基于c+cdpf+scr后处理技术的国v排放重型柴油机平台上的试验研究

基于c+cdpf+scr后处理技术的国v排放重型柴油机平台上的试验研究

0scr与pcr联合排放试验该收割机具有强大的功率大、经济能力好等特点。柴油机相较于汽油机有更高的燃烧效率,因此柴油机的发展前景巨大。但相对而言,柴油机的NOx、THC、CO以及颗粒物排放高于汽油机。国Ⅴ排放标准对降低NOx及颗粒物的要求尤为严格。相较于国Ⅳ标准,国Ⅴ标准的NOx排放由3.5g/(kW·h)降低到2.0g/(kW·h),降幅达42.9%。为满足国Ⅴ排放标准,仅机内净化很难达到标准,故常采用尾气净化技术。选择性催化还原系统(SCR)是目前柴油机NOx催化还原后处理方法之一。而DOC+CDPF能有效脱除尾气中的THC、CO以及颗粒物。故SCR结合DOC+CDPF是有效降低柴油机排放的途径之一。目前对于SCR及DOC+CDPF单独的研究报道比较多,但缺少对二者结合的联合工作研究。本文选取装载DOC+CDPF+SCR排放后处理系统的发动机进行试验,将本机后、DOC+CDPF后以及SCR后三个位置作为测点,利用PEUS多组分排放仪,分别对NOx、THC、CO、SO2、CO2以及醛类的排放特性进行分析。研究不同工况下,SCR对气态排放物净化效果以及SCR与DOC+CDPF的联合工作情况。研究结果对SCR应用于柴油机以及SCR与其他后处理方案的联合工作可提供参考。1试验部分1.1控高压水处理试验所用发动机为SC9DF250Q5电控高压共轨柴油机,原机装备SCR,满足国Ⅴ排放标准。试验发动机的主要参数如表1所示,国Ⅴ柴油的理化指标如表2所示。1.2scr预处理选择性催化还原(SCR)技术是中重型商用车柴油发动机降低NOx排放的重要途径。其原理是将尿素与水以适当比例(浓度一般为32.5%)混合,喷入柴油机排出的废气中。在催化剂作用下,还原剂NH3在230~500℃下将废气中的NOx还原成无害的N2和H2O,可以将发动机尾气中的NOx减少50%以上。本试验采用无锡凯龙SCR后处理系统,SCR系统主要由DCU控制单元、尿素供给与喷射单元及催化还原反应单元三大部分组成。DCU控制单元的主要作用是完成尿素的供给与喷射单元,催化还原反应单元与发动机之间的通信连接和控制。尿素供给与喷射单元由尿素存储罐、计量喷射泵、喷嘴,加热组件及连接管路和线路组成,该单元主要作用是将尿素溶液根据控制策略,定量地喷射到排气气流中,并保证尿素溶液充分雾化和分解。催化还原反应单元由SCR催化消声器、排气连接管、催化器输入、输出温度传感器及NOx传感器组成,排气在该单元中进行NOx及其他排放的催化还原反应。氧化催化转化器(DOC)对脱除柴油机排放微粒中的可溶性有机成分(SOF)具有良好的效果,SOF在Pt、Rh和Pd等贵金属催化剂或稀土催化剂等的作用下发生氧化反应转化为CO2和H2O而除去,同时还可除去尾气中的HC和CO等有害物质。催化型柴油颗粒过滤器(CDPF)在颗粒捕集器DPF载体上涂覆催化剂,利用催化剂降低微粒的活化反应能,使微粒可以在柴油机较大范围的运行工况达到被动再生。本试验使用无锡凯龙DOC与CDPF后处理系统。DOC和CDPF的技术参数如表3、表4所示。1.3对比试验设计试验装置如图1所示。后处理装置的顺序为DOC、CDPF、SCR。为了考察DOC+CDPF+SCR对柴油机气态排放的转化效率,以及DOC+CDPF与SCR各自对气态排放不同组分转化的贡献,本试验选取本机后、DOC+CDPF后以及DOC+CDPF+SCR后三个测点,分别代表发动机原机排放、废气经过DOC+CDPF后的排放以及废气经过SCR后的排放。考察外特性转速800~2200r/min的各工况下,柴油机在本机后(无后处理装置)、DOC+CDPF后和DOC+CDPF+SCR后三个点的排放特性,包括:NOx、THC、CO、SO2、CO2以及醛类排放。