柴油機(jī)匹配選擇性催化還原(SCR)技術(shù)可滿足國(guó)Ⅴ、國(guó)Ⅵ排放法規(guī)，是目前主流的技術(shù)路線。對(duì)直接安裝SCR 系統(tǒng)的柴油機(jī)(國(guó)Ⅴ排放，柴油機(jī)＋SCR)，由于缺乏有效的SOF 去除手段，SCR 載體會(huì)因SOF 覆蓋而隔離NH3在催化劑表面的吸附、解吸附反應(yīng)，使NOx 轉(zhuǎn)化效率持續(xù)降低，引起NOx 排放超標(biāo)?；诖?，筆者以滿足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的某國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)及SCR 系統(tǒng)為對(duì)象，進(jìn)行SOF 覆蓋的機(jī)理研究，以期為SOF 控制策略的開發(fā)及在SCR、DPF 控制上的應(yīng)用提供參考。

01  發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用柴油為國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)柴油。擬研究工況為中、低轉(zhuǎn)速及低負(fù)荷，因而提取具有代表性的穩(wěn)態(tài)15 工況點(diǎn)進(jìn)行SOF 沉積試驗(yàn), 圖1 為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布置。(具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見參考文獻(xiàn)[1])。


圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意

02  發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放分析

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放PM 成分分析

圖2 為路譜工況下的PM 成分。排放測(cè)量結(jié)果顯示，原機(jī)路譜工況下的PM、soot 和SOF 排放分別為0.031 4、0.014 5 和0.016 9 g/(kW·h)，加熱模式(開啟近后噴，設(shè)置后噴油量和噴射時(shí)刻，部分關(guān)閉節(jié)流閥，設(shè)置節(jié)流閥開度)的PM、soot 和SOF排放分別比一般模式增加29.8%、48.0%和14.0% (圖2a)，但SOF 質(zhì)量占比下降12.1% (圖2b)，原因是加熱模式下空燃比下降，燃燒惡化，導(dǎo)致PM 排放上升，同時(shí)排氣溫度升高使SOF 熱解加速，因而SOF 質(zhì)量占比降低。


圖2 路譜工況下的PM成分

2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放氣態(tài)HC 與SOF關(guān)系

圖3 為SOF 與氣態(tài)HC 排放關(guān)系?？芍r下二者呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.899 5，不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷特性下SOF 和HC 也呈線性關(guān)系，因?yàn)闅鈶B(tài)HC 和SOF 均來(lái)自柴油，都是柴油在缸內(nèi)受熱但不完全燃燒的產(chǎn)物，理論上不完全燃燒的柴油首先熱解產(chǎn)生氣態(tài)HC，其次產(chǎn)生SOF。


圖3 氣態(tài)HC 與SOF排放關(guān)系

2.2 SCR 載體對(duì)PM 成分的捕集效率分析

對(duì)PM 的捕集效率是SCR 載體對(duì)SOF 和soot兩者捕集效率的疊加，穩(wěn)態(tài)15 工況點(diǎn)捕集效率平均值為56.9%左右。在330 ℃下運(yùn)行1 h 清空SCR 箱后，連續(xù)運(yùn)行8 次路譜循環(huán)工況下，對(duì)SOF 的捕集效率呈略微下降趨勢(shì)，如圖4 所示。原因是SOF 的熱解速率與沉積量有關(guān)，路譜運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，沉積量越多，熱解速率越高，對(duì)SOF 的捕集速率為沉積速率與熱解速率的差值，因而對(duì)SOF 的捕集效率下降。同時(shí)，對(duì)soot 的捕集效率為正值，且呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明soot 會(huì)伴隨聚集態(tài)PM 被捕集，由于路譜溫度平均值約為182 ℃，SOF 熱解速率低，SOF 熱解而釋放的soot 相對(duì)少，最終對(duì)soot 的捕集效率是前者減去后者的差值，因而結(jié)果為正值。此外，對(duì)PM 的捕集效率呈略微上升的趨勢(shì)。


