采用EGR+DOC+DPF+SCR 實現(xiàn)WP10H375 歐Ⅵ排放標準的試驗研究

尹海德

1、內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室 2、濰柴動力股份有限公司發(fā)動機技術(shù)研究院

引言

隨著國際排放標準和排放法規(guī)的不斷提升和完善，以及人們環(huán)保意識的增強，柴油機單純以可靠性高、性價比高和性能優(yōu)越已不能滿足城市道路出行要求和市場需求。

同時，人們的消費觀念日益由粗獷式向精細化健康理念轉(zhuǎn)變，柴油機排放與性能、儲備扭矩之間存在的微妙關(guān)系也逐漸得到消費者的認同，因此開發(fā)一款符合未來市場需求的高排放標準的柴油發(fā)動機已迫在眉睫。

1 試驗所用儀器及設(shè)備

1.1 試驗所用測試設(shè)備

日本HORIBA CVS 全流排放系統(tǒng)（含MEXA-7400EGR、DLS-7200E，固體顆粒數(shù)計測裝置MEXA-2000SPCS）、油耗儀、FTUV、AVL415、AVL439、AVL 直采氣體分析儀、流量計、NOx 傳感器、溫度傳感器、AVL472、電力測功機、后處理總成（DOC+DPF+SCR）、增壓器轉(zhuǎn)速傳感器、PT100 溫度傳感器等。

1.2 試驗所用柴油發(fā)動機主要參數(shù)

發(fā)動機 WP10H 額定轉(zhuǎn)速 1900rpm進氣形式 增壓器中冷 最大扭矩 1800N.m氣缸排列形式 六缸直列柴油機 最大扭矩轉(zhuǎn)速 1000～1400rpm排量 9.5L 全負荷最低燃油消耗率 185g/KW·H排放標準 歐Ⅵ 發(fā)動機凈重 815Kg±50Kg最大輸出功率 276KW 壓縮比 17.5：1氣門數(shù) 4 個/缸 缸徑×行程 116mm×150mm

試驗所用發(fā)動機是在WP9 發(fā)動機基礎(chǔ)上基于CAE 的多目標優(yōu)化技術(shù)，貫穿性能與環(huán)保、可靠性、輕量化的柴油機設(shè)計過程平臺，實現(xiàn)設(shè)計過程的自動化和規(guī)范化，經(jīng)CAD/CAM/CAP 等虛擬技術(shù)設(shè)計，配備經(jīng)增壓器選型后的帶有放氣閥裝置的BOSCH 渦輪增壓器。虛擬標定技術(shù)[模型在環(huán)（MIL）—軟件在環(huán)（SIL）—硬件在環(huán)（HIL）]應(yīng)用，使燃燒系統(tǒng)得到充分優(yōu)化，在同類發(fā)動機排放性指標、動力性指標及經(jīng)濟性指標中均達到國際先進水平。

2 試驗研究與分析

通過發(fā)動機臺架萬有試驗，得到如下廢氣流量上游NOx-mg/s 效率萬有MAP；根據(jù)廢氣流量上游MAP 進行試驗設(shè)計（DOE）調(diào)節(jié)EGR 閥，進行后處理箱子預(yù)熱，怠速、1200r/500N、1500r/800N 熱車、發(fā)動機運轉(zhuǎn)在排溫為550℃以上約20 分鐘或標定點燒箱子等預(yù)處理激活后處理總成中稀有金屬催化作用以及尿素過噴等試驗策略，F(xiàn)TUV 前置探頭測得氨泄漏和全流、直采兩路對照采樣頭測得的NOx 試驗結(jié)果證實：廢氣通道吸附及氧化還原作用隨著載體增大，極大地促進了NH3對氮氧化合物的還原作用，煙度也隨之減小（圖1）。

圖1 廢氣流量上游NOx- mg/s 效率萬有MAP

催化氧化發(fā)生器在開環(huán)和閉環(huán)過程中，充分利用了后處理總成中SCR 的選擇性催化還原系統(tǒng)的特性，通過電磁閥互補調(diào)節(jié)，充分使后處理總成上游氮氧化合物達到預(yù)期控制范圍，從而降低發(fā)動機在預(yù)熱及尿素過噴前NOx 超出限值的潛在危險，并實現(xiàn)提高燃燒效率、降低碳氫化合物、調(diào)高重金屬（鉑等）催化還原作用的目標。

