稀燃汽油机NOx排放后处理方案的研究.pdf

针对某稀燃汽油机，设计了新型三元催化器（NTWC）+催 化 型 汽 油 机 颗 粒 过 滤 捕 集 器（CGPF）+选择性催化还原（SCR）系统的 NOx排放后处理方案，并进行了新鲜态催化剂发动机台架试验验证。通过试验，对比分析了发动机分别在 40 益和 90 益冷却水温度时，SCR 系统分别采用全液式和气助式的 NOx转化效率。试验结果表明：冷却水温度为 40 益的情况下，采用全液式和气助式 SCR系统的 NOx排放后处理系统，NOx转化效率均达到 95%及以上。冷却水温度为 90 益的情况下，SCR 系统前端温度小于 520 益时，采用全液式和气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，NOx转化效率均达到 96%及以上；SCR 系统前端温度大于 520 益时，采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，NOx转化效率明显高于采用全液式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统；SCR 系统前端温度大于 600 益时，NOx转化效率急剧下降。关键词：稀燃汽油机SCR全液式气助式冷却水温度转化效率中图分类号：TK411+.5文献标识码：A文章编号：2095-8234（2023）04-0062-06Research on NOxEmission After-treatment Scheme ofLean-burn Gasoline EngineTIAN Yirun;ZHANG Miao;XU Lifeng;YANG Jian;ZHOU YiboNingbo Geely Royal Engine Components Co.,Ltd.(Ningbo,Zhejiang,315336,China)Abstract：For a lean-burn gasoline engine,a new type of three-way catalytic converter(NTWC)+cat原alyzed gasoline particulate filter(CGPF)+selective catalytic reduction(SCR)system for NOxemission af原tertreatment was designed,and the fresh catalyst engine bench test was carried out.The NOxconversionefficiency of SCR system using all-liquid and gas-assisted cooling water at 40 益 and 90益 respectivelywas compared and analyzed through experiments.The test results show that when the cooling water tem原perature is 40 益,and the NOxemission aftertreatment system of the all-liquid and gas-assisted SCR sys原tem are adopted respectively,the NOxconversion efficiency reaches 95%or above.When the cooling wa原ter temperature is 90 益 and the front end temperature of the SCR system is less than 520 益,and the NOxemission aftertreatment system of the all-liquid and gas-assisted SCR system are adopted respectively,theNOxconversion efficiency reaches 96%or above.When the front end temperature of SCR system is greaterthan 520 益,the NOxconversion efficiency of gas-assisted SCR system is significantly higher than that ofall-liquid SCR system.When the front end temperature of SCR system is higher than 600 益,the NOxconversion efficiency decreases sharply.Keywords：Lean-burn gasoline engine;SCR;All-liquid;Gas-assisted;Cooling water temperature;Con原version efficiency 排放技术 作者简介：田一润（1989-），男，工程师，主要研究方向为汽油机排气系统设计。