柴油机后处理系统对细颗粒物排放特性的影响研究

摘要：为研究柴油机细颗粒物排放特性，选取一台搭配SCR（selective catalytic reduction）后处理系统的国六重型柴油发动机进行世界统一瞬态循环WHTC（word harmonized transient cycle）测试。为获取对比数据，分别在原排、DPF（diesel particulate filter）后、尾排3个位置获取PN和PN细颗粒物数据。基于PN和PN排放特性，搭建紧耦合ccSCR（close coupling selective catalytic reduction）后处理系统，探究后处理系统对PN和PN颗粒物排放的影响。试验结果表明：尾排细颗粒物排放量随着尿素喷射量和SCR入口温度的提升而增加，其中PN增加趋势比PN更明显。粒径为10～23 nm细颗粒物占比与温度同样为正向关系，温度为200 ℃时占总粒径的55%，240～280 ℃时占比达到75%，280 ℃以上时占比超过80%。ccSCR与SCR相比，稳态工况下PN与PN排放均下降50%～80%；瞬态WHTC循环下，ccSCR的PN和PN排放分别为1.61×10¹¹，2.92×10¹⁰ 个/（kW·h），对比SCR的PN和PN排放分别下降57.2%和62.3%。

关键词：选择性催化还原；颗粒；尿素喷射量；SCR入口温度；紧耦合

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.006

中图分类号：TK421.5 文献标志码：B 文章编号：1001-2222（2024）05-0042-07

生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2022）》数据显示，2021年度中国机动车颗粒物排放量达到6.9万 t^［1］。机动车中汽车是污染物排放总量的主要贡献者，其中柴油车颗粒物排放超过汽车排放总量的90%。随着人们对环境与健康问题的日益关注，机动车颗粒物引起的环境污染被广泛关注。为了进一步加强对颗粒物排放的限制，2018年生态环境部发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，规定粒径在23～2 500 nm之间的颗粒物PN限值为6×10¹¹ 个/（kW·h）^［2］。

随着柴油机高压共轨技术的逐步发展，喷油压力不断增加，导致柴油机尾气中粒径在23 nm以下的细颗粒物数量占比逐渐增大，最大占比约为80%^［3-5］。研究发现细颗粒物更容易附着有毒物质，在相同质量下，细颗粒物对健康带来的危害更大^［6-7］。目前，细颗粒物是我国大多数城市空气中的首要污染物，细颗粒物通过呼吸道进入肺泡、血液、神经系统，会引发各类疾病，从而对人类健康造成潜在的危害^［8］。在此背景下欧盟成立了PMP（particle measurement programme）工作组，负责研究细小颗粒物的测量方法，并明确了欧七颗粒物限值由23 nm扩展到10 nm的范围。

迄今为止，学者们对颗粒物排放进行了大量的研究。谷雨等^［9］进行了柴油机后处理系统对颗粒数量排放特性影响的研究。李劲松等^［10］进行了国六柴油发动机细颗粒物排放特性的研究。刘卫林等^［11］研究了不同喷油参数对重型柴油机细小颗粒排放的影响。汪晓伟等^［12］研究了重型国六发动机细颗粒物数量的排放特性。

目前，关于尿素喷射量对颗粒物排放影响的研究较少，更缺乏针对细颗粒物PN排放特性的研究。为研究尿素喷射量对发动机颗粒物排放的影响，选取1台7.7 L柴油发动机，后处理系统分别采用DOC（diesel oxidation catalyst）+DPF（diesel particulate filter）+ SCR（selective catalytic reduction）+ASC（ammonia slip catalyst），以及紧耦合ccSCR（close coupling selective catalytic reduction）+DOC+DPF+SCR+ASC的双SCR后处理的组合方式。下文国六后处理系统简称“SCR后处理系统”，紧耦合ccSCR后处理系统简称“ccSCR后处理系统”。在台架上分别对上述两套后处理系统进行稳态工况与瞬态循环WHTC的细颗粒物排放测试，获取试验数据，并对试验结果进行分析，为欧七的颗粒物排放研究提供一定参考。

1 试验装置和方案

1.1 试验装置

试验选用1台满足国六排放标准的柴油发动机，分别搭配SCR后处理系统与ccSCR后处理系统，发动机参数见表1，试验装置见图1。细颗粒物采用AVL489颗粒计数器测量。

1.2 尿素喷射控制策略

尿素喷射的控制策略是利用尿素溶液分解成氨气与尾气中的氮氧化物反应，氮氧化物的转化效率作为反馈值实时修正。尿素分解为氨气的过程见式（1）～式（3）。氮氧化物与氨气的还原反应过程见式（4）～式（6）。

