高原环境下柴油机NOX排放控制试验研究

摘 要：柴油机是当前工业及经济发展中不可或缺的动力机械，同时也是NOX排放的主要贡献者。要助力经济高质量发展，内燃机行业新质生产力加速形成，使柴油机更高效绿色，提升SCR转化效率，减少NOX排放是关键。文章利用台架及大气模拟装置，在80kPa、90kPa、100kPa大气压力下进行试验，研究不同海拔下NO与NO2排放特性，以及NO2与NOX的比值对SCR转化效率的影响。研究结果表明：随着转速的升高，NO及NO2排放均下降，海拔越高二者排放越少。NO与NO2排放呈此消彼长的关系，当NO2与NOX的比值增大时，SCR转化效率逐步提高，但当比值大于50%时，SCR转化效率会有明显下降。

关键词：高原 选择性催化还原（SCR） NOX排放 转化效率

1 绪论

与汽油机相比，柴油机能以较低的转速输出更大的扭矩，因具有动力性强，比油耗低，热效率高等优点，占据了越来越大的市场份额，在市场需要及技术发展的作用下，柴油机越来越多地被用于农业，工业，运输，军事等方面[1-3]。据中国内燃机工业协会统计分析，2023年全年共计销售柴油机4473.76万台，同比增长2.85%。柴油机是目前产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。据生态环境部于2023年12月发布的《中国移动源环境管理年报（2023年）》显示，全国机动车一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX）、颗粒物（PM）排放量分别为743.0万吨、191.2万吨、526.7万吨、5.3万吨。汽车是污染物排放总量的主要贡献者，其排放的CO、HC、NOX和PM超过90%[4]。柴油车NOX排放量超过汽车排放总量的80%，造成的环境污染不可忽视。

我国地形地势复杂，拥有典型的高原地形，海拔1000m以上国土面积占56%，2000m以上面积占33%，仅青藏高原面积就达230万平方公里[5-6]。柴油机等动力设备在这些高原地区运行时循环进气量变差，会使得柴油机缸内燃烧恶化，进而导致其排放恶劣[7-8]。研究高原环境下柴油机NOX排放特性及选择性催化还原（SCR）性能对NOX排放控制具有重要意义。

本文利用满足柴油机国Ⅵ测试的试验台架，搭载DOC及SCR系统，结合大气模拟系统模拟不同海拔条件，进行不同转速恒定节气门开度试验，研究80kPa、90kPa、100kPa大气压力下NOX排放特性及SCR系统转化性能，以期为优化柴油机NOX排放控制丰富数据支撑。

2 试验设备与方法

试验所用的发动机是一台高压共轨直列四缸柴油机，排气后处理系统搭载DOC及SCR。柴油机主要技术参数如表1所示，SCR性能参数如表2所示。

试验所用仪器设备除发动机及SCR系统外，主要是台架测控设备，包括PUMA测控系统、傅里叶红外分析仪、AVL电力测功机、冷却水恒温控制系统等，台架布置如图1所示。

3 不同大气压力下NO及NO2排放特性

针对柴油机不同海拔环境下的性能进行试验研究通常有两种方式，一种是将试验机型及设备运送到符合试验研究要求的地方，这种方式会消耗大量的人力物力，设备在运送途中也会有不可控的损坏风险，增加设备磨损，当设备故障时也得不到及时地修理。另一种便是借助大气模拟系统，模拟实验所需的大气压力、温度及湿度，这也是当下主流的试验方法。本次试验所在地海拔为1980m，对应大气压力为80kPa，利用大气模拟装置模拟90kPa和100kPa大气环境，对应的海拔分别是1000m和0m。不同海拔环境下氧气密度不同，柴油机运行时进排气流量、温度等也不同，动力性、经济性、排放性等也会有较大差异。

选取1400～2400rpm转速区间，恒定60%节气门开度，模拟柴油机在不同海拔环境下运行。如图2及图3所示，分别是在80kPa、90kPa、100kPa下NO及NO2排放特性。从图中可以看出，随着转速的升高，NO及NO2排放均下降，海拔越高二者排放越少。NOX产生的三个条件：高温、富氧及反应持续时间，海拔越高氧气密度越低，因此随着海拔的升高NO及NO2排放减少；而随着转速的增大，空速也增大，进排气加快供给燃烧化学反应的时间减少，因此NO及NO2排放减少。此外，NO在1600rpm至1800rpm区间排放浓度上升，因此时发动机功率从24.85kW上升到36.57kW，进气流量从144.3上升到210.3kg/h，其余相邻转速区间功率和进气流量变化分别在3.5 kW，20kg/h左右，因此1600rpm至1800rpm区间NO排放增多。

