稀燃汽油機NOx 排放后處理方案的研究

田一潤 張 淼 徐立峰 楊 建 周益波

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

汽油的理論空燃比為14.7。稀燃是指汽油機在空燃比大于理論空燃比時的燃燒。稀燃技術能夠有效提高汽油機效率和降低排放。但是，只有當汽油機工作在理論空燃比附近時，傳統的三元催化器才能同時有效地降低HC、CO 和NOx排放[1-4]；當汽油機稀燃時，傳統的三元催化器無法有效地降低NOx排放。因此，如何有效地降低NOx排放是汽油機稀燃時必需解決的關鍵問題之一。

本文的稀燃汽油機NOx排放后處理方案采用新型三元催化器（NTWC）+催化型汽油機顆粒過濾捕集器（CGPF）+選擇性催化還原（SCR）系統的技術方案，控制策略采用基于氨存儲[5-9]的SCR 系統控制策略。新型三元催化器（New Three Way Catalytic Converter，NTWC）解決理論空燃比燃燒時的冷起動排放；催化型汽油機顆粒過濾捕集器（Catalyzed Gasoline Particulate Filter，CGPF）[10]是在GPF 載體上涂覆催化劑。選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系統通過尿素噴射系統將一定量的尿素溶液噴入混合器中，SCR 吸附存儲噴射的還原劑，凈化發動機排放中的NOx。本文采用新鮮態催化劑，通過臺架控制發動機冷卻水溫度分別在40 ℃（冷起動工況）和90 ℃（正常運行工況），SCR 系統分別采用全液式尿素噴射系統（簡稱全液式SCR 系統）和氣助式尿素噴射系統（簡稱氣助式SCR 系統），進行了稀燃汽油機在穩態工況下降低NOx排放的試驗。

1 試驗用汽油機主要技術參數

試驗用汽油機為某3 缸4 沖程渦輪增壓直噴汽油機，汽油機的主要技術參數見表1。

表1 試驗汽油機主要技術參數

2 試驗裝置及試驗方法

2.1 NOx 排放后處理系統

采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統主要包括DCU（尿素噴射控制單元）、尿素箱、建壓泵（集成在尿素箱里，與尿素箱一體）、電控噴嘴、NTWC催化器、CGPF、全液式SCR 系統等，如圖1 所示。NTWC 的載體體積為1.1 L，目數/壁厚為750/2；CGPF 的載體體積為1.4 L，目數/壁厚為300/8；SCR的載體體積為2.47 L，目數/壁厚為400/4，銅基分子篩涂層；電控噴嘴的最小流量為20 mL/h。

圖1 采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統示意圖

采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統主要包括DCU、尿素箱、計量泵、機械噴嘴、NTWC 催化器、CGPF、氣助式SCR 系統等，氣助式SCR 系統的規格、涂覆與全液式SCR 系統相同，如圖2 所示。計量泵的最小流量為70 mL/h。計量泵通過管路與尿素箱連接，圖中未展示尿素箱。

圖2 采用氣助式SCR 系統的NOx 排放后處理系統示意圖

2.2 試驗裝置

試驗臺架主要包括試驗用汽油機、測功機、排放測量儀器和NOx排放后處理系統，如圖3 所示。

圖3 發動機試驗臺架布置

試驗用主要測試設備和儀器見表2。

表2 試驗用主要測試設備和儀器

2.3 試驗方法

2.3.1 40 ℃和90 ℃冷卻水溫度時發動機NOx原機排放及溫度測試

發動機冷機起動時，冷卻水溫度控制在（40±2）℃，發動機轉速在3 000 r/min 以內，每隔500 r/min 統計一組數據。每一個轉速下，采集負荷BMEP 分別在0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0 MPa 下的NOx原機排放及溫度數據（SCR 不參與工作）。

發動機熱機時，冷卻水溫度控制在（90±2）℃，發動機轉速在4 000 r/min 以內，每隔500 r/min 統計一組數據。每一個轉速下，采集負荷BMEP 分別在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 和1.2 MPa 下的NOx原機排放及溫度數據（SCR 不參與工作）。

