不同海拔下柴油机氧化催化器与选择性催化还原系统对柴油机性能与排放的影响

严 杰，毕玉华，聂学选，王 鹏，万明定，申立中，彭益源

（1.昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；2.昆明云内动力股份有限公司云南省内燃机高原排放重点实验室，昆明 650500）

0 概述

氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）和颗粒物（particulate matter，PM）是柴油机最主要的排放污染物［1］。中国第六阶段排放法规对柴油机NOx和PM 等排放量有严格限值，同时国六b 阶段海拔高度在2 400 m 以下均要满足法规要求［2］。中国海拔高度在1 000 m 以上的国土面积约占58%，海拔高度在2 000 m 以上的面积大约占33%［3］。为满足排放法规要求，加装后处理系统是当下必须采取的措施。 其中柴油机氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）和选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）系统因可以有效降低柴油机NOx排放而被广泛关注。为满足国六排放法规要求，SCR 系统的平均转化效率需要提升至90% 以上［4］。柴油机后处理系统的运用会使排气背压升高，导致柴油机动力性和经济性下降。在高原环境下，大气中含氧量与进气温度等差异导致柴油机排气温度等性能与平原相比存在较大差异［5］，加装后处理系统后柴油机排放特性也有差异。开展不同海拔下加装后处理系统对柴油机性能的影响的研究对于柴油机与后处理系统的匹配和在高原环境下满足排放法规具有重要意义。

国内外学者对柴油机DOC+SCR 系统开展了大量研究。文献［6］中研究了DOC+SCR 系统对颗粒物排放的影响，结果表明经过DOC+SCR 系统后，有机物含量降低，颗粒物中碳烟含量降低最为显著。文献［7］中研究了7 种不同催化剂对DOC+SCR 系统的影响，提出了一种新的DOC 成分，可以显著降低DOC+SCR 系统对硫的敏感性。文献［8］中研究了不同催化剂温度对SCR 系统NOx转化效率的影响，结果表明催化剂温度是影响SCR 转化效率的显著因素。文献［9］中针对DOC+SCR 系统进行了数值仿真与结构优化研究，优化后DOC+SCR系统性能有明显提升。文献［10］中运用排气热管理措施从SCR 系统温度提升程度、柴油机经济性与排放性等多个角度进行了分析，得到了一套完整的SCR 排气热管理技术方案。文献［11］中研究了不同类型的DOC 和SCR 的性能，结果表明铁基催化剂的低温活化性能比铜基催化剂更好。文献［12］中的研究表明DOC+SCR 系统中，NOx的最佳转化温度为280 ℃～500 ℃。对于不同海拔下柴油机的相关性能，不同学者开展了大量研究［13-18］。文献［19］中研究了在高原环境下加装DOC 和催化型柴油机颗粒捕集器（catalyzed diesel particulate filter，CDPF）对柴油机性能的影响，结果表明加装后处理系统后，随着试验循环数的增加，发动机动力性、经济性、排放性与原机相比略有下降。

综上所述，国内外学者针对柴油机DOC+SCR系统本身的结构特性、性能及不同海拔下柴油机性能开展了大量研究，但关于不同海拔DOC+SCR 系统对柴油机性能影响的研究非常有限。基于此背景，本研究中利用大气模拟系统，搭建试验台架，研究80 kPa、90 kPa、100 kPa 大气压力（对应2 000 m、1 000 m、0 m 海拔高度）下加装DOC+SCR 对柴油机性能的影响，该研究为柴油机在不同海拔运行时的后处理系统匹配提供实际指导依据。

1 试验装置与试验方案

1.1 试验装置

研究对象为一台增压中冷直列4 缸柴油机，其主要技术参数如表1 所示。试验所用的DOC 与SCR 主要技术参数如表2 所示。试验主要仪器设备有AVL PUMA 测控系统、AVL 电力测功机、AVL 662 燃烧分析仪、AVL 735 燃油质量流量计、AVL 553 冷却水恒温控制系统、AVL AMA i60 排放测试设备、AVL FTIR i60 排放测试设备、AVL 415S 烟度测试仪、上海同圆测试设备有限公司生产的大气模拟装置等。台架布置示意图如图1 所示，台架布置实物图如图2 所示。

图1 台架布置示意图

表1 柴油机技术参数

表2 DOC 与SCR 主要参数

1.2 试验方案

本研究在原机与加装DOC+SCR 条件下选取80 kPa、90 kPa、100 kPa（对应海拔高度约为2 000 m、1 000 m、0 m）3 种大气压力进行试验。试验所处地为昆明，海拔约为2 000 m，利用大气模拟系统对进排气加压模拟0 m 和1 000 m 海拔试验，试验中大气压力误差控制在0.5 kPa 以内，同时保证柴油机进气温度为25 ℃±2 ℃，进气湿度为50%±5%。本研究选取外特性工况进行试验。试验中，不同海拔下发动机供油量由电控单元（electronic control unit，ECU）控制策略进行调整。

