SCR和EGR联合控制下NOx减排效果分析

2020-11-04彭美春陈越邹康聪黄文伟

车用发动机 2020年5期

彭美春，陈越，邹康聪，黄文伟

(1.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006；2.深圳职业技术学院汽车与交通学院，广东深圳 518055 )

国家生态环境部2019年发布的《中国移动源环境管理年报》[1]显示，重型柴油货车占汽车保有量的2.96%，其NOx排放占汽车NOx总排放量的57.8%。SCR与EGR技术是降低柴油机NOx排放的有效技术，但低速、低排气温度下SCR对NOx净化效率不高，高速、高负荷下EGR对NOx生成的抑制效果受限于EGR率,为了兼顾动力性，一般不采用过高的EGR率。

彭美春等[2]采用车载测试技术分析了配备SCR的柴油货车道路运行NOx排放特性，发现排气温度高于150 ℃时SCR开始对NOx发生催化还原净化作用。Kanok Boriboonsomsin等[3]研究了不同载体的SCR工作温度范围与NOx转化效率的关系，结果显示，铜基SCR工作温度范围为225～350 ℃，铁基为350～575 ℃，铜基SCR在200 ℃下约有77%的NOx转化效率，铁基只有27%。袁帅等[4]仿真分析了EGR率对柴油机性能的影响，发现高负荷工况NOx排放高，40%的EGR率才能有效抑制NOx的排放，中等负荷工况下取30%的EGR率可平衡排放与经济性和动力性，小负荷工况下NOx排放低，取20%的EGR率即可。

目前，采用台架试验研究EGR和SCR对柴油发动机NOx排放控制效果的成果较多。台架试验工况与车辆实际道路运行工况有较大差异，导致两者NOx排放结果有较大差异。单独分析SCR或EGR控制NOx排放的研究成果较多，报道SCR与EGR联合控制的较少，其原因是国Ⅴ以前的车辆单独配置SCR或者EGR即可达到排放标准限值要求。为满足不断严格的排放标准，平衡实际道路运行工况下的NOx排放与能耗水平及动力性能，EGR与SCR联合精确控制非常必要，目前尚少见该方面研究成果报道。

本研究以一款配置EGR和SCR排放控制系统的国Ⅵ排放标准重型柴油货车为对象，应用PEMS系统(Portable Emission Measurement System)开展车辆实际道路运行排放测试，采集瞬时NOx排放体积分数、车辆速度、SCR出口温度、发动机转速与负荷等数据，分析实际道路行驶工况、排气温度对NOx排放的影响，分析 EGR和SCR分别对NOx的减排效果以及两者联合使用的综合控制效果。

1 车载测试方案

1.1 试验车辆与试验路线

试验车辆为1台国Ⅵa排放标准的重型柴油厢式货车，配置EGR和SCR等排放控制技术，车辆主要技术信息见表1。

表1 试验样车主要技术参数

根据GB 17691—2018 《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[5]中实际行驶排放(Reality Driving Emission,RDE)车载测试要求，对试验车辆进行配重，包括配重、测试设备、试验人员在内的载质量约为车辆标定载质量的50%。按GB 17691—2018中RDE试验路线的要求，选取如图1所示的测试线路,起点为深圳市区同沙路，终点为沿江高速的广州黄埔收费站，跨越深圳、东莞、广州三地，包含市区、高速及模拟郊区车速路段，体现珠三角城市间货运运行特点。

图1 测试路线

试验起始路段为市区路况，为深圳南山区同沙路到沿江高速前海收费站之间的市内道路，自西北向东南方向行驶；接着是模拟市郊路况，位于深圳市与东莞市行政区范围之间，运行路段为沿江高速北上前海收费站与东莞虎门镇之间的广深沿江高速道路，控制车速在要求的RDE测试市郊路段车速范围内；最后是高速路况，位于东莞与广州两个行政区间沿江高速北上东莞虎门镇行驶至广州黄埔收费站路段。

1.2 测试设备

试验使用的车载排放测试设备是Sensors SEMTECH-ECOSTAR气体排放测量系统、SEMTECH-CPN颗粒物数量车载测量装置，主要包括排气分析仪、粒子数测试仪、采样管、尾气流量计、OBD读取装置、环境温湿度计、GPS系统和供电控制中心模块等。采用不分光红外法NDIR测量CO，CO2的体积分数，采用非分散紫外分析法NDUV测量NO，NO2的体积分数，采用凝结核粒子计数法(Condensation Particle Count, CPC)原理测量颗粒物的数量。OBD系统读取发动机转速、负荷、进气流量、废气再循环流量等。GPS系统测试车辆地理位置、车速。尾气流量管中安置了排气流量、排气温度传感器。PEMS测试设备在试验车辆上安装示意见图2。本研究主要分析排放控制技术对NOx的减排效果，故只针对NOx排放数据进行分析。

