动再生效果.

2.4 SCR后排放特性

在DOC+CDPF+SCR系统中，由于SCR对CO、HC以及PM 和PN的减排效果甚小，而对NOx降低起主导作用，因此仅对SCR后NOx排放特性进行分析.

图9为发动机转速2 000 r·min-1时NOx排放因子和三种载体长度DOC后处理系统SCR后的减排率.

图9 不同载体长度DOC后处理系统SCR后NOx排放

Fig.9 NOxemission at different carrier lengths of DOC aftertreatment system after SCR

随着负荷的增大，发动机缸内温度增加，发动机NOx排放因子升高.在低负荷范围内，各装置对于NOx的减排率较低.原因在于低负荷时排气温度较低，SCR不能更好地进行催化转化.在低负荷范围内，载体长度较小的DOC后处理系统的NOx减排率较为稳定.在75%～100%高负荷范围内，三种载体长度DOC后处理系统SCR后NOx排放因子大幅降低，但减排率均在90%以上，在该负荷区间的平均减排率分别为92.0%、93.7%、95.9%.DOC长度越大，NOx减排率越高.原因在于载体长度较大的DOC后处理系统对NO氧化效果最好，生成的NO2促进了SCR内快速反应的进行.

2.5 综合分析

为了更好地分析DOC载体长度对减排率的影响，综合比较了低温低负荷工况及高负荷工况下后处理系统的减排率.低温低负荷工况取10%、25%及50%负荷条件下污染物减排率平均值，高温高负荷工况取75%及100%负荷条件下污染物减排率平均值.

图10、11分别为不同载体长度DOC后处理系统在低温低负荷工况及高温高负荷工况下的污染物减排率.可以看出，在低温低负荷工况下，DOC2后处理系统气态物减排效果最好，DOC1后处理系统颗粒物减排效果较优.高温高负荷工况下，载体长度最大的DOC3后处理系统的气态物减排率最高；颗粒物方面，DOC2后处理系统的减排效果最好.综合考虑成本及减排效果，DOC2最优.

图10 低温低负荷工况下污染物减排率

Fig.10 Pollutant reduction rate under low temperature and low load conditions

图11 高温高负荷工况下污染物减排率

Fig.11 Pollutant reduction rate under high temperature and high load conditions

3 结论

(1) DOC后排气温度受DOC载体长度影响不大,但DOC载体长度对排气压差影响较为显著，随着DOC载体长度增大，排气压差增大.当过量增大DOC载体长度时，排气压差的增长率有较大上升.

(2) DOC载体长度变化对CO、THC和NO的氧化性能影响显著.低温低负荷情况下，载体长度较小的DOC对CO、THC及NO的氧化效果更好；中高负荷情况下，随着DOC载体长度的增加，DOC后NO2质量分数和CO、HC的减排率相应上升.适当增大DOC载体长度可有效提高对CO、THC和NO的氧化率.当DOC载体长度过大时，对CO、THC和NO氧化性能的提升有限.

(3) 三种载体长度DOC后处理系统CDPF后PN和PM的减排率分别为95.2%、94.0%、94.5%和87.1%、85.4%、82.9%，减排率受DOC载体长度的影响不大.

(4) DOC载体长度变化对SCR后的NOx减排效果有一定影响，DOC载体长度越大，高负荷下的NOx减排率越高.

(5) 从兼顾成本与性能的角度出发，载体长度居中的DOC2最优.适当增加DOC载体长度能有效提高减排效果，但过量增加对减排效果的提升不大，同时影响DOC在低温低负荷时的减排效果.