稀燃汽油机 NOx排放后处理方案的研究田一润张淼徐立峰杨建周益波（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波315336）小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE第 52 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.52 No.4Aug.2023第 4 期引言汽油的理论空燃比为 14.7。稀燃是指汽油机在空燃比大于理论空燃比时的燃烧。稀燃技术能够有效提高汽油机效率和降低排放。但是，只有当汽油机工作在理论空燃比附近时，传统的三元催化器才能同时有效地降低 HC、CO 和 NOx排放1-4；当汽油机稀燃时，传统的三元催化器无法有效地降低 NOx排放。因此，如何有效地降低 NOx排放是汽油机稀燃时必需解决的关键问题之一。本文的稀燃汽油机 NOx排放后处理方案采用新型三元催化器（NTWC）+催 化 型 汽 油 机 颗 粒 过 滤捕集器（CGPF）+选择性催化还原（SCR）系统的技术方案，控制策略采用基于氨存储5-9的 SCR 系统控制策略。新型三元催化器（New Three Way Catalytic Con原verter，NTWC）解决理论空燃比燃烧时的冷起动排放；催化型汽油机颗粒过滤捕集器（Catalyzed GasolineParticulate Filter，CGPF）10是在 GPF 载体上涂覆催化剂。选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系统通过尿素喷射系统将一定量的尿素溶液喷入混合器中，SCR 吸附存储喷射的还原剂，净化发动机排放中的 NOx。本文采用新鲜态催化剂，通过台架控制发动机冷却水温度分别在 40 益（冷起动工况）和 90 益（正常运行工况），SCR 系统分别采用全液式尿素喷射系统（简称全液式 SCR 系统）和气助式尿素喷射系统（简称气助式 SCR 系统），进行了稀燃汽油机在稳态工况下降低 NOx排放的试验。1试验用汽油机主要技术参数试验用汽油机为某 3 缸 4 冲程涡轮增压直喷汽油机，汽油机的主要技术参数见表 1。2试验装置及试验方法2.1NOx排放后处理系统采用全液式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统主要包括 DCU（尿素喷射控制单元）、尿素箱、建压泵（集成在尿素箱里，与尿素箱一体）、电控喷嘴、NTWC催化器、CGPF、全液式 SCR 系统等，如图 1 所示。NTWC 的载体体积为 1.1 L，目数/壁厚为 750/2；CGPF 的载体体积为 1.4 L，目数/壁厚为 300/8；SCR的载体体积为 2.47 L，目数/壁厚为 400/4，铜基分子筛涂层；电控喷嘴的最小流量为 20 mL/h。采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统主要包括 DCU、尿素箱、计量泵、机械喷嘴、NTWC 催化器、CGPF、气助式 SCR 系统等，气助式 SCR 系统的规格、涂覆与全液式 SCR 系统相同，如图 2 所示。计量泵的最小流量为 70 mL/h。计量泵通过管路与尿素箱连接，图中未展示尿素箱。2.2试验装置试验台架主要包括试验用汽油机、测功机、排放测量仪器和 NOx排放后处理系统，如图 3 所示。项目参数缸径/mm74.5行程/mm112排量/L1.46压缩比16:1进气方式涡轮增压喷油方式DI额定功率/kW68（4 000 r/min）排放水平国六 b表 1试验汽油机主要技术参数尿素箱（集成尿素泵）喷嘴冷却水管电控喷嘴（水冷）尿素管电加热NH3NOxNOx温度台架设备CAN通信DCU驻P图 1采用全液式 SCR 系统的NOx排放后处理系统示意图CAN通信NOx温度图 2采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统示意图NOx温度NH3NOx驻pDCUCAN通信尿素管电加热台架设备计量泵压缩空气机械喷嘴CAN通信NOx温度图 3发动机试验台架布置田一润等：稀燃汽油机 NOx排放后处理方案的研究63小型内燃机与车辆技术第 52 卷试验用主要测试设备和仪器见表 2。2.3试验方法2.3.140 益和 90 益冷却水温度时发动机 NOx原机排放及温度测试发动机冷机起动时，冷却水温度控制在（40依2）益，发动机转速在 3 000 r/min 以内，每隔 500 r/min 统计一组数据。每一个转速下，采集负荷 BMEP 分别在0.2、0.4、0.6、0.8 和 1.0 MPa 下的 NOx原机排放及温度数据（SCR 不参与工作）。发动机热机时，冷却水温度控制在（90依2）益，发动机转速在 4 000 r/min 以内，每隔 500 r/min 统计一组数据。每一个转速下，采集负荷 BMEP 分别在 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 和 1.2 MPa 下的 NOx原机排放及温度数据（SCR 不参与工作）。