2 试验结果及分析

分别在80 kPa、90 kPa、100 kPa 大气压力下对比柴油机加装DOC+SCR 系统前后的性能变化规律，在6 个外特性工况点下分别计算出性能参数变化的百分比，再求出6 个变化百分比的平均值以得到最终的性能参数变化百分比。

2.1 不同海拔下DOC+SCR 系统对动力性、经济性、燃烧性能的影响

图3 为不同海拔下加装后处理装置对功率、转矩、有效燃油消耗率、缸内最高燃烧压力的影响。由图3 可知，加装后处理装置后，柴油机的功率和转矩下降，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下功率和转矩均分别平均下降1.11%、1.89%、1.96%。随着海拔的升高，柴油机功率和转矩也略微下降。这是因为随着海拔的升高，空气密度下降，导致柴油机每循环进气量减小，缸内燃烧恶化，使得柴油机动力性下降。加装后处理系统后，柴油机排气背压升高，排气阻力增大，增大了排气损失，此外加装后处理系统后柴油机进气流量有所下降，使得柴油机动力性下降。随着海拔的升高，有效燃油消耗率增加，加装后处理后80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分别平均增加1.64%、2.87%、2.94%。这是因为随着海拔的升高，空气密度下降导致进气量减少，缸内过量空气系数减小，燃烧恶化，柴油机热效率降低从而导致油耗升高。加装后处理装置后由于排气背压升高，排气阻力增加，缸内残余废气系数增加，另外加装后处理系统需要开启后喷以提升排气温度使后处理系统处于高效运转区域，导致油耗增加。平原环境下，发动机的排气压差与进气压差较大，使平原环境下泵气损失高于高原环境，相对于加装后处理系统，泵气损失对发动机动力性、经济性影响更加明显，故加装后处理装置对平原环境下发动机性能的影响小于高原环境。

由图3 还可知，由于高原环境下进气氧含量的减小导致缸内燃烧不充分，使得高原环境下缸内最大压力小于平原地区。加装后处理装置后排气背压升高，排气阻力增大，缸内残余废气系数增加，缸内氧含量减小，燃烧不充分，致使缸内最大压力下降。加装后处理后，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下缸内最高燃烧压力分别平均降低8.47%、7.50%、6.24%。

图3 不同海拔下加装后处理装置对功率、转矩、有效燃油消耗率、缸内最高燃烧压力的影响

2.2 不同海拔下DOC+SCR 对进排气参数的影响

图4 为不同海拔下加装后处理装置对进排气参数的影响。由图4 可知，进气流量随着海拔的升高而降低，不同海拔下进气流量随转速变化趋势均一致。加装后处理装置后进气流量有所下降，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下进气流量分别平均下降3.32%、3.91%、4.62%。原因是随着海拔的升高，大气压力下降，进气压力不足导致进气流量减小。加装后处理装置后，由于排气背压升高，涡轮增压器效率下降，导致增压压力降低，从而进气量随之下降。

由图4 中不同海拔下加装后处理装置对中冷后压力的影响规律可知，由于高原地区大气压力低于平原地区，不同海拔下中冷后压力也呈现不同程度的变化。加装后处理装置后，中冷后压力下降，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分别平均下降3.86%、4.17%、4.32%。

图4 不同海拔下加装后处理装置对进排气参数影响

由图4 中不同海拔下加装后处理装置对排气温度的影响规律可知，相同转速下，排气温度随着海拔的升高而升高，不同海拔下的影响规律趋势均一致。加装后处理装置后排气温度明显升高，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分别平均升高7.35%、7.21%、7.11%。分析其原因是随着海拔的升高，进气量减小导致缸内燃烧恶化，同时为了降低高原地区缸内燃烧的恶化程度，柴油机采用较大增压比，使得进气温度升高。此外，随着大气压力的降低，增压比升高，发动机进气量也升高，但增压器的增压效果仍不足以抵消大气压力下降带来的压力损失，造成高原环境下的缸内燃烧效果仍然差于平原地区。以上原因导致了高原地区排气温度高于平原地区。加装后处理后，由于排气背压的升高，排气阻力加大，废气无法及时排出，使缸内残余废气系数增大，影响了缸内燃烧，且加装后处理装置后ECU 开启后喷以匹配后处理系统，导致加装后处理装置后排气温度显著升高。