尿素脱水，生成固态尿素分子：

（NH）2CO（aq）（NH）2CO（s）+HO（g）；（1）

固态尿素分子热解，生成气态氨气：

（NH）CO（s）NH（g）+HNCO（g）；（2）

异氰酸分子水解，再次生成气态氨气：

HNCO（g）+HO（g）NH（g）+CO（g）；（3）

标准反应：

4NO+4NH+O4N+6HO；（4）

快速反应：

2NO+2NO+4NH4N+6HO；（5）

慢速反应：

2NO+4NH+O3N+6HO。（6）

为构建模型主体，采用排气温度与空速交叉法测试NO转化效率，图2示出了ccSCR与SCR后处理系统对NO的极限转化效率。在常用空速与不同温度下对SCR系统的氨存储特性进行测试，氨存储特性如图3所示。在不同氨覆盖率与不同温度下得到的NO转化效率见图4。

1.3 试验方案

为了研究细颗粒物的影响因素，采用SCR后处理系统在世界统一瞬态循环WHTC下对原排、DPF后、尾排的细颗粒物排放进行测试。根据循环测试结果，分析细颗粒物排放的影响因素，以便进行优化。本研究按照以下方式进行分析研究：（1）以尿素喷射量作为单一变量，参考WHTC循环SCR入口平均温度和平均排气流量，分析尿素喷射量对细颗粒物的影响；（2）以SCR入口温度作为单一变量，参考WHTC循环平均排气流量和平均尿素喷射量，分析温度对细颗粒物的影响；（3）验证优化方案ccSCR后处理系统与SCR后处理系统稳态工况点的细颗粒物排放特性；（4）测试WHTC循环下SCR与ccSCR后处理系统尾排细颗粒物排放的特性。

2 试验结果与分析

2.1 国六SCR后处理系统不同测点细颗粒物特性研究

选取国六SCR后处理系统运行瞬态WHTC循环，获取DPF后、尾排的PN与PN排放量以及原排的PN排放量。如图5a所示，细颗粒物排放在后处理系统中呈先降后升趋势，DPF后喷射尿素导致PN增加3.69×10¹¹ 个/（kW·h），PN增加7.25×10¹⁰ 个/（kW·h）。可以看到，喷射尿素产生的细颗粒物远高于经过DPF的细颗粒物。一方面，一部分液态尿素在混合器中与壁面、导流板碰壁产生碎裂形成更多小液滴，并在排温作用下形成细小微粒^［13］；另一方面，气态尿素在SCR中形成硝酸盐、硫酸盐、气溶胶等细颗粒物，造成二次污染^［14］。

图5b示出了3个测点的温度与尿素喷射量。冷态循环中DPF后与尾排温度相差15 ℃，且3个位置中仅有尾排喷射尿素，因此以下围绕尿素量与温度来研究细颗粒物排放特性。

2.2 尿素喷射量对细颗粒物的影响分析

为了获得单一变量对细颗粒物的影响，需进一步对每种影响因素进行分析。在SCR入口平均温度为260 ℃，排气流量为400 kg/h的工况下，分析WHTC循环中尿素量对PN与PN的影响。在尿素热解气化再水解过程中会产生未分解尿素、缩二脲、三聚氰酸、三聚氰酸一酰氨等副反应物，气态NH在催化剂表面反应生成固态硝酸盐、硫酸盐、尿素气溶胶等，增加了细颗粒物排放^［15］。通过试验得到尿素喷射量对细颗粒物的影响，如图6所示。从尿素停喷到喷射量为50 mg/s，PN数量增长2 785.4%，PN数量增长465.6%；当尿素量从50 mg/s增加至500 mg/s时，PN和PN数量增长率分别增加522.5%和556.7%。综上所述，尿素喷射会增加细颗粒物排放，且PN和PN数量随着尿素量的增加而增加。

不同尿素量对10～23 nm细颗粒数占比影响如图7所示。尿素停喷时10～23 nm颗粒物占比较低，可以看出DPF对10 nm粒径的颗粒物仍有较高的捕集效率。随着尿素喷射量的增加，10～23 nm细颗粒数占比也逐渐增加，占比最大达到85%。

