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  同济大学学报(自然科学版)  2019, Vol. 47 Issue (4): 548-553, 592.  DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2019.04.014
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引用本文  

楼狄明, 王亚馨, 孙瑜泽, 张允华. 氧化型催化器载体长度对柴油机排放性能的影响[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2019, 47(4): 548-553, 592. DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2019.04.014.
OU Diming, WANG Yaxin, SUN Yuze, ZHANG Yunhua. Effect of DOC Carrier Length on Emission Performance of Diesel Engine[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2019, 47(4): 548-553, 592. DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2019.04.014

基金项目

国家重点研发计划(2017YFB0103501)

第一作者

楼狄明(1963—), 男, 教授, 博士生导师, 工学博士, 主要研究方向为排放控制技术.E-mail:loudiming@tongji.edu.cn

通信作者

王亚馨(1994—), 女, 博士生, 主要研究方向为发动机排放与控制技术.E-mail:wangyaxin312@163.com

文章历史

收稿日期:2018-06-20
氧化型催化器载体长度对柴油机排放性能的影响
楼狄明 , 王亚馨 , 孙瑜泽 , 张允华     
同济大学 汽车学院,上海 201804
摘要:基于轻型柴油机台架试验平台,研究柴油机氧化型催化转化器(DOC)载体长度变化对后处理系统减排性能的影响.结果表明:适当增大DOC载体长度可提高对一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)和一氧化氮(NO)的氧化率,过量增大对氧化性能的提升有限,同时影响DOC在低温低负荷下减排效果;DOC耦合催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)对颗粒物数量(PN)的减排效果受DOC载体长度影响较小.从兼顾成本与性能的角度出发,适当增大DOC载体长度能有效提高减排效果,但过量增大对减排效果提升影响不大.
关键词柴油机氧化型催化转化器(DOC)    载体长度    气态物排放    颗粒物    
Effect of DOC Carrier Length on Emission Performance of Diesel Engine
OU Diming , WANG Yaxin , SUN Yuze , ZHANG Yunhua     
School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China
Abstract: Based on light-duty diesel engine bench test platform, the effect of the length of diesel oxidation catalyst's(DOC) carrier on the emission reduction performance of aftertreatment system was studied. The results show that, increasing the length of the DOC's carrier can increase the oxidation rate of carbon monoxide(CO), total hydrocarbons(THC) and nitric oxide(NO). However, excessive increase in the length of the DOC carrier has limited improvement on the oxidation performance and will reduce the emission reduction effect of DOC under low temperature and low load. The reduction rate of DOC coupled catalyzed diesel particulate filter(CDPF) on particle number(PN) is less affected by the length of the DOC carrier. From the perspective of balancing cost and performance, appropriately increasing the length of the DOC carrier can effectively improve the emission reduction effect, but the excessive increase has little effect on the improvement of emission reduction effect.
Key words: diesel oxidation catalyst (DOC)    length of carrier    gaseous emission    particulate matter    

柴油机具有功率适用范围广、燃油效率高、耐久性好等优点,在交通运输、工程机械等领域有着不可或缺的作用.近年来,排放法规日益严格[1-2],给柴油机的发展带来了巨大挑战.以当前的技术水平,仅仅依靠机内净化技术已不能满足柴油机排放法规要求,必须依靠氧化型催化转化器(DOC)、柴油机颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原反应器(SCR)、稀燃NOx捕集器(LNT)等后处理技术.DOC不仅能够大幅降低HC及CO的排放[3-5],还可以减少颗粒物排放中的可溶性有机物(SOF).文献[6]表明,DOC能降低核模态颗粒物数量浓度和积聚态颗粒物数量浓度,但积聚态颗粒物数量浓度受负荷的影响较大.DOC可以将NO氧化成NO2,为催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)在较低温度下实现连续被动再生提供条件[7-8],NO2浓度增加还可以促进SCR中快速反应的进行.因此, DOC对于柴油机尾气处理有着重要作用.

影响DOC转化效率的主要因素有排气温度、反应气体在载体中停留时间、排气中硫含量等[9-10].理论上,反应气体在载体中停留时间越长,反应就越充分,转化效率就越高[11].DOC载体长度的增加可以使气体在载体中的滞留时间及反应面积增加,对DOC催化氧化性能的提高有促进作用.文献[12]中对不同容积DOC的模拟结果表明, 提高DOC容积能够提高NO2在氮氧化物(NOx)中的占比.文献[13-14]的研究表明,DOC载体长度越长,DOC内流动均匀性越好,HC、CO减排率就越高,但是造成的压力损失也越高.除背压外,DOC的体积受到车辆安装空间限制,增加DOC载体长度在提高安装难度的同时还会造成DOC成本增加.