2.3.2 采用全液式和氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統的排放測試

1）采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統，在SCR 系統下游40 cm 以上位置布置NH3分析儀，調整發動機工況至各個載體溫度及空速點（即40 ℃和90 ℃冷卻水溫度時發動機NOx原機排放及溫度測試工況），然后按照氨氮比1 ∶1 的當量關系噴入尿素，待NOx值及NH3泄漏值穩定后，查看NOx轉化效率及NH3泄漏情況。若NOx轉化效率較高、NH3泄漏較多，將尿素噴射量的當量比調整至0.80 或0.75。通過幾次反復的調整，使NOx轉化效率及NH3泄漏值保持在一個均衡的值（NH3泄漏值控制在10×10-6以內，NOx排放控制在5×10-6以內）。

2）更換為氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，重復上述測試過程。

3 試驗結果與分析

3.1 采用全液式SCR 系統的NOx 排放后處理系統對NOx 排放的影響

采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統，發動機冷卻水溫度控制在40 ℃時，SCR 系統前端溫度的變化如圖4 所示。

圖4 40 ℃冷卻水溫度時的SCR 系統前端溫度變化（采用全液式SCR 系統）

從圖4 可以看出，從整體趨勢上看，SCR 系統前端溫度隨著發動機轉速及負荷的增加而升高。在1 500 r/min@0.2 MPa 工況，SCR 系統前端溫度最低，為317 ℃；在3 000 r/min@1.0 MPa 工況，SCR 系統前端溫度最高，為501 ℃；其余工況，SCR 系統前端溫度在317 ℃～501 ℃之間。

采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統，發動機冷卻水溫度控制在40 ℃時，NOx轉化效率的變化如圖5 所示。

圖5 40 ℃冷卻水溫度時NOx 轉化效率的變化（采用全液式SCR 系統）

從圖5 可以看出，在2 500 r/min@1.0 MPa 和3 000 r/min@1.0 MPa 工況，NOx轉化效率均為95%，其余工況，NOx轉化率均在98%及以上。

采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統，發動機冷卻水溫度控制在90 ℃時，SCR 系統前端溫度的變化如圖6 所示。

圖6 90 ℃冷卻水溫度時SCR 系統前端溫度變化（采用全液式SCR 系統）

從圖6 可以看出，從整體趨勢上看，SCR 系統前端溫度隨著發動機轉速及負荷的增加而升高。在1 500 r/min@0.2 MPa 工況，SCR 系統前端溫度最低，為244 ℃；在4 000 r/min@1.2 MPa 工況，SCR 系統前端溫度最高，為695 ℃；其余工況，SCR 系統前端溫度在244 ℃～695 ℃之間。

采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統，發動機冷卻水溫度控制在90 ℃時，SCR 系統前端NO2/NOx比例的變化如圖7 所示。

圖7 90 ℃冷卻水溫度時SCR 系統前端NO2/NOx 比例的變化（采用全液式SCR 系統）

從圖7 可以看出，從整體趨勢上看，SCR 系統前端NO2/NOx比例隨著發動機轉速及負荷的增加而下降。

采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統，發動機冷卻水溫度控制在90 ℃時，NOx轉化效率的變化如圖8 所示。

圖8 90 ℃冷卻水溫度時NOx 轉化效率的變化（采用全液式SCR 系統）

從圖8 可以看出，當BMEP≤0.8 MPa 時，NOx轉化效率達到86%及以上。當BMEP≥1.0 MPa 時，不同負荷下，達到某一轉速后，NOx轉化效率隨著轉速的增加急劇下降；負荷越大，與NOx轉化效率急劇下降對應的轉速越低。結合圖6 與圖8 可以看出，當SCR 系統前端溫度小于520 ℃時，NOx轉化效率達到96%及以上；當SCR 系統前端溫度在520 ℃～600 ℃之間時，NOx轉化效率達到81%及以上；當SCR 系統前端溫度大于600 ℃時，NOx轉化效率急劇下降。

導致NOx轉化效率下降的原因有：

1）SCR 系統的催化劑在高溫下性能嚴重下降；

2）結合圖6 和圖7 可知，高溫下，NOx中的NO2比例[2]下降，降低了NOx轉化效率。

3.2 采用氣助式SCR 系統的NOx 排放后處理系統對NOx 排放的影響

由于計量泵的最小噴射量為70 mL/h，因此1 500 r/min@0.4 MPa、2 000 r/min@0.2 MPa、2 500 r/min@0.2 MPa 等要求尿素噴射量小于70 mL/h 的工況未進行測試。

采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，發動機冷卻水溫度控制在40 ℃時，SCR 系統前端溫度的變化如圖9 所示。

