柴油機后處理系統(tǒng)對細顆粒物排放特性的影響研究

摘要：為研究柴油機細顆粒物排放特性，選取一臺搭配SCR（selective catalytic reduction）后處理系統(tǒng)的國六重型柴油發(fā)動機進行世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)WHTC（word harmonized transient cycle）測試。為獲取對比數(shù)據(jù)，分別在原排、DPF（diesel particulate filter）后、尾排3個位置獲取PN和PN細顆粒物數(shù)據(jù)。基于PN和PN排放特性，搭建緊耦合ccSCR（close coupling selective catalytic reduction）后處理系統(tǒng)，探究后處理系統(tǒng)對PN和PN顆粒物排放的影響。試驗結果表明：尾排細顆粒物排放量隨著尿素噴射量和SCR入口溫度的提升而增加，其中PN增加趨勢比PN更明顯。粒徑為10～23 nm細顆粒物占比與溫度同樣為正向關系，溫度為200 ℃時占總粒徑的55%，240～280 ℃時占比達到75%，280 ℃以上時占比超過80%。ccSCR與SCR相比，穩(wěn)態(tài)工況下PN與PN排放均下降50%～80%；瞬態(tài)WHTC循環(huán)下，ccSCR的PN和PN排放分別為1.61×10¹¹，2.92×10¹⁰ 個/（kW·h），對比SCR的PN和PN排放分別下降57.2%和62.3%。

關鍵詞：選擇性催化還原；顆粒；尿素噴射量；SCR入口溫度；緊耦合

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.006

中圖分類號：TK421.5 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2024）05-0042-07

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動源環(huán)境管理年報（2022）》數(shù)據(jù)顯示，2021年度中國機動車顆粒物排放量達到6.9萬 t^［1］。機動車中汽車是污染物排放總量的主要貢獻者，其中柴油車顆粒物排放超過汽車排放總量的90%。隨著人們對環(huán)境與健康問題的日益關注，機動車顆粒物引起的環(huán)境污染被廣泛關注。為了進一步加強對顆粒物排放的限制，2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，規(guī)定粒徑在23～2 500 nm之間的顆粒物PN限值為6×10¹¹ 個/（kW·h）^［2］。

隨著柴油機高壓共軌技術的逐步發(fā)展，噴油壓力不斷增加，導致柴油機尾氣中粒徑在23 nm以下的細顆粒物數(shù)量占比逐漸增大，最大占比約為80%^［3-5］。研究發(fā)現(xiàn)細顆粒物更容易附著有毒物質，在相同質量下，細顆粒物對健康帶來的危害更大^［6-7］。目前，細顆粒物是我國大多數(shù)城市空氣中的首要污染物，細顆粒物通過呼吸道進入肺泡、血液、神經(jīng)系統(tǒng)，會引發(fā)各類疾病，從而對人類健康造成潛在的危害^［8］。在此背景下歐盟成立了PMP（particle measurement programme）工作組，負責研究細小顆粒物的測量方法，并明確了歐七顆粒物限值由23 nm擴展到10 nm的范圍。

迄今為止，學者們對顆粒物排放進行了大量的研究。谷雨等^［9］進行了柴油機后處理系統(tǒng)對顆粒數(shù)量排放特性影響的研究。李勁松等^［10］進行了國六柴油發(fā)動機細顆粒物排放特性的研究。劉衛(wèi)林等^［11］研究了不同噴油參數(shù)對重型柴油機細小顆粒排放的影響。汪曉偉等^［12］研究了重型國六發(fā)動機細顆粒物數(shù)量的排放特性。

目前，關于尿素噴射量對顆粒物排放影響的研究較少，更缺乏針對細顆粒物PN排放特性的研究。為研究尿素噴射量對發(fā)動機顆粒物排放的影響，選取1臺7.7 L柴油發(fā)動機，后處理系統(tǒng)分別采用DOC（diesel oxidation catalyst）+DPF（diesel particulate filter）+ SCR（selective catalytic reduction）+ASC（ammonia slip catalyst），以及緊耦合ccSCR（close coupling selective catalytic reduction）+DOC+DPF+SCR+ASC的雙SCR后處理的組合方式。下文國六后處理系統(tǒng)簡稱“SCR后處理系統(tǒng)”，緊耦合ccSCR后處理系統(tǒng)簡稱“ccSCR后處理系統(tǒng)”。在臺架上分別對上述兩套后處理系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)工況與瞬態(tài)循環(huán)WHTC的細顆粒物排放測試，獲取試驗數(shù)據(jù)，并對試驗結果進行分析，為歐七的顆粒物排放研究提供一定參考。

