集成式后处理装置对农用柴油机排放的影响

胡 杰，钟 静，廖健雄，颜伏伍，蔡之洲

（1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉430070；2.武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉430070；3.武汉理工大学湖北省新能源与智能网联车工程技术研究中心，武汉430070）

0 概述

柴油机具有热效率高、燃油经济性好等特点，在工程机械、农业机械、园林机械等非道路领域应用广泛［1-2］。随着柴油机保有量的增加，柴油机尾气对大气环境的污染日益受到关注。据《中国移动源环境管理年报（2020）》统计显示，中国2019年非道路移动源NOx排放量为493.3 万t，颗粒物（particulate matter，PM）排放量为24 万t，其中主要以柴油机排放为主。非道路柴油机已成为影响空气质量的重要污染源之一［3］。2020年12月，中国生态环境部发布了《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》，与第三阶段非道路排放标准相比，第四阶段排放标准全面加严，并对颗粒物数量（particulate number，PN）限值给出了明确规定［4］。非道路柴油机功率范围覆盖广，工作环境恶劣，排放控制技术起步晚且发展慢，这使得仅依靠机内净化技术实现排放升级具有极大的难度，加装后处理系统成为满足严格的第四阶段排放标准的有效手段［5］。柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）+催化型柴油机颗粒过滤器（catalyzed diesel particulate filter，CDPF）+尿素选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）集成式后处理系统作为能同时降低NOx和PM 排放的装置，在保证尾气净化能力的同时能够降低主机厂发动机研发压力和成本，成为中重型非道路柴油机满足排放法规的主流的技术方案之一［4］。

针对后处理装置对排放的影响，国内外学者开展了大量的研究。在气态排放物方面：文献［6］中基于底盘测功机试验研究了不同后处理装置对排放的影响，发现DOC+CDPF 在各工况下对气态排放物总碳氢（total hydrocarbon，THC）和CO 的减排效果均优于单独使用DOC。文献［7］中研究了不同测试循环下具有后处理系统的柴油车的排放特性，得出了NOx排放随测试循环的改变而改变但PM、THC、CO 受循环影响较小且均保持较低排放的结论。文献［8］中研究了不同行驶工况下后处理装置对排放的影响，结果表明新欧洲驾驶循环测试（new European driving cycle，NEDC）下DOC+DPF 方案的NO2排放比CDPF 多两倍，冷起动工况下CO2排放和PN 与普通工况相比大幅增加。在PM 排放方面，文献［9］中选取欧洲稳态测试循环（European steady cycle，ESC）典型工况研究了DOC 前后PM的变化规律，发现DOC 对PN 排放降幅为25%～40%，随着负荷的增加DOC 对核模态减排效果逐渐减小而对积聚态效果逐渐增加。文献［10］中研究了DOC 对PM 排放的影响，结果表明DOC 和排气温度对核模态颗粒物数量峰值具有较大的影响，DOC能够降低颗粒物中可溶性有机物（soluble organic fraction，SOF）含量但PM 氧化活化能升高。针对非道路机械排放，文献［11］中研究了DOC+SCR+氨氧化催化剂（ammonia oxidation catalyst，AMOX）对工业非道路柴油机排放特性的影响，发现在非道路稳态循环（non-road steady cycle，NRSC）中DOC+SCR+AMOX 后处理装置可以高效去除尾气中的THC 和CO，且对NO2的转化效率可达69%。

综上可知，在众多研究中，学者们主要研究了不同工况条件及不同后处理布置对道路柴油车排放特性的影响。但非道路柴油机和道路柴油机在使用环境和法规限值等方面具有差异，同时非道路柴油机后处理系统需要更加兼顾排放法规和使用成本，因此DOC+CDPF+SCR 集成式后处理系统对非道路柴油机排放特性的影响也会存在较大的区别，而相关研究较少。此外集成式后处理系统内部气体组分和颗粒物分布特性的演变规律也未进行大量的研究。基于此背景，本文中基于一台129 kW 大功率农用柴油机，集成电控+高压共轨技术，无废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）装置，通过加装针对非道路柴油机应用特性设计的DOC+CDPF+SCR 集成式后处理系统，研究了在不同工况下后处理系统不同位置的温度、压力和污染物排放，以探究加装前后农用柴油机的排放特性及后处理系统内部气体成分变化规律，为集成式后处理系统在农用柴油机的应用提供数据和理论支撑。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