2.3.2采用全液式和气助式 SCR 系统的NOx排放后处理系统的排放测试1）采用全液式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，在 SCR 系统下游 40 cm 以上位置布置 NH3分析仪，调整发动机工况至各个载体温度及空速点（即 40 益和 90 益冷却水温度时发动机 NOx原机排放及温度测试工况），然后按照氨氮比 1 颐 1 的当量关系喷入尿素，待 NOx值及 NH3泄漏值稳定后，查看 NOx转化效率及 NH3泄漏情况。若 NOx转化效率较高、NH3泄漏较多，将尿素喷射量的当量比调整至 0.80 或 0.75。通过几次反复的调整，使 NOx转化效率及 NH3泄漏值保持在一个均衡的值（NH3泄漏值控制在 10伊10-6以内，NOx排放控制在 5伊10-6以内）。2）更换为气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，重复上述测试过程。3试验结果与分析3.1采用全液式 SCR 系统的NOx排放后处理系统对NOx排放的影响采用全液式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在 40 益时，SCR 系统前端温度的变化如图 4 所示。从图 4 可以看出，从整体趋势上看，SCR 系统前端温度随着发动机转速及负荷的增加而升高。在1 500 r/min0.2 MPa 工况，SCR 系统前端温度最低，为 317 益；在 3 000 r/min1.0 MPa 工况，SCR 系统前端温度最高，为 501 益；其余工况，SCR 系统前端温度在 317 益501 益之间。采用全液式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在 40 益时，NOx转化效率的变化如图 5 所示。从图 5 可以看出，在 2 500 r/min1.0 MPa 和3 000 r/min1.0 MPa 工况，NOx转化效率均为 95%，其余工况，NOx转化率均在 98%及以上。采用全液式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在 90 益时，SCR 系统前端温度的变化如图 6 所示。从图 6 可以看出，从整体趋势上看，SCR 系统前端温度随着发动机转速及负荷的增加而升高。在1 500 r/min0.2 MPa 工况，SCR 系统前端温度最低，为 244 益；在 4 000 r/min1.2 MPa 工况，SCR 系统前端温度最高，为 695 益；其余工况，SCR 系统前端温度在 244 益695 益之间。采用全液式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在 90 益时，SCR 系统前端NO2/NOx比例的变化如图 7 所示。设备和仪器名称型号/厂家测功机TYPE-I G250，明电舍排放分析仪MEXA1600DEGR，HORIBANH3分析仪NMS-1820，IAG空燃比（Lambda）测量仪LA4_E，ETAS温度传感器PT200，Sensata表 2试验用主要测试设备和仪器图 440 益冷却水温度时的 SCR 系统前端温度变化（采用全液式 SCR 系统）5505004504003503002 0002 5003 000转速/（r min-1）1 500图 540 益冷却水温度时NOx转化效率的变化（采用全液式 SCR 系统）1009080转速/（r min-1）0.2 MPa0.4 MPa0.6 MPa0.8 MPa1.0 MPa2 0002 5003 0001 5000.2 MPa0.4 MPa0.6 MPa0.8 MPa1.0 MPa64第 4 期从图 7 可以看出，从整体趋势上看，SCR 系统前端 NO2/NOx比例随着发动机转速及负荷的增加而下降。采用全液式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在 90 益时，NOx转化效率的变化如图 8 所示。从图 8 可以看出，当 BMEP臆0.8 MPa 时，NOx转化效率达到 86%及以上。当 BMEP逸1.0 MPa 时，不同负荷下，达到某一转速后，NOx转化效率随着转速的增加急剧下降；负荷越大，与 NOx转化效率急剧下降对应的转速越低。结合图 6 与图 8 可以看出，当SCR 系统前端温度小于 520 益时，NOx转化效率达到96%及以上；当 SCR 系统前端温度在 520 益600 益之间时，NOx转化效率达到 81%及以上；当 SCR 系统前端温度大于 600 益时，NOx转化效率急剧下降。导致 NOx转化效率下降的原因有：1）SCR 系统的催化剂在高温下性能严重下降；2）结合图 6 和图 7 可知，高温下，NOx中的 NO2比例2下降，降低了 NOx转化效率。3.2采用气助式 SCR 系统的NOx排放后处理系统对NOx排放的影响由于计量泵的最小喷射量为 70 mL/h，因此 1 500r/min0.4 MPa、2 000 r/min0.2 MPa、2 500 r/min0.2MPa 等要求尿素喷射量小于 70 mL/h 的工况未进行测试。采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在 40 益时，SCR 系统前端温度的变化如图 9 所示。