2.3 温度对细颗粒物的影响分析

为了研究温度对颗粒物的影响，固定排气流量为400 kg/h，在尿素喷射量分别为50 mg/s，100 mg/s，150 mg/s下进行试验测试。尿素喷射后形成尿素小滴液，高温下小滴液发生破碎现象，生成大量微小滴液使颗粒物排放上升^［16］。从图8可知，PN数量随着温度的升高而增加，而PN受温度影响较小。当温度由200 ℃提升至280 ℃时，尿素喷射量为50 mg/s，100 mg/s，150 mg/s时PN排放分别增加了495%，469%，334%，而当温度由280 ℃提升至360 ℃时，PN排放分别增加了145%，172%，130%。可见200～280 ℃温度区间PN增加速率较大，而280～360 ℃温度区间PN增加速率相对较小，这是因为硝酸盐微颗粒在295 ℃以上分解为气态NO，细颗粒物随温度变化趋势与硝酸盐反应机理一致^［17］。

图9示出3种尿素喷射量下温度对粒径10～23 nm颗粒物占比影响。受排温影响，混合器中破裂的尿素微粒、催化剂副反应产物更容易随温度的提升而增加。其中温度为200 ℃时，10～23 nm颗粒物占比达到60%；温度为240 ℃时，占比达到78%；温度为280 ℃时，占比达到83%。由此可知，在200 ℃时尿素热解不充分，只有部分形成核态颗粒，10～23 nm颗粒物占比低。当温度超过240 ℃时，喷射尿素生成的10～23 nm颗粒物数量增加，当温度到达280 ℃时，尿素分解充分且催化剂副反应稳定，10～23 nm颗粒物占比基本趋于平稳。

2.4 稳态工况点细颗粒物排放分析

基于上述试验结果可知降低尿素喷射量与排气温度可以有效抑制尾排细颗粒物排放，但与控制NO排放原理相驳。为此搭建了紧耦合ccSCR系统：ccSCR+DOC+DPF+SCR+ASC，在降低细颗粒物的同时兼顾优化NO排放。ccSCR与SCR的区别在于ccSCR后处理系统有前、后两级催化剂，前级催化剂位于DPF前，后级催化剂位于系统最后端。前级催化剂不仅降低了NO排放，缓解了后级催化剂压力，还因为DPF功能降低了未分解的尿素与副反物^［18］。因此从降低NO与细颗粒物的方向来考虑，ccSCR比SCR更具优势。

试验选择排气流量分别为300，500，700 kg/h，温度分别为200，240，280，320，360 ℃的工况，测试ccSCR和SCR后处理系统颗粒物排放。从图10可知，PN和PN排放均随温度的升高而增加。SCR后处理系统的PN排放高于ccSCR后处理系统，当SCR入口温度为200 ℃时，ccSCR后处理系统各排气流量下的PN排放比SCR后处理系统下降了45%～60%，温度越高下降幅度越大。SCR和ccSCR后处理系统的PN排放量与PN趋势一致，均为SCR后处理系统高于ccSCR后处理系统。

图11示出不同温度下两种后处理系统的10～23 nm颗粒物占比。从图中可知，温度为200 ℃时10～23 nm颗粒占比为55%，240 ℃时升至75%，280～360 ℃时稳定在80%以上。可以看出，200 ℃时粒径10～23 nm的颗粒数量与23 nm以上颗粒数量占比接近，之后随着温度升高，10～23 nm的颗粒物占比增加到80%。ccSCR路线因降低了尿素喷射量，使得PN和PN颗粒物排放明显低于SCR路线（见图10），但10～23 nm细颗粒物的占比未受影响。

2.5 瞬态WHTC循环细颗粒物排放分析

WHTC循环包括冷起动与热起动两个阶段，冷起动阶段排放参数如图12所示。前600 s时SCR入口温度达到150 ℃，ccSCR前级开始喷射尿素，因DPF堵截，尾排颗粒物排放并未增加，后级未喷尿素，SCR后处理系统因入口温度低同样未喷尿素。601～1 200 s，温度维持在250 ℃左右，SCR后处理系统颗粒物排放呈缓慢上升趋势，而ccSCR后级开始喷射少量尿素，因此产生的细颗粒物排放量较少。1 200 s之后温度高于280 ℃，此时尿素喷射量增加，SCR与ccSCR前、后级尿素累计量均大幅上升，造成两个后处理系统颗粒物排放明显增长，且PN排放明显高于PN排放。冷起动循环SCR的细颗粒物排放高于ccSCR，再次验证了尿素喷射量增加会造成细颗粒物排放升高。

热起动阶段排放参数如图13所示。起动温度达到240 ℃时，SCR与ccSCR均开始喷射尿素，但低温排气带走后处理系统部分热量，使温度由240 ℃降低到200 ℃。温度较低导致细颗粒物排放并未因尿素喷射而明显增加。循环超过600 s之后，温度升高至240 ℃，SCR与ccSCR细颗粒物排放均增加，且趋势与冷起动循环相似。同样地，热起动循环SCR后处理系统细颗粒物排放高于ccSCR后处理系统。