试验所用发动机为某型农用机械柴油机，相关参数如表1 所示。集成式后处理系统按DOC、CDPF、SCR 顺序依次按照S 形结构进行布置，尿素喷射装置与SCR 入口的间隔距离为55 cm，后处理催化剂均为新涂装状态，CDPF 内无碳烟沉积。后处理系统的具体参数如表2 所示。

表1 柴油机主要参数

表2 后处理具体参数

试验台架布置如图1 所示，测功机为AVL PUMA 电力测功机，DOC、CDPF、SCR 前后均布置了试验测点。使用HORIBA OBS-ONE 测量了不同测点HC、CO、CO2、NO、NO2和NOx排放，通过LDS6 测量氨泄漏量，采用DMS500 快速颗粒物光谱仪测量颗粒物排放特性，使用DEWETRON 数采系统记录发动机和后处理的温度和压力变化。设备具体参数如表3 所示。

图1 发动机台架布置图

表3 主要设备仪器参数

1.2 试验方法

本试验工况点分布如图2 所示，图中NRTC 为非道路瞬态测试循环（non-road transient cycle）。分别选取发动机中间转速1 650 r/min 和标定转速2 200 r/min，以负荷率10%、50%、75% 和100%为试验点进行负荷特性试验，在外特性曲线上选取转速800 r/min、1 200 r/min、1 650 r/min、2 000 r/min和2 200 r/min 进行外特性试验，共计11 个试验点，然后分别测量后处理不同测点的温度、压力及排放。在对试验点进行测量前需将发动机运行在怠速状态然后调节至测试工况点，每个工况点保证发动机运行300 s，待发动机运行状态稳定时再进行测量。所有试验均进行多次取其平均值，并保证试验环境一致，以减少试验误差。

图2 试验工况图

2 不同工况下气体污染物的排放特性

2.1 不同工况下发动机性能的变化规律

如图3 所示为转速为1 650 r/min 和2 200 r/min下加装DOC+CDPF+SCR 前后发动机转矩和油耗的变化。加装后处理发动机的转矩相比原机降低了约2%。原因是加装后处理系统后发动机排气背压增大，需要消耗更多的能量克服排气阻力，导致动力性降低，油耗增加，但总体影响较小。发动机油耗随着负荷的增加而降低，加装后处理之后油耗均增加约1%。综上可知，加装DOC+CDPF+SCR 后处理系统对发动机动力性和经济性均无明显影响。

图3 转矩和油耗的变化规律

图4 和图5 所示分别为转速为1 650 r/min 和2 200 r/min 下后处理不同测点的排气温度和压力。随着负荷的增加，喷油量增加，导致排温升高。后处理系统内部排温先升高后降低，其原因为排气流经DOC 时，DOC 中HC、CO 和NOx发生氧化反应并放出大量热量，导致DOC 后排温升高。发动机出口压力随着负荷增加而增加，同一工况下后处理系统测点压力依次降低，SCR 后出口压力均小于5 kPa。

图6 为外特性下不同测点排气温度和排气压力的变化规律。随着转速增加，排气温度先升高后降低，排温最高值528.8 ℃出现在转速1 650 r/min 时。同一工况下最高排气温度始终出现在DOC 出口，CDPF 和SCR 测点后排气温度依次降低。发动机出口压力随着转速增加而增加，同一工况下4 个测点的压力依次降低，原排和SCR 后的压差也随着转速的增加而增加，在转速为2 200 r/min 时达到最大值21.1 kPa。SCR 测点的出口压力均小于5 kPa，与负荷特性下结果相似。

图6 外特性下排气温度和排气压力的变化规律

2.2 负荷特性下气体污染物的变化规律

图7 为1 650 r/min 和2 200 r/min 转速下不同测点NO2、NOx的比例（记为NO2/NOx比，下同）随负荷的变化规律。发动机出口NO2/NOx比均小于10%且随着负荷增加无明显变化。DOC 后NO2/NOx比明显上升，这是因为受DOC 氧化作用的影响，排气中的部分NO 参与氧化反应，生成NO2。当排气流过CDPF 后，NO2可以与CDPF 中的颗粒物反应，参与其被动再生，使CDPF 后NO2占比降低。随着负荷的增加，DOC 和CDPF 后NO2/NOx比均先增加后降低，因为NO 氧化反应受温度限制，当温度较低时反应平衡受反应动力学的影响，温度升高会加快NO 氧化反应的速度，当温度超过一定限值时，反应受热力学控制，此时温度进一步升高会造成NO2占比减小［12］。NO2/NOx比最大值出现在转速1 650 r/min、负荷50%处，NO2/NOx比为39.4%。