瞬態(tài)循環(huán)（WHTC）中排氣溫度較低，使得SCR 對NOx 排放的轉(zhuǎn)化效率大大降低，尿素泵建壓運轉(zhuǎn)溫度為180℃，尿素啟噴溫度在190～200℃，而鉑基SCR 通常在250℃以上為NOx 高效轉(zhuǎn)化溫度，尿素溶液溶劑為純化水，經(jīng)瞬態(tài)循環(huán)（WHTC）試驗分析發(fā)現(xiàn)，當通過調(diào)節(jié)后噴、節(jié)流閥等策略提高發(fā)動機渦后排溫，從而達到后處理總成預(yù)熱和尿素啟噴溫度時，會促進尿素在190℃以上水解產(chǎn)生氨氣會造成碳氫化合物增高、尿素結(jié)晶，堵塞尿素噴嘴及氮氧傳感器采樣頭等弊端，對臺架采樣設(shè)備，乃至車載尿素報警設(shè)備和OBD 設(shè)備等都是一種潛在威脅。但值得借鑒的是：通過尿素過噴，NOx 下游采樣數(shù)值顯著降低，雖然個別瞬態(tài)工況存在氨泄漏，但總體排放結(jié)果穩(wěn)定，其中熱態(tài)均在0.2g/（KW·H）以內(nèi)，符合Ⅵ排放法規(guī)中對NOx 的要求。

經(jīng)穩(wěn)態(tài)循環(huán)（WHSC）試驗分析發(fā)現(xiàn)，靈活的電控高壓共軌系統(tǒng)在250～450℃時得到充分展現(xiàn)，氧化還原轉(zhuǎn)化率最大，使其達到高效SCR 及氧化催化器（DOC）、柴油顆粒捕捉器（DPF）相對最佳效果，HC 和CO 相對較小。

經(jīng)發(fā)動機臺架非標準循環(huán)（WNTE）試驗分析發(fā)現(xiàn)，EGR 率在15～15.8 時，歧管混合器與EGR 冷卻液溫度呈正相關(guān)，調(diào)整噴油角及噴油時間可以有效提高燃燒效率，從而降低氮氧化合物以及一氧化碳、碳氫化合物。

通過圖2 可以清楚地看出，降低PM的關(guān)鍵在于使各組分達到相互制衡，總PM的降低歸功于通過DOC 氧化的可溶性有機物（SOF）和過濾器捕集的燃燒過程中殘留的碳顆粒（soot）。DOC可以氧化尾氣中七成以上的SOF，NO2足夠的情況下，部分流式過濾器能捕集高達70%的碳煙。轉(zhuǎn)化效率在10%～30%時，受原排SOF 比例影響，其與DPF 互補后，轉(zhuǎn)化在80%以上。

圖2 PM 各組分

圖3 DPF 顆粒后處理反應(yīng)原理

3 可視化數(shù)據(jù)采集與剖析

3.1 歐VI 法規(guī)顯著變化

WHTC 顯著提高了中、低負荷的循環(huán)測試比例：（1）平均轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速占比由57%降至36%；（2）平均功率與額定功率占比由31%降至17%；（3）怠速時間與循環(huán)時間占比由6%升至17%。

3.2 充量系數(shù)與排溫間的關(guān)系

通過仿真計算得出：充量系數(shù)小于0.6 時，會導(dǎo)致壓縮終點的溫度和壓力過低，影響燃燒穩(wěn)定性；采用進氣門早關(guān)的方式，當充量系數(shù)在0.6 上下時，排氣溫度比原機上升30～40℃；當充量系數(shù)大于0.6 時，排氣溫度與充量系數(shù)線性相關(guān)，采用進氣門早關(guān)的方式在不同轉(zhuǎn)速下提高排溫理論效果相同。經(jīng)試驗驗證與仿真計算結(jié)果基本一致，故得出單一的通過提前進氣門早關(guān)來提高排氣溫度是有限的。

設(shè)計有排氣門制動裝置（EVB）與進氣門早關(guān)共同作用，在柴油機指示熱效率保持基本不變的前提下大幅度提高排氣溫度，以達到提高流經(jīng)后處理總成中SCR 模塊單元排氣溫度的目的，進而提高NOx 轉(zhuǎn)化效率，達到歐Ⅵ排放標準。

4 結(jié)論

歐Ⅵ排放法規(guī)不僅對NOx 及PM 排放物要求更加嚴格，而且考核工況由ETC、ESC 轉(zhuǎn)變?yōu)閃HTC、WHSC 等后，向低轉(zhuǎn)速小負荷方向綜合考量，對柴油機排氣熱管理性能提出更高要求，特別是對怠速、小負荷工況的排氣溫度越發(fā)嚴格。

因調(diào)節(jié)噴油提前角、噴油時間和進、排氣門時間（或進氣節(jié)流閥）會受柴油機壓燃燃燒性能的影響，在不造成熱效率顯著降低的前提下，調(diào)節(jié)排氣溫度最高不能超過50℃；通過排氣門二次開啟和進氣門早關(guān)配合方式，能夠?qū)⒊跗谂艤靥岣?0℃以上。

綜上所述，在高壓共軌基礎(chǔ)上，采用EGR+DOC+DPF+SCR和DOE 實現(xiàn)WP10H375 馬力歐Ⅵ排放標準的技術(shù)方案是切實可行的。