固態氨與尿素噴射控制系統對柴油機氮氧化合物排放影響對比研究

王杰，王世杰

（佛吉亞排氣控制技術開發（上海）有限公司，上海 201107）

前言

固態氨噴射控制系統與尿素噴射控制系統的最本質的區別是噴射控制的介質不同，固態氨噴射控制的純氨氣，而尿素噴射控制的 32.5%的尿素水溶液，關于車用尿素水溶液的特性本文不作討論。作為車用降氮氧化合物的一種尾氣后處理技術，固態氨噴射控制系統在一些方面具有優勢，固態氨噴射控制系統不會產生尿素結晶[4]，同時在使用低溫催化劑的情況下可以實現低溫噴射，發動機尾氣與氨氣在無須額外混合器的情況下更容易混合。本文所述得的固態氨噴射控制系統主要由儲氨罐、氨氣噴射計量控制單元，儲氨罐電加熱裝置，電控單元，相關線束，氨氣噴嘴等組成，其中儲氨罐內是以特殊結構存放的氯化鍶絡合物鹽 SrCl2，當向儲氨罐中充入氨氣，氨氣與氯化鍶發生化學反應生成氨合氯化鍶絡合物鹽Sr（NH3）8Cl2。常溫下氨合氯化鍶絡合物鹽以固態形式存在于儲氨罐內，當給儲氨罐進行加熱，溫度升高到20攝氏度時氨合氯化鍶絡合物鹽【Sr（NH3）8Cl2】開始逐漸釋放出氨氣，氨氣經過管路輸送到氨氣噴射計量控制單元，經過計量之后輸送到氨氣噴嘴，然后噴射入柴油機排氣管路中。當儲氨罐內溫度逐漸降低后，儲存在罐內的氨氣又會重新與氯化鍶進行化學反應生成氨合氯化鍶絡合物鹽，這一反應是無須催化劑的可逆反應。因此儲氨罐內部常溫下并無氨氣，也無高壓，不存在安全隱患。氨氣釋放與存儲過程如圖1所示。

圖1 氨氣釋放與存儲過程

本文所用固態氨噴射控制系統的結構圖如2所示，為保證相同的實驗條件，對比試驗時固態氨噴射控制系統工作于被動模式，即通過CAN報文接收來自發動機ECU的噴射量指令，固態氨噴射控制系統執行噴射，固態氨噴射控制系統不參與氨氣需求噴射量的計算。

圖2 固態氨噴射系統結構圖

1 實驗條件

1.1 試驗柴油機技術參數

本對比試驗采用一臺滿足國五排放法規的 7L增壓中冷柴油機，柴油機基本技術參數如下表1所示：

表1 實驗用發動機參數

1.2 試驗所用催化劑及載體信息

試驗所用催化劑及載體信息如下表2所示：

表2 實驗用后選擇性催化器信息

1.3 試驗臺架安裝布局

試驗臺架安裝布局如下圖3所示：

圖3 選擇性催化還原器布局

2 試驗方法

此次試驗目的是對比固態氨噴射控制系統與尿素噴射控制系統對柴油機氮氧化合物的影響，確保二者試驗條件一致的情況下進行一系列的柴油機排放循環測試，包括穩態測試循環（ESC）和瞬態測試循環（ETC）、世界統一瞬態測試循環（WHTC），對比二者的排放結果，根據二者的排放結果評估固態氨噴射控制系統和尿素噴射控制系統性能差異。

3 試驗結果分析

3.1 ESC循環排放對比測試

固態氨噴射控制系統和尿素噴射控制系統各進行了4次ESC循環NOx排放測試，4次測試兩種噴射控制系統都使用相同的排放控制策略，同時使用相同起噴溫度190攝氏度，測試結果對比如表3、表4，對比結果顯示，固態氨噴射控制系統相比尿素噴射控制系統對 NOx的平均轉換效率提升1.2%。主要原因是 ESC循環內排氣溫度普遍偏高，在整個ESC測試循環內，SCR催化器上下游的溫度都高于250攝氏度，而參考銅基催化劑的特性，當溫度高于200攝氏度時，NOx的轉換相率就可以達到100%，因此ESC排放測試循環下，固態氨噴射控制系統低溫起噴以及氨氣與排氣更容易混合的優勢體現不明顯。