图7 负荷特性下NO2/NOx比的变化规律

图8 为1 650 r/min 和2 200 r/min 转速下不同测点NOx排放随负荷的变化规律，随着负荷的增加，转速1 650 r/min 和2 200 r/min 下NOx的排放逐渐增加。这是因为NOx生成受到氧含量、燃烧温度和燃烧产物在缸内停留时间的综合影响，柴油机总处于富氧燃烧，所以温度越高且停留时间越长会使得NOx生成量越多。DOC 和CDPF 后NOx浓度无明显变化，SCR 后NOx排放明显降低，体积分数均小于55×10-6，其转化效率随着负荷的增加而增加，最后稳定在95% 左右。尿素喷射量随着负荷的增加而增加，同时NOx转化效率随负荷增加而显著提升，这是由于NOx的最佳反应温度区间为220 ℃～500 ℃，低负荷时排气温度较低且尿素溶液雾化效果不好导致NOx转化效率较低，随着负荷增加，排气温度增加，达到SCR 的最佳反应温度区间，转化效率提高［13］。SCR 入口NH3与NOx未完全反应会造成NH3的泄漏，在所有测试工况下NH3泄漏量均小于20×10-6，远低于法规限值。

图8 负荷特性下NOx 排放的变化规律

图9 和图10 分别为1 650 r/min 和2 200 r/min转速下不同测点HC 和CO 排放随负荷的变化规律。随着负荷的增加发动机HC 和CO 排放降低。在低负荷时油气混合浓度低，燃烧不完全，导致HC和CO 生成较多。DOC 后HC 和CO 排放显著降低，且随着负荷的增加，转化效率增加。这是因为排气温度越高，催化剂活性越好，DOC 转化效率相应增加。DOC 对HC 转化效率均大于79%，在转速1 650 r/min、100% 负荷下转化效率取得最大值94.8%。DOC 对CO 的转化效率在79% 以上，在转速1 650 r/min、100% 负荷时达到96.3%，几乎完全氧化。CDPF 表面涂覆有催化剂，对HC 和CO也起到一定的减排效果，但相比DOC 其转化效率相对较低。

图9 负荷特性下HC 排放的变化规律

图10 负荷特性下CO 排放的变化规律

图11 为负荷特性下NOx、HC 和CO 比排放量的变化规律。原机NOx、HC 和10% 负荷下CO 的比排放均高于法规限值。加装后处理装置后，除10% 负荷下HC 比排放量高于法规限值外，其余工况下均低于非道路国四排放标准限值，说明加装集成式后处理系统对降低排气污染物具有较好的效果。

图11 负荷特性下气体污染物比排放

2.3 外特性下气体污染物的变化规律

图12 为外特性下不同测点NO2/NOx比的变化规律。原排NO2/NOx比均小于10%；DOC 后NO2/NOx比显著上升，且随着转速的增加，NO2/NOx比先增加后降低，在转速为1 200 r/min 时达到最高。这是由于在转速为800 r/min～1 200 r/min 时，DOC 内反应受温度的影响，温度越高NO 转化效率越高，随着转速的增加温度超出最佳反应温度区间，此时温度再增加会抑制NO 转化。当转速大于1 650 r/min 时，虽然排气温度降低，但转速的增加导致空速增加，NO转化效率受到物质传输和扩散的影响，转化效率降低［14］。CDPF 后NO2/NOx比较DOC 后有 所降低，在所有工况下NO2/NOx比均小于35%。

图12 外特性下NO2/NOx比的变化规律

图13 为外特性下不同测点NOx排放随转速的变化规律。随着转速的增加，原排NOx逐渐降低，DOC、CDPF 后NOx与原排相比无明显变化。随着转速增加，排气空速增加，反应时间减少，NOx完全反应需要喷射更多的尿素，因此尿素喷射量随着转速的增加而增加。不同转速下SCR 的转化效率均维持在94% 以上且转化效率随着转速的增加先降低后增加。这是由于SCR 最佳工作温度区间为220 ℃～500 ℃，在此温度区间转化效率随着温度的增加而增加，但SCR 温度大于500 ℃时，NH3会与排气中的O2优先反应，导致NOx转化效率降低［15］。在转速为1 650 r/min 时，CDPF 后的温度为522 ℃，超出了SCR 最佳工作温度区间，导致转化效率降低。SCR 出口平均NH3泄漏量为14.2×10-6，低于法规限值（25×10-6），表明SCR 在保证NOx高转化效率的同时能保持较低的NH3泄漏量。