1 試驗裝置和方案

1.1 試驗裝置

試驗選用1臺滿足國六排放標準的柴油發(fā)動機，分別搭配SCR后處理系統(tǒng)與ccSCR后處理系統(tǒng)，發(fā)動機參數(shù)見表1，試驗裝置見圖1。細顆粒物采用AVL489顆粒計數(shù)器測量。

1.2 尿素噴射控制策略

尿素噴射的控制策略是利用尿素溶液分解成氨氣與尾氣中的氮氧化物反應，氮氧化物的轉化效率作為反饋值實時修正。尿素分解為氨氣的過程見式（1）～式（3）。氮氧化物與氨氣的還原反應過程見式（4）～式（6）。

尿素脫水，生成固態(tài)尿素分子：

（NH）2CO（aq）（NH）2CO（s）+HO（g）；（1）

固態(tài)尿素分子熱解，生成氣態(tài)氨氣：

（NH）CO（s）NH（g）+HNCO（g）；（2）

異氰酸分子水解，再次生成氣態(tài)氨氣：

HNCO（g）+HO（g）NH（g）+CO（g）；（3）

標準反應：

4NO+4NH+O4N+6HO；（4）

快速反應：

2NO+2NO+4NH4N+6HO；（5）

慢速反應：

2NO+4NH+O3N+6HO。（6）

為構建模型主體，采用排氣溫度與空速交叉法測試NO轉化效率，圖2示出了ccSCR與SCR后處理系統(tǒng)對NO的極限轉化效率。在常用空速與不同溫度下對SCR系統(tǒng)的氨存儲特性進行測試，氨存儲特性如圖3所示。在不同氨覆蓋率與不同溫度下得到的NO轉化效率見圖4。

1.3 試驗方案

為了研究細顆粒物的影響因素，采用SCR后處理系統(tǒng)在世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)WHTC下對原排、DPF后、尾排的細顆粒物排放進行測試。根據(jù)循環(huán)測試結果，分析細顆粒物排放的影響因素，以便進行優(yōu)化。本研究按照以下方式進行分析研究：（1）以尿素噴射量作為單一變量，參考WHTC循環(huán)SCR入口平均溫度和平均排氣流量，分析尿素噴射量對細顆粒物的影響；（2）以SCR入口溫度作為單一變量，參考WHTC循環(huán)平均排氣流量和平均尿素噴射量，分析溫度對細顆粒物的影響；（3）驗證優(yōu)化方案ccSCR后處理系統(tǒng)與SCR后處理系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況點的細顆粒物排放特性；（4）測試WHTC循環(huán)下SCR與ccSCR后處理系統(tǒng)尾排細顆粒物排放的特性。

2 試驗結果與分析

2.1 國六SCR后處理系統(tǒng)不同測點細顆粒物特性研究

選取國六SCR后處理系統(tǒng)運行瞬態(tài)WHTC循環(huán)，獲取DPF后、尾排的PN與PN排放量以及原排的PN排放量。如圖5a所示，細顆粒物排放在后處理系統(tǒng)中呈先降后升趨勢，DPF后噴射尿素導致PN增加3.69×10¹¹ 個/（kW·h），PN增加7.25×10¹⁰ 個/（kW·h）。可以看到，噴射尿素產生的細顆粒物遠高于經(jīng)過DPF的細顆粒物。一方面，一部分液態(tài)尿素在混合器中與壁面、導流板碰壁產生碎裂形成更多小液滴，并在排溫作用下形成細小微粒^［13］；另一方面，氣態(tài)尿素在SCR中形成硝酸鹽、硫酸鹽、氣溶膠等細顆粒物，造成二次污染^［14］。