2试验结果与讨论2.1scr对nox排放的影响图2a所示为外特性下DOC+CDPF+SCR后处理装置三个测点的氮氧化物NOx排放的试验结果。通过研究各测点的NOx的排放规律可以看出,本机与DOC+CDPF的NOx排放随着转速的增加而降低。DOC+CDPF的NOx排放略低于本机;而DOC+CDPF+SCR的NOx排放显著降低,当转速高于1200r/min时平均NOx排放在50×10-6以下,NOx排放得到有效控制。由于SCR净化NOx还原反应的窗口温度为230~500℃,随着柴油机转速提高,排气温度升高至窗口温度区间,此时NOx转化率达到最佳。试验结果表明,排气经过DOC+CDPF和DOC+CDPF+SCR两个测点时,柴油机的NOx排放平均转化率分别为9.1%和91.8%。故SCR对NOx的排放控制起主导作用,装载SCR的后处理装置NOx转化率提高了82.7%。如图2b所示,在1400r/min负荷特性下,本机与DOC+CDPF后测点的NOx排放随着负荷的增加而升高,DOC+CDPF+SCR后测点随着负荷比的增加基本保持不变。排气经过DOC+CDPF后测点的NOx排放小幅下降,平均降幅为11.7%,经过DOC+CDPF+SCR后测点的NOx排放大幅下降,平均降幅为76.2%。如图2c所示,在2200r/min负荷特性下,本机与DOC+CDPF后测点的NOx排放随着负荷比的增加而升高,DOC+CDPF+SCR后测点随着负荷的增加保持不变且维持在极小值。排气经过DOC+CDPF后测点的NOx排放小幅下降,平均降幅为11.6%,经过DOC+CDPF+SCR后测点的NOx排放大幅下降,平均降幅为98.3%。由此,在1400r/min和2200r/min负荷特性下,SCR对NOx的排放控制都起主导作用。比较图2b与图2c可以看出,SCR后处理装置在1400r/min负荷特性下的转化率低于在2200r/min负荷特性下。且1400r/min负荷特性下的转化率随负荷比的改变起伏较大。由此可以看出,SCR在高转速下可以提高转化效率与转化稳定性。图3所示为外特性下DOC+CDPF+SCR后处理装置NOx转化率与排气温度的关系。由图3可看出,NOx转化率与排气温度高度相关。1200r/min以下时,随着转速的上升,发动机的排气温度升高,NOx转化率升高。1200r/min以上时,发动机的排气温度与NOx转化率基本保持不变。由此可以看出排气温度的升高可以提高SCR系统NOx转化率。2.2不同模型下thc的排放和转化率图4所示为外特性下,DOC+CDPF+SCR后处理装置三个测点的总碳氢THC排放试验结果。研究各测点的THC排放规律可以看出,排气在DOC+CDPF后测点的THC排放随着转速的升高而降低。当转速低于1800r/min时THC排放高于DOC+CDPF+SCR后测点;当转速高于1800r/min时DOC+CDPF后测点的THC排放低于DOC+CDPF+SCR后测点。总体而言,DOC+CDPF后和DOC+CDPF+SCR后测点的THC排放均比本机明显降低。各工况下,装载DOC+CDPF+SCR后测点的THC排放基本保持稳定,SCR装置可提高并稳定THC转化率。试验结果表明,排气经过DOC+CDPF后和DOC+CDPF+SCR后的THC排放平均转化率分别为91.4%和96.9%。由此可见,DOC+CDPF后处理装置对柴油机的THC净化起主导作用,SCR装置可提高并稳定THC的转化率。图5所示为外特性下DOC+CDPF+SCR后处理装置THC转化率与排气温度的关系。1000r/min以下时,随着转速的上升,发动机的排气温度升高,THC转化率升高。1000r/min以上时,THC转化率基本保持不变。2200r/min时,排气温度大幅下降,此时THC的转化率也出现了较为明显的下降。