表3 固態氨與尿素噴射系統ESC循環性能對比（1）

表4 固態氨與尿素噴射系統ESC循環性能對比（2）

3.2 ETC循環排放對比測試

對于ETC瞬態循環排放測試，起噴溫度設置為190攝氏度，兩種NOx排放控制噴射系統各進行了兩側測試，去兩側平均值作為最終結果進行對比，對比結果如表5、表6，對比結果表明固態氨噴射控制系統與尿素噴射控制系統 NOx平均轉換效率接近，為ETC循環下SCR催化器上下游溫度都接近250度，而銅基催化劑下，無論是尿素噴射控制系統還是固態氨噴射控制系統，二者NOx轉換效率都幾乎達到100%。

表5 固態氨與尿素噴射系統ETC循環性能對比（1）

表6 固態氨與尿素噴射系統ETC循環性能對比（2）

3.3 WHTC循環排放對比測試

從以上ESC和ETC循環排放測試結果來看，固態氨噴射控制系統和尿素噴射控制系統如果條件一致，起噴溫度一致，固態氨系統NOX轉化效率略高于尿素噴射系統，為了進一步對兩種系統在 NOX轉換效率進行對比，本文也進行了WHTC循環NOX排放對比研究，WHTC循環分為冷態循環和熱態循環，最終結果按照下式進行加權計算：

對于固態氨噴射控制系統進行了兩次冷態和兩次熱態W HTC循環測試，總共四次WHTC循環，一共得出兩次WHTC加權排放結果，最后取兩次平均值，以便于尿素噴射控制系統的測試結果進行比較。此次進行固態氨噴射控制系統系統WHTC循環測試時，氨氣的起噴溫度設定為120攝氏度，而尿素噴射控制系統的起噴溫度依然設定為190度，這是為了防止低溫噴射尿素無法分解并容易造成尿素結晶。尿素噴射控制系統進行了一次冷態和一次熱態WHTC排放循環測試。具體測試結果表7所示：

表7 固態氨噴射控制系統WHTC循環NOx排放數據

兩次WHTC加權后平均轉換效率為65.73%，冷態WHTC循環下氨氣消耗量也小于熱態循環下氨氣消耗量。尿素噴射控制系統的WHTC循環NOX排放測試結果如表8所示：

根據表7、表8數據對比，尿素噴射控制系統在WHTC循環下NOX轉換效率為39.73%，固態氨噴射控制系統NOX平均轉換效率為 65.73%，WHTC循環下固態氨噴射控制系統比尿素噴射控制系統 NOx轉化效率高 26%，得益于固態氨噴射控制系統較低的起噴溫度。

表8 尿素噴射系統WHTC循環NOx排放數據

3.4 固態氨和尿素噴射控制系統定點NOx轉換效率測試對比

根據固態氨噴射控制系統和尿素噴射控制系統的對比測試，固態氨噴射控制系統在 WHTC循環下能夠大幅度提高NOx轉換效率，為進一步驗證固態氨系統的性能優勢，進行了固定點NOx轉換效率測試對比，在保證相同的空速，相同的起噴溫度情況下進行了二者的轉換效率測試，測試結果如表7，固態氨噴射控制系統的NOx轉換效率在250攝氏度以下具有明顯的優勢，分析原因是固態氨噴射控制系統所噴射的氣態氨氣與柴油機尾氣在低溫下有更好的混合效果，另外固態氨噴射控制系統可以解決尿素噴射系統結晶問題。

圖4 不同氨氮比與溫度下固態氨系統與尿素系統降NOx性能曲線

4 結論

從本文所研究的試驗對比方案來看，可以得出以下結論：

（1）固態氨噴射控制系統相比尿素噴射控制系統對NOx的平均轉換效率提升1.2%。

（2）WHTC循環下固態氨噴射控制系統比尿素噴射控制系統NOx轉化效率高26%。

（3）定點噴射下，溫度250攝氏度以下固態氨系統比尿素噴射控制系統NOx轉化效率提高5%～20%。

（4）固態氨噴射系統可以降低起噴溫度，無結晶風險。