圖9 40 ℃冷卻水溫度時SCR 系統前端溫度的變化（采用氣助式SCR 系統）

從圖9 可以看出，SCR 系統前端溫度隨著發動機轉速及負荷的增加而升高。在1 500 r/min@0.2 MPa工況，SCR 系統前端溫度最低，為315 ℃；在3 000 r/min@1.0MPa 工況，SCR 系統前端溫度最高，為503℃；其余工況，SCR 系統前端溫度在315 ℃～503 ℃之間。

采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，發動機冷卻水溫度控制在40 ℃時，NOx轉化效率的變化如圖10 所示。

圖10 40 ℃冷卻水溫時NOx 轉化效率的變化（采用氣助式SCR 系統）

從圖10 可以看出，各工況的NOx轉化率均在98%及以上。

采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，發動機冷卻水溫度控制在90℃時，SCR 系統前端溫度的變化如圖11 所示。

圖11 90 ℃冷卻水溫度時SCR 系統前端溫度變化（采用氣助式SCR 系統）

從圖11 可以看出，SCR 系統前端溫度隨著發動機轉速及負荷的增加而升高。在1 500 r/min@0.2 MPa工況，SCR 系統前端溫度最低，為248 ℃；在3 500 r/min@1.2 MPa 工況，SCR 系統前端溫度最高，為680 ℃；其余工況，SCR 系統前端溫度在248 ℃～680 ℃之間。

采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，發動機冷卻水溫度控制在90 ℃時，NOx轉化效率的變化如圖12 所示。

圖12 90 ℃冷卻水溫度時NOx 轉化效率的變化（采用氣助式SCR 系統）

從圖12 可以看出，當BMEP≤0.8 MPa 時，NOx轉化效率達到87%及以上。當BMEP≥1.0 MPa 時，不同負荷下，達到某一轉速后，NOx轉化效率隨著轉速的增加急劇下降；負荷越大，與NOx轉化效率急劇下降對應的轉速越低。結合圖11 和圖12 可以看出，當SCR 系統前端溫度小于550 ℃時，NOx轉化效率達到96%及以上；當SCR 系統前端溫度在550 ℃～600 ℃之間時，NOx轉化效率達到87%及以上；當SCR 系統前端溫度大于600 ℃時，NOx轉化效率急劇下降。

通過圖8 和圖12 可以看出，發動機冷卻水溫度控制在90℃的情況下，當SCR 系統前溫度大于520℃時，采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，NOx轉化效率明顯高于采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統。導致上述現象的原因可以從圖13 所示的混合器氨均勻性仿真分析得出：在壓縮空氣的輔助下，采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，霧化效果更好，混合器的混合效果更好，氨均勻分布性更佳。

圖13 采用全液式與氣助式SCR 系統的NOx 排放后處理系統的混合器氨均勻性仿真分析

4 結論

本文針對某稀燃汽油機，設計了新型三元催化器（NTWC）+催化型汽油機顆粒過濾捕集器（CGPF）+選擇性催化還原（SCR）系統的NOx排放后處理方案，并進行了新鮮態催化劑發動機臺架試驗驗證。通過試驗，對比分析了發動機分別在40 ℃和90 ℃冷卻水溫度時，SCR 系統分別采用全液式和氣助式的NOx轉化效率。得出如下結論：

1）汽油機冷卻水溫度為40 ℃時，采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統，NOx轉化效率達到95%及以上；采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，NOx轉化效率達到98%及以上。

2）汽油機冷卻水溫度為90 ℃時，采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統，當SCR 系統前端溫度小于520 ℃時，NOx轉化效率達到96%及以上；當SCR 系統前端溫度在520 ℃～600 ℃之間時，NOx轉化效率達到81%及以上；當SCR 系統前端溫度大于600 ℃時，NOx轉化效率急劇下降。

3）汽油機冷卻水溫度為90 ℃時，采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，當SCR 系統前端溫度小于550 ℃時，NOx轉化效率達到96%及以上；當SCR 系統前端溫度在550 ℃～600 ℃之間時，NOx轉化效率達到87%及以上；當SCR 系統前端溫度大于600 ℃時，NOx轉化效率急劇下降。

4）汽油機冷卻水溫度為90 ℃的情況下，當SCR系統前端溫度大于520 ℃時，采用氣助式SCR 系統的NOx排放后處理系統，NOx轉化效率明顯高于采用全液式SCR 系統的NOx排放后處理系統。