根据发动机运行工况和后处理系统温度，瞬态WHTC循环可以分为0～600 s，601～1 200 s，1 201～1 800 s三个阶段。对于冷态WHTC循环，在0～600 s（第一阶段），负荷低、怠速占比多，因排气温度低，SCR与ccSCR未喷尿素，颗粒物累计值没有增长；601～1 200 s（第二阶段），怠速占比少、转速与扭矩稳定，排温为240 ℃，SCR尿素喷射量占总量28%，但颗粒物累计值仅占比12%，ccSCR尿素喷射量占总量20%，颗粒物排放仅占比13%，这是因为温度低导致尿素在排气管壁与混合器中形成液态薄膜未完全气化和水解，细颗粒物生成量降低；1 201～1 800 s（第三阶段），高负荷工况占比高，排温达到300 ℃以上，SCR尿素喷射占总量72%，颗粒物占比88%，ccSCR尿素喷射量占总量80%，颗粒物占比87%，这是因为温度高对尿素的气化、水解有利，且因之前存留的液态薄膜尿素也随之热解，使整体细颗粒物排放增加。对于热态WHTC循环，第一阶段温度得到提升，达到尿素喷射条件，但温度仅有200 ℃，仍偏低，SCR尿素喷射占总量13.4%，颗粒物占比3.5%，ccSCR尿素喷射占总量10%，颗粒物占比2.2%；第二阶段排温达到250 ℃，SCR尿素喷射占总量22.6%，颗粒物占比15.2%，ccSCR尿素喷射占总量17.7%，颗粒物占比13%，前1 200 s细颗粒物生成量占比相对尿素喷射量占比偏低，与冷态循环趋势相同；第三阶段，SCR尿素喷射占总量64%，颗粒物占比81.4%，ccSCR尿素喷射占总量72.3%，颗粒物占比84.8%。总体而言，WHTC循环中尿素量与排温的升高同样会导致细颗粒物排放增加。

表2示出WHTC循环排放测试结果，可见采用ccSCR技术路线的细颗粒物排放明显优于采用SCR技术路线，其中PN，PN和NO排放均显著降低。采用ccSCR技术路线时，PN排放满足欧七标准限值。对于两种技术路线，PN排放约为PN排放的5倍。

3 结论

a） 发动机后处理系统喷射的尿素会增加细颗粒物排放，且细颗粒物排放随尿素喷射量增加而增加；

b） 尾排PN与PN排放量随尿素量增加而增加，其中PN颗粒物受尿素影响更显著；不喷射尿素时，10～23 nm颗粒物占比仅为20%；而尿素喷射量为500 mg/s时，10～23 nm颗粒物占比达80%以上；

c） 尾排PN排放受温度影响较小，温度对PN影响明显；

d） ccSCR较SCR细颗粒物排放明显降低，稳态工况下PN与PN排放各降低80%；WHTC瞬态循环PN与PN排放分别下降57.2%和62.3%；两种后处理系统的10～23 nm细颗粒物占比接近。

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Influence of Diesel Engine Aftertreatment System on Fine Particulate Matter Emission Characteristics

ZHANG Wang，WU Hanming，LIU Qiang，WANG Maoxuan，LI Zhenguo，SHAO Yuankai

（China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

Abstract： Based on a China Ⅵ heavy-duty diesel engine equipped with selective catalytic reduction （SCR） aftertreatment system， the fine particulate matter emission characteristics of diesel engine were tested according to WHTC.To obtain comparative data， particle numbers PN and PN were obtained from the raw exhaust pipe， the rear pipe of diesel particulate filter （DPF）， and the end pipe. Based on the results of PN and PN emissions， a close coupling selective catalytic reduction （ccSCR） aftertreatment system was constructed to investigate the influence of aftertreatment system on emission characteristics of PN and PN. The test results show that the fine particulate matter emissions in end pipe increase with the urea injection volume and the SCR inlet temperature， and the increasing trend for PN is more obvious than that for PN. The percentage for fine particulate matters of 10-23 nm size is also positively related to temperature， which accounts for 55% of total particle size at 200 ℃， 75% at most between 240-280 ℃， and higher than 80% beyond 280 ℃. The comparison between the ccSCR route and the SCR route reveals that the ccSCR route can reduce PN and PN of steady state operating conditions by 50%-80% at each point. PN and PN emissions of transient WHTC cycle are 1.61×10¹¹ and 2.92×10¹⁰ #/（kW·h） respectively， which reduce by 57.2% and 62.3% compared to the SCR route.

Key words： selective catalytic reduction （SCR）；particle；urea injection amount；SCR inlet temperature；close coupling

［编辑：潘丽丽］