目前国内外对于DOC载体长度的模拟研究已经比较成熟,但是DOC载体长度对DOC本身特别是对DOC+CDPF+SCR整体后处理系统影响的试验研究较少.本文基于发动机台架试验平台和轻型柴油机DOC+CDPF+SCR后处理系统,研究DOC载体长度变化对排气温度、背压、自身减排性能以及DOC+CDPF+SCR后处理系统减排性能的影响,为实际DOC应用中的选型及设计提供参考.

1 试验设备及试验方法 1.1 试验装置

试验发动机选取1.91 L排量、直列四缸、废气涡轮增压中冷轻型国五柴油机,主要技术参数如表 1所示.

下载CSV 表 1 试验柴油机主要参数 Tab.1 Main parameters of the tested diesel engine

本次试验中使用的DOC样品编号及主要参数如表 2所示,CDPF参数如表 3所示.

下载CSV 表 2 DOC主要参数 Tab.2 Main parameters of DOC
下载CSV 表 3 CDPF主要参数 Tab.3 Main parameters of CDPF

试验中搭建的台架系统如图 1所示.台架系统的主要设备包括电力测功机、油耗仪以及台架辅助设备(冷却水温调节系统、机油恒温装置、发动机数据采集箱、空气滤清器等).台架系统主要排放测试仪器包括MEXA-1600D型气态物分析仪、EEPS-3090型颗粒粒径分析仪以及Dekati DI-2000型射流稀释器.台架控制台与电力测功机、油耗仪、排放测试系统及各传感器连接,操作整个试验台架的动作并输出相应设备信息及测试结果.

图 1 试验装置示意图 Fig.1 Test device
1.2 试验方案

为研究不同载体长度DOC对DOC+CDPF+SCR后处理系统气态物排放及颗粒物排放减排率的影响,采用三种不同载体长度的DOC装置(DOC1、DOC2、DOC3),选取DOC前、DOC后、DOC+CDPF后以及DOC+CDPF+SCR后四个测点,研究发动机最大转矩对应转速(下文简称发动机转速)2 000r·min-1下负荷比分别为10%、25%、50%、75%、100%时五种测试工况的排放特性,包括HC、CO、NOx及颗粒物排放.

2 试验结果与分析 2.1 排气温度与背压

温度是影响DOC性能的重要因素之一,当温度低于气体起燃温度时,催化剂及载体只能起到一定的吸附作用.最佳反应温度范围约在250 ℃到400 ℃之间,当温度过高时,由于催化剂性能的变化等因素,转化效率下降.

图 2为发动机转速2 000 r·min-1时不同载体长度DOC后排气温度变化.低负荷下DOC后排气温度较低,在130 ℃到180 ℃左右.三种载体长度DOC后排气温度差异较小,适当减小DOC载体长度在低负荷时有利于提高DOC后的排气温度.

图 2 不同载体长度DOC后排气温度 Fig.2 Exhaust temperature at different carrier lengths after DOC

图 3为发动机转速2 000 r·min-1时不同载体长度DOC前后排气压差的变化.从试验结果看出,适当减小DOC载体长度能有效减少DOC的压力损失,从而改善发动机的油耗及排放特性.当DOC载体长度缩短量超过临界值时,DOC排气压差变化不大.

图 3 不同载体长度DOC前后排气压差 Fig.3 Pressure difference at different carrier lengths before and after DOC
2.2 DOC后排放特性分析 2.2.1 THC排放特性

图 4为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后THC排放情况.

图 4 不同载体长度DOC后THC排放 Fig.4 THC emission at different carrier lengths after DOC

图 4可知,DOC后THC排放因子明显降低,DOC在净化THC方面起主要作用.DOC后THC减排率随着负荷的升高而逐渐增大.低负荷时,DOC对THC的减排效果较差,减排率在20%左右.原因在于低负荷下排气温度较低,反应气体没有达到起燃温度,催化剂没有起到很好的反应催化效果,此时载体长度较小的DOC1和DOC2对THC的减排率较好.低负荷下适当降低DOC载体长度有利于DOC对THC减排性能的提高,DOC2在低负荷下对THC的减排率最高.高负荷工况下,DOC对THC的减排率大幅升高,减排率维持在75%~80%左右,载体长度越大,DOC对THC减排率越高.在75%~100%负荷区间,三种载体长度DOC对THC的平均减排率分别为74.6%、80.5%、81.2%.高负荷条件下适当增大DOC长度可提高对CO、THC和NO的氧化率.当DOC载体长度过大,对CO、THC和NO氧化性能的提升有限.