从图 9 可以看出，SCR 系统前端温度随着发动机转速及负荷的增加而升高。在 1 500 r/min0.2 MPa工况，SCR 系统前端温度最低，为 315 益；在 3 000r/min1.0MPa工况，SCR系统前端温度最高，为 503益；其余工况，SCR 系统前端温度在 315 益503 益之间。采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在 40 益时，NOx转化效率的变化如图 10 所示。从图 10 可以看出，各工况的 NOx转化率均在98%及以上。采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，图 690 益冷却水温度时 SCR 系统前端温度变化（采用全液式 SCR 系统）7006005004003002001 5002 5004 0003 000转速/（r min-1）2 0003 5000.2 MPa0.4 MPa0.6 MPa0.8 MPa1.0 MPa1.2 MPa图 790 益冷却水温度时 SCR 系统前端 NO2/NOx比例的变化（采用全液式 SCR 系统）50403020100转速/（r min-1）0.2 MPa0.4 MPa0.6 MPa0.8 MPa1.0 MPa1.2 MPa1 500 2 0004 0002 500 3 000 3 500图 890 益冷却水温度时NOx转化效率的变化（采用全液式 SCR 系统）100806040200转速/（r min-1）0.2 MPa0.4 MPa0.6 MPa0.8 MPa1.0 MPa1.2 MPa1 500 2 0004 0002 500 3 000 3 500图 940 益冷却水温度时 SCR 系统前端温度的变化（采用气助式 SCR 系统）5505004504003503002501 5002 0003 0002 500转速/（r min-1）图 1040 益冷却水温时NOx转化效率的变化（采用气助式 SCR 系统）10090801 5002 0003 0002 500转速/（r min-1）0.2 MPa0.4 MPa0.6 MPa0.8 MPa1.0 MPa田一润等：稀燃汽油机 NOx排放后处理方案的研究0.2 MPa0.4 MPa0.6 MPa0.8 MPa1.0 MPa65小型内燃机与车辆技术第 52 卷发动机冷却水温度控制在 90益时，SCR 系统前端温度的变化如图 11 所示。从图 11 可以看出，SCR 系统前端温度随着发动机转速及负荷的增加而升高。在 1500r/min0.2MPa工况，SCR 系统前端温度最低，为 248益；在 3500r/min1.2 MPa 工况，SCR 系统前端温度最高，为680 益；其余工况，SCR 系统前端温度在 248 益680 益之间。采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在 90 益时，NOx转化效率的变化如图 12 所示。从图 12 可以看出，当 BMEP臆0.8 MPa 时，NOx转化效率达到 87%及以上。当 BMEP逸1.0 MPa 时，不同负荷下，达到某一转速后，NOx转化效率随着转速的增加急剧下降；负荷越大，与 NOx转化效率急剧下降对应的转速越低。结合图 11 和图 12 可以看出，当SCR 系统前端温度小于 550 益时，NOx转化效率达到96%及以上；当 SCR 系统前端温度在 550 益600 益之间时，NOx转化效率达到 87%及以上；当 SCR 系统前端温度大于 600 益时，NOx转化效率急剧下降。通过图 8 和图 12 可以看出，发动机冷却水温度控制在 90益的情况下，当 SCR 系统前温度大于520益时，采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，NOx转化效率明显高于采用全液式 SCR 系统的NOx排放后处理系统。导致上述现象的原因可以从图 13 所示的混合器氨均匀性仿真分析得出：在压缩空气的辅助下，采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，雾化效果更好，混合器的混合效果更好，氨均匀分布性更佳。4结论本文针对某稀燃汽油机，设计了新型三元催化器（NTWC）+催化型汽油机颗粒过滤捕集器（CGPF）+选择性催化还原（SCR）系统的 NOx排放后处理方案，并进行了新鲜态催化剂发动机台架试验验证。通过试验，对比分析了发动机分别在 40 益和 90 益冷却水温度时，SCR 系统分别采用全液式和气助式的 NOx转化效率。得出如下结论：1）汽油机冷却水温度为 40 益时，采用全液式SCR 系统的 NOx排放后处理系统，NOx转化效率达到 95%及以上；采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，NOx转化效率达到 98%及以上。