从图4可以看出，柴油机原始NOX排放中绝大部分是NO，从变化趋势来看，二者基本对称，呈此消彼长的关系。由于在柴油机燃烧排气过程中，温度高且氧化物含量丰富，NO能被快速氧化成为NO2，NO与NO2的含量之比又能影响SCR的转化效率，因此，有必要对二者的排放特性进行研究，以帮助改进SCR性能。

4 NO2与NOX之比对SCR转化效率的影响

SCR是满足国六排放法规必备的后处理系统，其载体利用铜基、钒基等做催化剂，尿素水溶液所产生的NH3做还原剂，通过催化还原反应把NOX还原成N2和H2O，整个过程经历复杂的物理化学反应过程，具体反应原理如下：

（1）NH3的产生

（4-1）

（4-2）

（2）NOX的催化还原反应

（4-3）

（4-4）

（4-5）

从上述研究可知，NOX排放中NO占比最多，因此在整个转化NOX过程中，式4-3是最主要的发生的反应，但是从式4-4及4-5也可以发现，当有足够的NO2参与反应时，整个转化过程将会加快。如图5所示，当NO2与NOX的比值增大时，SCR转化效率逐步提高。但也不是NO2占比越大越好，从图中可以看出，在比值接近50%时，转化效率达到最高，超过50%后转化效率明显下降，并随着比值越高转化效率越低。

5 结论

柴油机是当前工业及经济发展中不可或缺的动力机械，由于其经济、耐久、可靠、高效等特点被广泛运用于汽车、船舶、农业、军事等各个领域。当前，我国经济正转入高质量发展阶段，新一轮科技革命和产业变革正在兴起，各行各业均在谋求创新发展，柴油机也将朝着更高效更绿色更智能的方向发展，这是满足内燃机行业发展新质生产力的应有之义，也是助力实现“双碳”战略目标的必然要求。NOX是柴油机的主要排放污染物，如不加以控制会对人体和环境造成较大破坏，SCR是满足国六排放法规有效降低NOX排放的关键技术手段。《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中明确规定了轻型车在进行实际道路行驶污染物排放试验（RDE）时，汽车排放污染物限值需要满足随着海拔变化的要求[9]，这无疑为不同海拔下NOX排放控制带来了挑战。因此，研究不同环境下NOX排放特性及影响SCR转化效率的因素，对于优化SCR性能，控制NOX排放具有重要意义。

本文运用大气模拟装置在不同大气压力针对下柴油机进行台架试验，研究NO、NO2排放特性及NO2排放浓度占比对SCR转化效率的影响，研究结果如下：

（1）随着转速的升高，NO及NO2排放均下降，海拔越高二者排放越少。其原因是海拔越高氧气密度越低，因此随着海拔的升高NO及NO2排放减少。而转速增大，空速也增大，NOX产生的化学反应时间缩短，也会导致二者排放减少。

（2）柴油机原始NOX排放中绝大部分是NO，NO与NO2排放呈此消彼长的关系。同时当NO2与NOX的比值增大时，SCR转化效率逐步提高。但当比值大于50%时，SCR转化效率会有明显下降，并且随着比值的增大，转化效率持续下降。

基金项目：云南交通职业技术学院科学研究青年基金项目（2023KJ005）。

参考文献：

[1]毕玉华，刘伟，申立中，等.不同海拔下EGR对含氧燃料柴油机性能影响的试验研究[J].内燃机工程，2015，36（02）：150-156.

[2]刘少华，金家琛，申立中，等.BED和BD混合燃料的理化特性研究[J].昆明理工大学学报（自然科学版），2018，43（06）：76-81.

[3]毕玉华，聂学选，刘少华，等.排气温度、排气流量和海拔对SCR系统NOx转化率和NH3泄漏量的影响研究[J].汽车工程，2021，43（03）：350-357.

[4]中华人民共和国环境生态部.中国移动源环境管理年报（2023年）[R/OL]（2023-12-07）[2024-04-22].https：//www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/ydyhjgl/202312/t20231207_1058460.shtm.

[5]周广猛，刘瑞林，董素荣，等.柴油机高原环境适应性研究综述[J].车用发动机，2013（04）：1-5.

[6]叶林保，杨林，高治宏.汽车用涡轮增压柴油机高原性能的研究[J].现代车用动力，2006（01）：39-43.

[7]周广猛，刘瑞林，焦宇飞，等.柴油机高原燃烧特性研究进展[J].车用发动机，2018（04）：17-21.

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[9]黄志辉，郝春晓，王军方，等.机动车污染物排放量分析——《中国机动车环境管理年报（2017）》第Ⅱ部分[J].环境保护，2017，45（13）：42-47.