圖4 SCR 載體對(duì)PM 的捕集效率

2.3 SOF沉積量與NOx 轉(zhuǎn)化效率的關(guān)系

圖5 為SOF 沉積量與NOx 轉(zhuǎn)化效率的關(guān)系。圖5a 中，SCR 箱稱重和PM 濾紙稱重的SOF 沉積量分別為30.70 g 和29.41 g。在24 h 路譜工況下的前16 h，由于測(cè)量精度誤差，導(dǎo)致SCR 箱稱重與PM 濾紙稱重偏差較大，隨著時(shí)間和SOF 的累積，測(cè)量精度影響減小，16 h 后兩者結(jié)果趨于一致。SCR 箱稱重和PM 濾紙稱重的SOF 沉積量分別為31.90 g 和32.82 g，如圖5b所示。


圖5 SOF沉積量與NOx 轉(zhuǎn)化效率的關(guān)系

2.4 臺(tái)架SOF熱解試驗(yàn)分析

2.4.1NOx 轉(zhuǎn)化效率恢復(fù)

圖6 為各溫度下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的3 工況點(diǎn)NOx 轉(zhuǎn)化效率測(cè)量結(jié)果。穩(wěn)定性最好的第3 工況點(diǎn)轉(zhuǎn)化效率從33.6%恢復(fù)到68.6%，由于新鮮態(tài)的SCR 載體效率為68.4%，可知已經(jīng)完全恢復(fù)，說(shuō)明NOx 轉(zhuǎn)化效率可以通過(guò)SOF 熱解完全恢復(fù)，熱解時(shí)間為1 h 左右，綜上可知，SOF 覆蓋導(dǎo)致的NOx轉(zhuǎn)化效率降低是可逆的。


圖6 SOF熱解與NOx 轉(zhuǎn)化效率恢復(fù)關(guān)系

2.4.2 SOF 熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算

圖7 為臺(tái)架SOF 熱解與TG 熱解對(duì)比。臺(tái)架熱解中，不同溫度對(duì)應(yīng)的SOF 熱解成分不同，其活化能分別為39 706、48 535、68 383 和80 013 J/mol，指前因子自然對(duì)數(shù)分別為0.70、2.93、7.43 和9.81 s-1，碳鏈越長(zhǎng)，熱解溫度越高，活化能越大，指前因子越大，活化能與指前因子自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系(圖7a)，驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)熱解具備補(bǔ)償效應(yīng)。

與TG 熱解比較，臺(tái)架熱解的活化能與TG 熱解的相近，臺(tái)架熱解的比TG 熱解的小約5%；指前因子自然對(duì)數(shù)差異較大，臺(tái)架熱解的僅為TG 熱解的36%左右；臺(tái)架熱解的速率系數(shù)約為TG 的0.1%，如圖7b 所示。因而相同質(zhì)量SOF 的臺(tái)架熱解時(shí)間比TG的熱解時(shí)間長(zhǎng)，可能是SOF 沉積量比較大，SCR 箱的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致SOF 沉積不均勻(主要在SCR 載體前端)，減少了活化分子的有效碰撞次數(shù)，宏觀表現(xiàn)為指前因子小，熱解反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。


圖7 SOF臺(tái)架熱解與TG 熱解對(duì)比

03  結(jié)論

(1)在中、低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工況下，SCR 載體對(duì)SOF 有顯著的捕集效應(yīng)，對(duì)soot 和PM 有間接的捕集效應(yīng)；對(duì)SOF 的捕集效率在穩(wěn)態(tài)15 工況點(diǎn)平均值約為73.3%。

(2) SOF 沉積覆蓋在SCR 載體表面，部分或完全隔絕了NH3在催化劑表面的吸附、解吸附反應(yīng)，使得其與NOx 的SCR 化學(xué)反應(yīng)速率顯著下降，NOx 轉(zhuǎn)化效率低。

(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架熱解SOF 試驗(yàn)中，SCR 上游排氣溫度控制為300 ℃左右，約1 h，NOx 轉(zhuǎn)化效率可以恢復(fù)，熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，臺(tái)架熱解的活化能與TG 熱解的相當(dāng)，臺(tái)架熱解的指前因子自然對(duì)數(shù)僅為TG 熱解的36%左右。

04  參考文獻(xiàn)

[1]王秀雷,王志堅(jiān),李 勤,等.柴油機(jī)SCR載體SOF覆蓋試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,(04):326-333.