图13 外特性下NOx排放变化规律

图14 为外特性下不同测点HC 排放随转速的变化规律。随着转速的增加原机HC 排放先增加后降低，在转速为2 000 r/min 时HC 排放最高为37.8×10-6。DOC 后HC 排放有明显降低，转化效率随着转速的增加先增加后降低，在转速为1 650 r/min时转化效率达到最高，为94.8%，这与图6 排气温度变化规律保持一致，说明排气温度越高催化剂活性越好，转化效率越高。CDPF 涂覆的催化剂能进一步降低HC 排放，外特性下后处理系统对HC 减排效果较好。

图14 外特性下HC 的排放变化规律

图15 为外特性下不同测点CO 排放随转速的变化规律。随着转速的增加，原机CO 排放先降低后增加。DOC 测点后CO 排放大幅度降低且DOC 对CO 转化效率均大于90%，在转速为1 200 r/min 和2 000 r/min 下DOC 的转化效率达到100%，CDPF后基本无CO 排放。由此可见，DOC+CDPF 在外特性下对CO 具有较高的净化率。同时对比图9、图10、图14 可以发现，同一工况下DOC 对CO 的转化效率总是大于HC，说明DOC 对CO 的氧化效果好于HC，这是因为DOC 内涂覆的催化剂对CO 有更好的选择性，当HC 和CO 同时吸附在催化剂载体表面时，贵金属会优先参与CO 的反应，使得同一工况下 CO 的转化效率总是高于HC［13］。

图15 外特性下CO 排放的变化规律

图16 为外特性下NOx、HC 和CO 比排放的变化规律。与原机排放相比，加装后处理装置后NOx、HC和CO 比排放大幅下降，在外特性下NOx平均比排放为0.4 g/（kW·h），HC 平均比排放为0.1 g/（kW·h），CO 平均比排放为0.003 3 g/（kW·h），均低于非道路国四标准限值。

图16 外特性下气体污染物比排放

3 不同工况下颗粒物的排放特性

3.1 不同工况下颗粒物数量浓度的变化规律

图17 为1 650 r/min 和2 200 r/min 转速下不同测点PN 浓度随负荷的变化规律。随着发动机负荷的增加，颗粒物总数量浓度增加，这是因为在同一转速下转矩增加，发动机供油量增加，其空燃比减小，缸内不完全燃烧可能性增大，导致PN 增加。DOC 能一定程度上降低颗粒物数量，其转化效率随着负荷的增加呈线性增加。CDPF 后PN 平均降低了1～2 个数量级，在所有测试工况下CDPF 对PN的转化效率均大于96%，由此可见CDPF 对颗粒物的PN 降低起主导作用。

图17 负荷特性下PN 的变化规律

图18 为外特性下不同测点的PN 浓度随转速的变化规律。随着转速的增加，PN 增加，这是由于转速增加，喷油量增加，存在局部混合不均匀导致燃烧恶化，从而导致PN 增加。与负荷特性相比，DOC在外特性下转化效率随转速的变化较为平缓，且外特性下DOC 的转化效率较高。

图18 外特性下PN 的变化规律

图19 为不同工况下PN 比排放。随着负荷的增加PN 比排放先减小后增加，随着转速增加颗粒物数量比排放依次增加。与原机相比，加装后处理系统之后比排放量平均降幅达95%以上，且均低于非道路国四排放限值，其中转速为 2 200 r/min 时颗粒物比排放降低效果更明显。

图19 负荷特性和外特性下PN 比排放

3.2 不同工况下PM 质量浓度的变化规律

图20 为1 650 r/min 和2 200 r/min 转速下不同测点PM 质量浓度随负荷的变化规律。随着负荷增加PM 质量浓度增加。DOC 对PM 质量的转化效率随着负荷的增加而增加，在10% 负荷时PM 质量浓度转化效率最低，因为DOC 氧化SOF 会受到排气温度的影响。随着负荷增加，DOC 温度越高其催化剂活性越好，从而对颗粒物的转化效率越高，但10% 负荷时DOC 温度较低，不利于SOF 氧化［16］。在50%～75% 负荷之间，PN 转化效率呈线性增加，但PM 质量浓度转化效率较为平缓，可能是因为DOC 主要氧化的是SOF，虽然DOC 对其数量浓度氧化效果较好，但因SOF 质量较小所以质量转化效率变化不明显。CDPF 后PM 质量浓度大幅降低，在整个测试工况内CDPF 对PM 质量浓度有较高的效率，均保持在98% 以上，可以看出CDPF 对PM 质量浓度的降低起主要作用。