图2 车载测试设备安装示意

1.3 试验方案

为分析SCR和EGR排放控制技术对NOx排放的控制效果，探究SCR与EGR联合控制策略，设计了3种试验方案。方案1车辆配置有EGR+SCR，如图2中①所示，排气流过EGR和SCR，再进入排气采样系统；方案2车辆配置EGR，不配置SCR，如图2中②所示，排气流过EGR，不流过SCR，进入排气采样系统；方案3无EGR和SCR，即无排放控制装置，如图2中③所示，排气离开发动机后直接进入测试采样系统。如此形成3种排放控制技术配置方案，即SCR+EGR、单独EGR(简称EGR)、无排放控制技术的原机(简称原机，或无)，分别开展RDE车载排放试验。

2 试验结果分析与讨论

2.1 运行工况对原机NOx排放的影响

无排放控制装置的原机试验中，车辆NOx排放体积分数与发动机转速、负荷的关系见图3，NOx排放随车辆速度、加速度的变化见图4。

图3 NOx排放随发动机转速和负荷的变化

图4 NOx排放随车速和加速度的变化

从图3可以看出，发动机转速越高，负荷越大，NOx排放体积分数也越大。这是因为转速越高、负荷越大，发动机喷油量越多，燃烧温度越高，有利于NOx生成。从图4可以看到，NOx高排放区主要集中在高车速与大的加速区间，速度越高、加速度越大，NOx排放越多，这是因为车辆高速、高加速时，需要输出更大的功率来维持动力，发动机喷油量增加，燃烧温度升高，使得NOx生成量增多，排放量增加。

2.2 排放控制技术与车速对NOx排放的影响

以10 km/h作为速度区间长度，每个速度区间的中间值作为参考值，得到分别配置SCR，EGR，EGR+SCR和无排放控制装置4种情形下的NOx排放体积分数随车速变化的关系(见图5)，其中单SCR下的排放是基于EGR+SCR与单EGR两组测试方案下的数据计算而得。速度大于85 km/h工况点占比较少，故略去不进行分析。

图5 NOx排放随车速的变化

由图5可见，原机的NOx排放体积分数随车速的增加呈现增加的趋势。车速大于45 km/h，NOx排放随车速增加而增加的幅度急剧增大，原因是车速越高，行驶阻力越大，发动机为满足车辆行驶的动力性需要的喷油量增多，燃烧温度升高，故NOx生成量大幅增加。

配置SCR和EGR排放控制装置的NOx排放体积分数明显较无排放控制装置的低，其中配置SCR+EGR的最低。速度高于40 km/h时，随着速度的增加NOx排放体积分数呈现下降的趋势，高速区NOx排放体积分数低于低速区，其原因是排放控制技术发挥了净化作用。对于降低NOx排放的效果，SCR总体优于EGR，尤其在高速工况下；EGR+SCR降低NOx排放的效果又优于单独的SCR或EGR。

研究结果表明，高速区SCR净化效果最明显，低速区EGR和SCR也有降低NOx排放的效果。因此，在RDE测试车速范围内，EGR和SCR技术均有降低NOx排放效果。

2.3 不同路况下排放控制技术对NOx排放的影响

根据GB 17691—2018车载排放测试的规定，依车速将行驶路线区域划分为市区、市郊、高速3种。第一个出现车速超过55 km/h的短行程记为市郊的开始，第一个出现速度超过75 km/h的短行程记为高速的开始，市区的平均车速在15～30 km/h，市郊的平均车速在45～70 km/h，高速路况的平均车速大于70 km/h。统计出的测试车辆3种路况区域下NOx平均排放体积分数见图6。