圖5b示出了3個測點的溫度與尿素噴射量。冷態(tài)循環(huán)中DPF后與尾排溫度相差15 ℃，且3個位置中僅有尾排噴射尿素，因此以下圍繞尿素量與溫度來研究細顆粒物排放特性。

2.2 尿素噴射量對細顆粒物的影響分析

為了獲得單一變量對細顆粒物的影響，需進一步對每種影響因素進行分析。在SCR入口平均溫度為260 ℃，排氣流量為400 kg/h的工況下，分析WHTC循環(huán)中尿素量對PN與PN的影響。在尿素熱解氣化再水解過程中會產生未分解尿素、縮二脲、三聚氰酸、三聚氰酸一酰氨等副反應物，氣態(tài)NH在催化劑表面反應生成固態(tài)硝酸鹽、硫酸鹽、尿素氣溶膠等，增加了細顆粒物排放^［15］。通過試驗得到尿素噴射量對細顆粒物的影響，如圖6所示。從尿素停噴到噴射量為50 mg/s，PN數(shù)量增長2 785.4%，PN數(shù)量增長465.6%；當尿素量從50 mg/s增加至500 mg/s時，PN和PN數(shù)量增長率分別增加522.5%和556.7%。綜上所述，尿素噴射會增加細顆粒物排放，且PN和PN數(shù)量隨著尿素量的增加而增加。

不同尿素量對10～23 nm細顆粒數(shù)占比影響如圖7所示。尿素停噴時10～23 nm顆粒物占比較低，可以看出DPF對10 nm粒徑的顆粒物仍有較高的捕集效率。隨著尿素噴射量的增加，10～23 nm細顆粒數(shù)占比也逐漸增加，占比最大達到85%。

2.3 溫度對細顆粒物的影響分析

為了研究溫度對顆粒物的影響，固定排氣流量為400 kg/h，在尿素噴射量分別為50 mg/s，100 mg/s，150 mg/s下進行試驗測試。尿素噴射后形成尿素小滴液，高溫下小滴液發(fā)生破碎現(xiàn)象，生成大量微小滴液使顆粒物排放上升^［16］。從圖8可知，PN數(shù)量隨著溫度的升高而增加，而PN受溫度影響較小。當溫度由200 ℃提升至280 ℃時，尿素噴射量為50 mg/s，100 mg/s，150 mg/s時PN排放分別增加了495%，469%，334%，而當溫度由280 ℃提升至360 ℃時，PN排放分別增加了145%，172%，130%。可見200～280 ℃溫度區(qū)間PN增加速率較大，而280～360 ℃溫度區(qū)間PN增加速率相對較小，這是因為硝酸鹽微顆粒在295 ℃以上分解為氣態(tài)NO，細顆粒物隨溫度變化趨勢與硝酸鹽反應機理一致^［17］。

圖9示出3種尿素噴射量下溫度對粒徑10～23 nm顆粒物占比影響。受排溫影響，混合器中破裂的尿素微粒、催化劑副反應產物更容易隨溫度的提升而增加。其中溫度為200 ℃時，10～23 nm顆粒物占比達到60%；溫度為240 ℃時，占比達到78%；溫度為280 ℃時，占比達到83%。由此可知，在200 ℃時尿素熱解不充分，只有部分形成核態(tài)顆粒，10～23 nm顆粒物占比低。當溫度超過240 ℃時，噴射尿素生成的10～23 nm顆粒物數(shù)量增加，當溫度到達280 ℃時，尿素分解充分且催化劑副反應穩(wěn)定，10～23 nm顆粒物占比基本趨于平穩(wěn)。

2.4 穩(wěn)態(tài)工況點細顆粒物排放分析

基于上述試驗結果可知降低尿素噴射量與排氣溫度可以有效抑制尾排細顆粒物排放，但與控制NO排放原理相駁。為此搭建了緊耦合ccSCR系統(tǒng)：ccSCR+DOC+DPF+SCR+ASC，在降低細顆粒物的同時兼顧優(yōu)化NO排放。ccSCR與SCR的區(qū)別在于ccSCR后處理系統(tǒng)有前、后兩級催化劑，前級催化劑位于DPF前，后級催化劑位于系統(tǒng)最后端。前級催化劑不僅降低了NO排放，緩解了后級催化劑壓力，還因為DPF功能降低了未分解的尿素與副反物^［18］。因此從降低NO與細顆粒物的方向來考慮，ccSCR比SCR更具優(yōu)勢。