图20 负荷特性下颗粒物质量浓度的变化规律

图21 为外特性下不同测点PM 质量浓度随转速的变化规律。随着转速增加PM 质量浓度逐渐增加，在中低转速下PM 质量浓度增加速率较快。DOC 后PM 质量浓度相比原机有所降低，DOC 对PM 质量浓度的转化效率随着转速的增加而增加，在转速为2 200 r/min 下转化效率取得最高值60.6%。CDPF 后PM 质量浓度大幅降低，在所有工况下CDPF 对PM 质量浓度转化效率均大于95%，表明外特性下CDPF 对颗粒物质量浓度的降低起主要作用。

图21 外特性下PM 质量浓度的变化规律

图22 为不同工况下PM 质量浓度比排放变化规律。与原机相比，加装后处理系统之后比排放量平均降幅达95% 以上且均低于非道路国四排放限值，其中2 200 r/min 时颗粒物比排放降低效果最佳。

图22 负荷特性和外特性下PM 质量浓度

3.3 不同工况下颗粒物分布的变化规律

表4 和表5 为不同测点PM 分布随负荷的变化规律。由图可知原排核模态颗粒物比例均保持在50% 左右。当排气流过DOC 后，由于核模态颗粒物的主成分是SOF，DOC 对其氧化效果较好，而积聚态颗粒物是燃料中未完全燃烧的高分子长链吸附部分物质形成的，氧化效果较差［17］，使得DOC 后核模态比例降低。CDPF 后核模态颗粒物占比相比DOC 大幅上升，表明CDPF 对积聚态颗粒物的捕集效果较好。颗粒物捕集器的捕集机理包括布朗扩散、直接拦截和惯性碰撞3 种，其综合捕集系数随粒径的增加而减小［18］。另外，CDPF 表面涂覆的催化剂会将积聚态颗粒物表面所吸附的物质氧化，从而使得积聚态颗粒物向粒径较小的核模态颗粒物转化。同时CDPF 后NO2/NOx比降低，表明CDPF中消耗了部分NO2参与了颗粒物的被动氧化。上述因素使CDPF 后核模态颗粒物占比增加。

表4 转速为1 650 r/min 的负荷特性下颗粒物占比的变化规律

表5 转速为2 200 r/min 的负荷特性下颗粒物占比的变化规律

表6 为外特性下不同测点核模态颗粒物比例随转速的变化规律。原排中积聚态颗粒物比例略大于核模态颗粒物，随着转速的增加，核模态颗粒物比例先增加后降低。DOC 后核模态颗粒物比例为23%～36%，对比原排核模态颗粒物数量下降较为明显。CDPF 后核模态颗粒物比例相比DOC 后有所上升，转速2 000 r/min 时核模态颗粒物比例为96%，由此可见CDPF 对积聚态颗粒物的捕集效果较好。

表6 外特性(100%负荷)下颗粒物占比的变化规律

4 结论

（1）在测试工况下，加装集成式后处理系统后发动机转矩下降2% 左右，油耗无明显增加，说明后处理系统对发动机动力性和经济性无明显影响。

（2）负荷特性下发动机排温和压力随着负荷的增加而增加，外特性下随着转速增加排温先增加后降低，压力依次增加。后处理内部排气温度先增加后降低，压力依次降低。

（3）在负荷特性下，HC 和CO 排放均随着负荷增加而降低，外特性下随转速无明显变化规律。DOC对HC 和CO 排放起主导作用且平均降幅在80% 以上，其转化效率随负荷增加而增加，DOC 对CO 的转化效率高于HC。CDPF 对HC 和CO 平均转化率分别约为75% 和85%，低于DOC 的转化效率。

（4）NOx排放在负荷特性下随负荷增加而增加，外特性下随着转速的增加而降低，DOC+CDPF 会改 变NO2/NOx比，使 得CDPF 和SCR 入 口NO2增加。SCR 对NOx平均转化效率为90% 且SCR 出口NH3泄漏均小于20×10-6。

（5）PN 和PM 质量随着转速或负荷增加而增加，DOC+CDPF 对PM 质量和PN 降幅达95% 以上，同时改变了颗粒物的分布，使得CDPF 出口积聚态颗粒物比例减少而核模态比例增加。

（6）相比于原机，加装DOC+CDPF+SCR 后CO、HC、NOx、PN 和PM 比排放均大幅下降，在所有测试工况下除10% 负荷HC 比排放外，其余比排放均低于非道路国四排放法规限值。