图6 不同路况区域下NOx排放

由图6可见，市郊与高速路况下原机的NOx排放高于市区，符合车速升高发动机循环喷油量增大，燃烧温度高，NOx生成量增多的机理。

在配置EGR时，市郊路况下的NOx排放最高，其次是高速路况。该状况下决定NOx排放的除发动机运行工况外，还有EGR对NOx生成的抑制效果，其与EGR率大小相关。

同时配置EGR和SCR的情况下，市区工况的NOx排放体积分数最高，市郊次之，高速工况最低。该状况下决定NOx排放的既有发动机运行工况，也有EGR缸内抑制NOx生成的作用，更有SCR对排气中NOx的催化还原作用。SCR对NOx的催化还原反应需要在合适的工作温度下进行，市区路况下运行的发动机排气温度较低，SCR对NOx催化还原效率不够高，市郊、高速车速增加，排气温度升高，SCR对NOx催化还原效率明显增大。

图7示出了3种路况区域下，不同排放控制技术下的NOx降低率。EGR降低率是基于EGR配置方案和原机方案下的测试数据计算所得，EGR+SCR降低率是基于EGR+SCR配置方案和原机方案下测试数据计算所得，SCR降低率是基于EGR+SCR下降低率与EGR降低率计算所得。由图7可见，EGR的降低率为16%～42%，SCR降低率为51%～82%，EGR+SCR的降低率为92%～99%。可见，EGR与SCR联合控制将实现全路况下很低的NOx排放。由图可见，EGR对NOx的降低率在市区路况下最大，高速次之，市郊最低；SCR对NOx的降低率在市郊最高，高速次之，市区最低。EGR和SCR联合控制下的NOx降低率在高速和市郊工况下相差不大，市区工况最小，这与市区工况NOx排放低于市郊和高速工况的情形相匹配。

图7 不同路况下EGR和SCR对NOx的降低率

2.4 EGR率对NOx排放的影响

为探究EGR对NOx排放的控制规律，统计了配置EGR控制装置试验方案下测试车辆EGR率随着车速、加速度的分布(见图8)。

图8 基于车速、加速度的EGR率分布

从图8可以看出，0～50 km/h、高于70 km/h的减速区间EGR率较高，在28%～38%占比较多；高加速度区间EGR率最低，在10%以下；50～65 km/h的中速区间内EGR率较低，在25%以下。该EGR率分布情况与图7所示市区、郊区、高速3种路况下EGR对NOx的降低率结果基本对应，也反映了EGR控制策略。高加速区间为了不影响车辆的动力性和经济性，不宜采用较大的EGR率。市区工况车辆行驶速度低，排气温度较低，SCR活性较低，为了控制NOx排放需采用较大的EGR率来降低NOx的排放。市郊工况中等车速，排气温度处在SCR催化还原的最佳工作温度范围内，SCR的催化还原效果最佳，为了实现动力性、经济性与排放性能综合优化，采用较小的EGR率协同SCR的控制策略。高速工况下车辆排气温度可能超出SCR催化还原的最佳工作温度的范围[3]，使得SCR的净化效果稍有降低，为了满足严格的排放标准，同时不影响高速时车辆的动力性和经济性，此时需要适当提高EGR率来协同SCR使得NOx排放降低。

NOx排放随EGR率的变化见图9。随EGR率增大，NOx排放体积分数降低，EGR率大于35%时，EGR率的增大对降低NOx排放效果不明显。

图9 NOx排放体积分数随EGR率的变化

2.5 排气温度对SCR净化NOx排放的影响

根据张传霞[6]、唐韬[7]等对柴油机SCR系统催化剂温度场进行研究的结果，稳态工况下，SCR入口温度与SCR出口温度差别不大，故本研究选取SCR出口温度代表排气温度，分析排气温度与SCR对NOx净化效果的影响。以25 ℃为温度间隔，得到每个温度区间的时间占比分布情况(见图10)。由图10可见，测试车辆排气温度区间主要分布在200～350 ℃之间。

图10 排气温度时间占比

图11示出了配置SCR+EGR控制装置下测试车辆NOx排放随排气温度的变化。可以看到NOx排放体积分数随着排气温度的增加总体呈降低趋势，其原因是排温升高，SCR活性增大，对NOx的净化效率增大。但排气温度高于350 ℃时，NOx排放体积分数随温度升高反而升高。Kanok Boriboonsomsin[3]等在对配备SCR的重型柴油车道路运行实际排气温度分布的研究中发现，以铜基为载体的SCR最佳入口温度是200～350 ℃，其结论与本研究结果相符，温度高于350 ℃时，超出了SCR最佳温度范围，尿素经热解和水解分解出的NH3与NOx反应的敏感度要远低于与O2反应的敏感度，导致SCR的活性明显降低，故导致NOx的排放呈现出升高的趋势。