試驗選擇排氣流量分別為300，500，700 kg/h，溫度分別為200，240，280，320，360 ℃的工況，測試ccSCR和SCR后處理系統(tǒng)顆粒物排放。從圖10可知，PN和PN排放均隨溫度的升高而增加。SCR后處理系統(tǒng)的PN排放高于ccSCR后處理系統(tǒng)，當SCR入口溫度為200 ℃時，ccSCR后處理系統(tǒng)各排氣流量下的PN排放比SCR后處理系統(tǒng)下降了45%～60%，溫度越高下降幅度越大。SCR和ccSCR后處理系統(tǒng)的PN排放量與PN趨勢一致，均為SCR后處理系統(tǒng)高于ccSCR后處理系統(tǒng)。

圖11示出不同溫度下兩種后處理系統(tǒng)的10～23 nm顆粒物占比。從圖中可知，溫度為200 ℃時10～23 nm顆粒占比為55%，240 ℃時升至75%，280～360 ℃時穩(wěn)定在80%以上。可以看出，200 ℃時粒徑10～23 nm的顆粒數(shù)量與23 nm以上顆粒數(shù)量占比接近，之后隨著溫度升高，10～23 nm的顆粒物占比增加到80%。ccSCR路線因降低了尿素噴射量，使得PN和PN顆粒物排放明顯低于SCR路線（見圖10），但10～23 nm細顆粒物的占比未受影響。

2.5 瞬態(tài)WHTC循環(huán)細顆粒物排放分析

WHTC循環(huán)包括冷起動與熱起動兩個階段，冷起動階段排放參數(shù)如圖12所示。前600 s時SCR入口溫度達到150 ℃，ccSCR前級開始噴射尿素，因DPF堵截，尾排顆粒物排放并未增加，后級未噴尿素，SCR后處理系統(tǒng)因入口溫度低同樣未噴尿素。601～1 200 s，溫度維持在250 ℃左右，SCR后處理系統(tǒng)顆粒物排放呈緩慢上升趨勢，而ccSCR后級開始噴射少量尿素，因此產生的細顆粒物排放量較少。1 200 s之后溫度高于280 ℃，此時尿素噴射量增加，SCR與ccSCR前、后級尿素累計量均大幅上升，造成兩個后處理系統(tǒng)顆粒物排放明顯增長，且PN排放明顯高于PN排放。冷起動循環(huán)SCR的細顆粒物排放高于ccSCR，再次驗證了尿素噴射量增加會造成細顆粒物排放升高。

熱起動階段排放參數(shù)如圖13所示。起動溫度達到240 ℃時，SCR與ccSCR均開始噴射尿素，但低溫排氣帶走后處理系統(tǒng)部分熱量，使溫度由240 ℃降低到200 ℃。溫度較低導致細顆粒物排放并未因尿素噴射而明顯增加。循環(huán)超過600 s之后，溫度升高至240 ℃，SCR與ccSCR細顆粒物排放均增加，且趨勢與冷起動循環(huán)相似。同樣地，熱起動循環(huán)SCR后處理系統(tǒng)細顆粒物排放高于ccSCR后處理系統(tǒng)。