2.2.2 CO排放特性

图 5为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后CO排放情况.

图 5 不同载体长度DOC后CO排放 Fig.5 CO emission at different carrier lengths after DOC

图 5可知,随着负荷的增加,DOC后CO减排率逐渐增大.原因在于低负荷时,缸内出现混合气过稀以及局部区域温度过低的情况,淬熄现象增加,造成了CO排放量的上升.在低负荷条件下,DOC对CO的减排率较低,小于45%.一方面是因为排气温度较低,催化剂没有起到很好的催化效果;另一方面,在低温时THC对于CO的氧化有一定的抑制作用.随着负荷的增大,温度升高,CO减排率逐渐增大.在50%~100%负荷条件下,CO减排率大幅升高,减排率稳定在88%~95%,载体长度最短的DOC1后CO减排率相比DOC2后有明显降低,而DOC2和DOC3对于CO减排率的差距较小.可以看出,适当增加DOC长度能有效提高CO减排率,但超过一定限值后,DOC对于CO减排率提升有限.

2.2.3 NO氧化特性

DOC可以将NO氧化成NO2,促进CDPF中的被动还原反应以及SCR中的快速反应.研究不同载体长度DOC时NO的氧化性能对分析整体DOC+CDPF+SCR后处理系统的性能有一定的参考意义.

图 6为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后NO转化情况,纵坐标为DOC后NO2在NOx中的质量分数.

图 6 不同载体长度DOC后NO2质量分数 Fig.6 NO2 mass fraction at different carrier lengths after DOC

图 6可知,低负荷工况下,NO有少量升高,NO2在NOx中的质量分数有少量降低.这是由于低温时HC、CO和NO2之间转化率存在竞争关系[15-16].在110 ℃以下,NO2被HC和CO还原,当有十二烷和间二甲苯等碳氢化合物存在时,NO2的还原反应温度甚至可以到140 ℃以上.随着温度升高,O2成为主要还原剂,NO可以被氧化为NO2[17],NO2在NOx中的质量分数升高,同时CO氧化放热,促进NO氧化反应进行.随着负荷的增大,NO2质量分数逐渐增大.在高负荷条件下,三种载体长度DOC后的NO2在NOx中的质量分数最大分别为0.34、0.36、0.38.高负荷条件下,载体长度最大的DOC3对NO的氧化性能最好,原因在于此时排气温度较高,因而载体长度越大,反应时间越长,NO氧化越充分.在所有负荷工况中,载体长度居中的DOC2在低负荷时的氧化性能更为稳定.适当降低DOC长度可以提高低负荷工况下DOC对NO的氧化性能,但是过量减小DOC长度将导致高负荷时NO氧化性能的降低.

2.3 CDPF后颗粒物排放特性

柴油机的颗粒物排放较为严重,催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)是主要的颗粒物处理装置.本节主要研究DOC载体长度变化对CDPF颗粒物净化性能的影响.

2.3.1 颗粒物数量排放特性

图 7为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后处理系统CDPF后颗粒物数量(PN)净化情况.

图 7 不同载体长度DOC后处理系统CDPF后PN排放 Fig.7 PN emission at different carrier lengths of DOC aftertreatment system after CDPF

图 7可知,随着负荷增加,颗粒物数量先逐渐减少后增加.原因在于随着发动机负荷增大,缸内温度升高,颗粒物的氧化更充分,较容易产生相对细小的颗粒,颗粒物数量增大.三种载体长度DOC后处理系统CDPF后对于PN都有较好的减排效果,整体颗粒物减排率在90%以上.在低负荷范围内,载体长度最大的DOC3对于PN减排率最高.在高负荷状态下,三种载体长度DOC后处理系统CDPF后PN减排率有所降低,相较而言,载体长度较短的DOC1+CDPF和DOC2+CDPF对PN的减排率较高.DOC载体长度的变化对DOC+CDPF的PN减排率的影响较小.三种载体长度DOC后处理系统CDPF后PN的平均减排率分别为95.2%、94.0%、94.5%.

2.3.2 颗粒物质量排放特性

图 8为发动机转速2 000 r·min-1时三种载体长度DOC后处理系统CDPF后颗粒物质量(PM)减排率情况.