由图4 中不同海拔下加装后处理装置对排气流量的影响曲线可见，相同转速下随着海拔的升高，排气流量降低，加装后处理装置后排气流量也降低，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分别平均降低3.13%、4.75%、4.98%。排气流量是进气流量与燃油质量流量的总和，燃油质量流量的变化相对较小，排气流量下降的主要原因是进气流量下降。

由图4 中不同海拔下加装后处理装置对排气背压的影响曲线可见，高原环境下排气阻力低于平原地区，加装后处理装置后排气背压明显升高，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分别平均升高28.02%、27.08%、26.81%。排气背压是影响柴油机动力性和经济性的重要参数，过高的排气背压会影响缸内的燃烧，使动力性下降，油耗上升。平原地区的大气压力相对较高，排气出口压力相对于高原地区高，排气阻力高于高原地区，因此平原地区的排气背压高于高原地区。由于后处理系统的管道和载体结构加大了排气阻力，并且加装后处理系统后缸内最大压力下降，以上原因导致加装后处理系统后排气背压升高。随着柴油机转速的升高，加装后处理系统后排气背压差值升高，这是由于随着转速升高，柴油机的排气体积流量增大，加装后处理系统后排气阻力的增加对排气背压增加量的影响更加显著。

2.3 不同海拔下DOC+SCR 系统对排放的影响

图5 为不同海拔下加装后处理装置对柴油机排放特性的影响。

图5 不同海拔下加装后处理装置对排放特性的影响

如图5 所示，随着海拔的升高，大气压力降低，柴油机进气氧含量较低，使缸内缺氧区域增多，限制了NOx的生成，NOx排放降低。加装后处理系统后，由于排气流量降低导致进气流量降低，进气氧含量进一步减小，NOx排放降低。加装后处理后，SCR 后端NOx排放明显降低，且在外特性工况下，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的SCR 最大转化效率分别为88.86%、86.11%、84.76%。不同海拔下烟度随转速的变化规律基本相同，由于高原环境下进气流量减小导致缸内燃烧恶化，缸内高温缺氧的区域增多，碳烟排放增加。DOC 对碳烟中的可溶性有机物具有一定氧化作用，因此加装后处理后排气中烟度有所降低，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下分别平均降低8.94%、8.82%、8.41%。高原环境下排气温度较高有利于后处理系统工作，且高原环境下排气流量较低使NOx和碳烟在后处理系统中停留时间增加，使反应更加充分，故高原环境下DOC+SCR 系统对NOx和碳烟的转化效率高于平原环境。

由不同海拔下加装后处理装置后HC、CO 的变化规律可知，由于高原环境下进气含氧量减小，缸内燃烧恶化，燃烧不完全，导致未燃HC 和CO 排放增多，加装后处理后DOC 的氧化作用使HC 和CO 排放明显降低。在大气压力80 kPa 下，DOC 对HC 和CO 的转化效率分别为91.33% 和79.88%；90 kPa下，对HC 和CO 的转化效率分别为98.29% 和77.38%；100 kPa 下，对HC 和CO 的转化效率分别为99.18% 和75.31%。大气压力较高时，排气含氧量较大，使DOC 中氧化反应能力增强，而不同大气压力下DOC 对HC 和CO 的转化效率呈现出不同的变化趋势，这是由于DOC 中单位质量的催化剂发生氧化反应的能力有限，HC 和CO 在DOC 内的氧化反应存在一定竞争关系，从而当HC 的转化效率上升时，CO 的转化效率呈现出下降趋势。

3 结论

（1）随着海拔的升高，柴油机进排气流量、中冷后压力、排气背压降低，排气温度升高。加装DOC+SCR 后，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的进气流量分别平均降低3.32%、3.91%、4.62%；中冷后压力分别平均降低0.41%、4.17%、4.32%；排气温度分别平均升高7.35%、7.01%、7.11%；排气流量分别平均降低3.13%、4.75%、4.98%；排气背压分别平均升高28.02%、27.08%、26.81%。

（2）随着海拔的升高，柴油机动力性、经济性、缸内最高燃烧压力下降。加装DOC+SCR 后，80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的功率和转矩变化一致，分别平均降低1.11%、1.89%、1.96%；有效燃油消耗率分别平均升高1.64%、2.87%、2.55%；缸内最大压力分别平均降低8.47%、7.50%、6.24%。

（3）随着海拔的升高，柴油机NOx排放降低，碳烟、HC、CO 排放升高。加装DOC+SCR 后，外特性工况80 kPa、90 kPa、100 kPa 下的SCR 的最大转化效率分别为87.86%、89.11%、85.76%；烟度分别平均下降8.94%、8.82%、8.41%；DOC 对HC 的平均转化效率分别为91.33%、98.29%、99.18%；DOC 对CO 的转化效率分别为79.88%、77.38%、75.31%。