根據(jù)發(fā)動機運行工況和后處理系統(tǒng)溫度，瞬態(tài)WHTC循環(huán)可以分為0～600 s，601～1 200 s，1 201～1 800 s三個階段。對于冷態(tài)WHTC循環(huán)，在0～600 s（第一階段），負荷低、怠速占比多，因排氣溫度低，SCR與ccSCR未噴尿素，顆粒物累計值沒有增長；601～1 200 s（第二階段），怠速占比少、轉速與扭矩穩(wěn)定，排溫為240 ℃，SCR尿素噴射量占總量28%，但顆粒物累計值僅占比12%，ccSCR尿素噴射量占總量20%，顆粒物排放僅占比13%，這是因為溫度低導致尿素在排氣管壁與混合器中形成液態(tài)薄膜未完全氣化和水解，細顆粒物生成量降低；1 201～1 800 s（第三階段），高負荷工況占比高，排溫達到300 ℃以上，SCR尿素噴射占總量72%，顆粒物占比88%，ccSCR尿素噴射量占總量80%，顆粒物占比87%，這是因為溫度高對尿素的氣化、水解有利，且因之前存留的液態(tài)薄膜尿素也隨之熱解，使整體細顆粒物排放增加。對于熱態(tài)WHTC循環(huán)，第一階段溫度得到提升，達到尿素噴射條件，但溫度僅有200 ℃，仍偏低，SCR尿素噴射占總量13.4%，顆粒物占比3.5%，ccSCR尿素噴射占總量10%，顆粒物占比2.2%；第二階段排溫達到250 ℃，SCR尿素噴射占總量22.6%，顆粒物占比15.2%，ccSCR尿素噴射占總量17.7%，顆粒物占比13%，前1 200 s細顆粒物生成量占比相對尿素噴射量占比偏低，與冷態(tài)循環(huán)趨勢相同；第三階段，SCR尿素噴射占總量64%，顆粒物占比81.4%，ccSCR尿素噴射占總量72.3%，顆粒物占比84.8%。總體而言，WHTC循環(huán)中尿素量與排溫的升高同樣會導致細顆粒物排放增加。

表2示出WHTC循環(huán)排放測試結果，可見采用ccSCR技術路線的細顆粒物排放明顯優(yōu)于采用SCR技術路線，其中PN，PN和NO排放均顯著降低。采用ccSCR技術路線時，PN排放滿足歐七標準限值。對于兩種技術路線，PN排放約為PN排放的5倍。

3 結論

a） 發(fā)動機后處理系統(tǒng)噴射的尿素會增加細顆粒物排放，且細顆粒物排放隨尿素噴射量增加而增加；

b） 尾排PN與PN排放量隨尿素量增加而增加，其中PN顆粒物受尿素影響更顯著；不噴射尿素時，10～23 nm顆粒物占比僅為20%；而尿素噴射量為500 mg/s時，10～23 nm顆粒物占比達80%以上；

c） 尾排PN排放受溫度影響較小，溫度對PN影響明顯；

d） ccSCR較SCR細顆粒物排放明顯降低，穩(wěn)態(tài)工況下PN與PN排放各降低80%；WHTC瞬態(tài)循環(huán)PN與PN排放分別下降57.2%和62.3%；兩種后處理系統(tǒng)的10～23 nm細顆粒物占比接近。

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Influence of Diesel Engine Aftertreatment System on Fine Particulate Matter Emission Characteristics

ZHANG Wang，WU Hanming，LIU Qiang，WANG Maoxuan，LI Zhenguo，SHAO Yuankai

（China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

Abstract： Based on a China Ⅵ heavy-duty diesel engine equipped with selective catalytic reduction （SCR） aftertreatment system， the fine particulate matter emission characteristics of diesel engine were tested according to WHTC.To obtain comparative data， particle numbers PN and PN were obtained from the raw exhaust pipe， the rear pipe of diesel particulate filter （DPF）， and the end pipe. Based on the results of PN and PN emissions， a close coupling selective catalytic reduction （ccSCR） aftertreatment system was constructed to investigate the influence of aftertreatment system on emission characteristics of PN and PN. The test results show that the fine particulate matter emissions in end pipe increase with the urea injection volume and the SCR inlet temperature， and the increasing trend for PN is more obvious than that for PN. The percentage for fine particulate matters of 10-23 nm size is also positively related to temperature， which accounts for 55% of total particle size at 200 ℃， 75% at most between 240-280 ℃， and higher than 80% beyond 280 ℃. The comparison between the ccSCR route and the SCR route reveals that the ccSCR route can reduce PN and PN of steady state operating conditions by 50%-80% at each point. PN and PN emissions of transient WHTC cycle are 1.61×10¹¹ and 2.92×10¹⁰ #/（kW·h） respectively， which reduce by 57.2% and 62.3% compared to the SCR route.

Key words： selective catalytic reduction （SCR）；particle；urea injection amount；SCR inlet temperature；close coupling

［編輯：潘麗麗］