2）汽油机冷却水温度为 90 益时，采用全液式SCR 系统的 NOx排放后处理系统，当 SCR 系统前端温度小于 520 益时，NOx转化效率达到 96%及以上；图 1190 益冷却水温度时 SCR 系统前端温度变化（采用气助式 SCR 系统）700600500400300200转速/（r min-1）1 5002 5004 0003 0002 0003 5000.2 MPa0.4 MPa0.6 MPa0.8 MPa1.0 MPa1.2 MPa图 13采用全液式与气助式 SCR 系统的NOx排放后处理系统的混合器氨均匀性仿真分析a）全液式b）气助式8.500e-018.053e-017.606e-017.158e-016.711e-016.263e-015.816e-015.368e-014.921e-014.474e-014.026e-013.579e-013.132e-012.684e-012.237e-011.789e-011.342e-018.947e-024.474e-020Adblue Volume FractionContourAdblue Volume FractionContour图 1290 益冷却水温度时NOx转化效率的变化（采用气助式 SCR 系统）1008060402001 5002 5004 0003 000转速/（r min-1）2 0003 5000.8 MPa1.0 MPa1.2 MPa0.2 MPa0.4 MPa0.6 MPa（下转第 77 页）8.164e-017.484e-016.804e-016.124e-015.444e-014.764e-014.064e-013.404e-012.724e-012.044e-011.364e-016.842e-024.219e-0466第 4 期当 SCR 系统前端温度在 520 益600 益之间时，NOx转化效率达到 81%及以上；当 SCR 系统前端温度大于 600 益时，NOx转化效率急剧下降。3）汽油机冷却水温度为 90 益时，采用气助式SCR 系统的 NOx排放后处理系统，当 SCR 系统前端温度小于 550 益时，NOx转化效率达到 96%及以上；当 SCR 系统前端温度在 550 益600 益之间时，NOx转化效率达到 87%及以上；当 SCR 系统前端温度大于 600 益时，NOx转化效率急剧下降。4）汽油机冷却水温度为 90 益的情况下，当 SCR系统前端温度大于 520 益时，采用气助式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统，NOx转化效率明显高于采用全液式 SCR 系统的 NOx排放后处理系统。参考文献1全兴信.内燃机学M.李钟福，译.北京：机械工业出版社，2015.2郭刚，徐立峰，张少君.汽车尾气净化处理技术M.北京：机械工业出版社，2017.3李志军，刘书亮，张广宇，等.稀燃汽油机降低 NOx排放技术方案分析研究J.汽车工程，2005，27（2）：175-177.4岳东鹏，李富松，王银山，等.LNT 与 EGR 对稀燃汽油机 NOx排放和燃油经济性的影响J.车用发动机，2014（2）：62-67.5倪计民，苏锦磊，石秀勇，等.柴油机氨基 SCR 化学反应特性的试验研究J.车用发动机，2016（5）：23-28.6彭继银，黄粉莲，万明定.柴油机 SCR 系统控制研究现状与技术挑战J.农业装备与车辆工程，2019，57（10）：50-55.7胡杰，颜伏伍，苗益坚，等.柴油机 Urea-SCR 系统控制模型J.内燃机学报，2013，31（2）：148-153.8马明，彭升平，马永兵，等.基于氨存储特性修正的 Urea-SCR 喷射控制策略研究J.汽车技术，2016（9）：53-56.9刘军，王明远，董孝虎，等.SCR 系统中基于模型的电子控制系统软件开发应用J.汽车技术，2017（12）：39-42.10 杨冬霞，夏文正，袁新波，等.催化型汽油机颗粒过滤捕集器催化剂设计与应用性能研究J.内燃机工程，2020，41（1）：86-92.（收稿日期：2021-11-01）4结论本文对比分析了国内传统的清洁度检测评价方法和 GB/T 41481-2022道路车辆 零部件和系统的清洁度 标准中的清洁度检测评价方法。相比于国内传统的清洁度检测标准，GB/T 41481-2022 标准在颗粒提取、颗粒分析和清洁度评价方面更加先进。GB/T 41481-2022 标准从试样的选取、包装、运输、检测环境到后续的检测、分析都做了详细的规定，形成了较为完备的检测评价方法体系。通过对活塞环的清洁度检测方法进行研究，得到了发动机关键零部件的清洁度检测方法，有助于企业建立一套先进和完整的发动机清洁度检测评价体系。参考文献1国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.GB/T41481-2022 道路车辆 零部件和系统的清洁度S.北京：中国标准出版社，2022.2国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.GB/T25915.1-2021 洁净室及相关受控环境 第 1 部分：按粒子浓度划分空气洁净度等级S.北京：中国标准出版社，2021.3梁永波，李立国，姚本顺，等.基于全流程控制的发动机清洁度分析与研究J.内燃机，2017（6）：9-13.4李志宏，唐凯，陆伟巍.浅谈发动机清洁度测试及评价方法J.现代车用动力，2016（4）：52-54.（收稿日期：2022-05-05）（上接第 66 页）郝婧等：发动机关键零部件清洁度检测方法研究77