图 8 不同载体长度DOC后处理系统CDPF后PM排放 Fig.8 PM emission at different carrier lengths of DOC aftertreatment system after CDPF

图 8所示,发动机转速2 000 r·min-1时,PM排放因子整体随负荷升高而下降.原因在于低负荷条件下,低温条件促进了挥发性物质的凝结,同时抑制了颗粒物的氧化过程,导致PM较大.随着负荷增加,温度上升,有利于核模态颗粒物氧化,因而PM变小.三种载体长度DOC对于PM的减排率在75%~95%,最高为94.6%.在100%负荷时,DOC+CDPF对于颗粒物的减排率有明显下降,原因在于高负荷时大于350 ℃高温下DOC中硫酸盐增多,影响DOC氧化作用.随着负荷增加,排气流速增大,气体在DOC+CDPF内的滞留时间减少,同时气体流速增加会将CDPF中饼层捕集的颗粒吹出,PM增加.三种载体长度DOC+CDPF对于PM的平均减排率分别为87.1%、85.4%、82.9%.综合来看,载体长度较小的DOC+CDPF对于PM的减排率较好,原因在于DOC载体长度较小时,DOC后压力损失较少,并且在低负荷时温度较高,有利于PM的减排.同时载体长度较大的DOC对脱除颗粒物中SOF的效果更好,使得颗粒物表观活化能上升,影响CDPF的被动再生效果.

2.4 SCR后排放特性

在DOC+CDPF+SCR系统中,由于SCR对CO、HC以及PM和PN的减排效果甚小,而对NOx降低起主导作用,因此仅对SCR后NOx排放特性进行分析.

图 9为发动机转速2 000 r·min-1时NOx排放因子和三种载体长度DOC后处理系统SCR后的减排率.

图 9 不同载体长度DOC后处理系统SCR后NOx排放 Fig.9 NOx emission at different carrier lengths of DOC aftertreatment system after SCR

随着负荷的增大,发动机缸内温度增加,发动机NOx排放因子升高.在低负荷范围内,各装置对于NOx的减排率较低.原因在于低负荷时排气温度较低,SCR不能更好地进行催化转化.在低负荷范围内,载体长度较小的DOC后处理系统的NOx减排率较为稳定.在75%~100%高负荷范围内,三种载体长度DOC后处理系统SCR后NOx排放因子大幅降低,但减排率均在90%以上,在该负荷区间的平均减排率分别为92.0%、93.7%、95.9%.DOC长度越大,NOx减排率越高.原因在于载体长度较大的DOC后处理系统对NO氧化效果最好,生成的NO2促进了SCR内快速反应的进行.

2.5 综合分析

为了更好地分析DOC载体长度对减排率的影响,综合比较了低温低负荷工况及高负荷工况下后处理系统的减排率.低温低负荷工况取10%、25%及50%负荷条件下污染物减排率平均值,高温高负荷工况取75%及100%负荷条件下污染物减排率平均值.

图 1011分别为不同载体长度DOC后处理系统在低温低负荷工况及高温高负荷工况下的污染物减排率.可以看出,在低温低负荷工况下,DOC2后处理系统气态物减排效果最好,DOC1后处理系统颗粒物减排效果较优.高温高负荷工况下,载体长度最大的DOC3后处理系统的气态物减排率最高;颗粒物方面,DOC2后处理系统的减排效果最好.综合考虑成本及减排效果,DOC2最优.

图 10 低温低负荷工况下污染物减排率 Fig.10 Pollutant reduction rate under low temperature and low load conditions
图 11 高温高负荷工况下污染物减排率 Fig.11 Pollutant reduction rate under high temperature and high load conditions
3 结论

(1) DOC后排气温度受DOC载体长度影响不大, 但DOC载体长度对排气压差影响较为显著,随着DOC载体长度增大,排气压差增大.当过量增大DOC载体长度时,排气压差的增长率有较大上升.

(2) DOC载体长度变化对CO、THC和NO的氧化性能影响显著.低温低负荷情况下,载体长度较小的DOC对CO、THC及NO的氧化效果更好;中高负荷情况下,随着DOC载体长度的增加,DOC后NO2质量分数和CO、HC的减排率相应上升.适当增大DOC载体长度可有效提高对CO、THC和NO的氧化率.当DOC载体长度过大时,对CO、THC和NO氧化性能的提升有限.

(3) 三种载体长度DOC后处理系统CDPF后PN和PM的减排率分别为95.2%、94.0%、94.5%和87.1%、85.4%、82.9%,减排率受DOC载体长度的影响不大.

(4) DOC载体长度变化对SCR后的NOx减排效果有一定影响,DOC载体长度越大,高负荷下的NOx减排率越高.

(5) 从兼顾成本与性能的角度出发,载体长度居中的DOC2最优.适当增加DOC载体长度能有效提高减排效果,但过量增加对减排效果的提升不大,同时影响DOC在低温低负荷时的减排效果.

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