故排气温度的升高有利于提高DOC+CDPF+SCR系统的THC转化率。2.3co排放测定图6所示为外特性下,DOC+CDPF+SCR后处理装置三个测点的一氧化碳CO排放试验结果。研究各测点CO排放规律可以看出,本机的CO排放随着转速的升高而降低,在1600r/min以上达到稳定。试验结果表明,排气经过DOC+CDPF后和DOC+CDPF+SCR后的CO排放均接近于0,而DOC+CDPF和DOC+CDPF+SCR两者的CO排放差别不大。可见DOC+CDPF后处理装置对柴油机CO净化起主要作用,装载SCR不会影响CO的转化率。2.4催化剂对排气污染物的影响图7所示为外特性下,DOC+CDPF+SCR后处理装置三个测点的二氧化硫SO2排放试验结果。研究各测点SO2的排放规律可以看出,本机后与DOC+CDPF后测点的SO2排放随着转速的增加而降低。而DOC+CDPF+SCR后测点的SO2排放随着转速的改变基本保持不变。试验结果表明,排气经过DOC+CDPF后的SO2排放相比本机有所升高,平均升幅为12.4%。排气经过DOC+CDPF+SCR后的SO2排放得到有效控制,比本机平均降低90.5%。由此可见,DOC+CDPF中的催化剂可促使排气中的硫化物氧化,导致SO2排放升高。而SCR则具有降低SO2排放的作用。2.5co排放的变化图8所示为外特性下,DOC+CDPF+SCR后处理装置三个测点的二氧化碳CO2排放试验结果。研究各测点的CO2排放规律可以看出,三个测点的CO2排放随着转速的升高而降低。试验结果表明,排气经过DOC+CDPF后和DOC+CDPF+SCR后测CO2排放的分别比本机降低了6.7%和升高了3.1%。引起CO2排放变化的主要原因:其一是SCR系统中的喷射的尿素溶液在高温下分解,生成NH3的同时生成了CO2;其二是装载SCR对背压的影响导致油耗升高。故SCR与DOC+CDPF后处理装置联合工作对CO2排放影响甚小。2.6醛类排放情况图9所示为外特性下,DOC+CDPF+SCR后处理装置三个测点的醛类排放试验结果。研究各测点的醛类排放规律可以看出,本机的醛类排放在1600r/min时达到峰值,DOC+CDPF后测点在2000r/min时达到峰值,DOC+CDPF+SCR后测点在1800r/min时达到峰值的。试验结果表明,排气经过DOC+CDPF后和DOC+CDPF+SCR后的醛类排放的分别比本机降低了37.7%和升高了22.8%。由此可见,SCR对背压的影响还同时引起了醛类排放的升高。3scr和co净化起主导作用1)排气中的NOx排放经过DOC+CDPF和DOC+CDPF+SCR后的平均转化率分别为9.1%和91.8%。SCR对NOx的排放控制起主导作用,DOC+CDPF可提高NOx转化率。在一定温度范围内,排气温度升高有利于提高SCR的NOx转化效率。2)排气中的THC排放经过DOC+CDPF和DOC+CDPF+SCR后的平均转化率分别为91.4%和96.9%。DOC+CDPF后处理装置对柴油机THC净化起主导作用,SCR装置可提高并稳定THC转化率。3)排气中的CO排放经过DOC+CDPF和DOC+CDPF+SCR后均降低至极低的浓度,而DOC+CDPF和DOC+CDPF+SCR两者的CO排放差别不大。说明DOC+CDPF后处理装置对柴油机CO净化起主要作用,装载SCR不会影响CO转化率。4)排气中的SO2排放经过DOC+CDPF和DOC+CDPF+SCR后分别升高12.4%和降低90.5%。DOC+CDPF中的催化剂可促使排气中的硫化物氧化,导致SO2排放升高。而SCR则具有降低SO2排放的作用,提高DOC+CDPF的寿命及对其他排放的转化率。5)排气中的CO2排放经过DOC+CDPF和DOC+CDPF+SCR后分别降低了6.7%和升高了3.1%。尿