北京市劳动保护科学研究所 北京 100054
摘要：随着柴油机的广泛应用以及各国对尾气排放的日趋严格，尾气净化处理技术成为国内外研究的重点。本文尝试以SCR技术为路线基础，以潍柴WD615柴油发动机为实验对象，通过对国内外常用后处理模式DOC+DPF+SCR进行改良，采用稀土分子筛制备技术制造具有氧化催化作用和去除PM颗粒物作用的氧化催化型颗粒床系统代替原有的DOC+DPF模式。并研究其改良催化装置对柴油机尾气NOx排放影响及去除效率分析，通过对排放特征的量化分析，可以帮助建立一套同时处理柴油机排放的多种污染物的技术路线。
关键词：柴油机尾气；改良催化装置；氧化催化型颗粒床系统；NOx排放影响研究
1前言
1.1 研究背景
柴油机由于以其优越的动力性能、较高的热效率和经济燃油性成为当今汽车行业的发展趋势，同时在排放性能方面存在的巨大改进潜力，使柴油机在世界各国得到了广泛应用[1]。但由于柴油机自身和使用的燃料中含有大量高燃点的油类物质，致使其在气缸内没有汽油燃烧彻底、燃烧尾气排放过程中含有大量有毒有害污染物质，包含CO2、CO、NOx、CH、PM（颗粒物）等甚至尚未燃烧的微液滴油类和类沥青物质[2]。
NOx为尾气的主要污染物，在环境中可造成光化学烟雾[3]、酸雨等危害。人体吸入后，可阻碍神经系统的传输，使血红蛋白突变，对眼睛、呼吸道和肺功能等有损伤作用。同时CH和NOx在受强烈太阳光紫外线照射后，发生复杂的光化学反应，生成一种新的污染物光化学烟雾，导致支气管炎、冠心病和心脏衰弱死亡等事件会显著增加[4-5]。
面对尾气排放日趋严格的排放法规，尾气净化技术已成为国内外研究的重点。国内外专家认为，通过燃烧优化等机内控制措施来满足排放法规的要求已经很难，而传统的排气后处理技术模式，存在投资和运行费用较高、催化活性温度高、抗氧硫中毒能力低和稳定性差等仍然是催化剂普遍存在的问题[6]。
1.2 研究目的及意义
本文研究的目的及意义是通过以SCR技术路线为基础，以潍柴WD615柴油发动机为实验对象建立实验台架平台。对国内为常用的柴油机后处理技术DOC+DPF+SCR模式[7]进行改良，采用稀土分子筛制备技术[8]制备的对CO、CH等带有氧化催化作用、对PM颗粒物具有去除作用的氧化催化型颗粒床系统代替原有的DOC+DPF模式，使该装置位于柴油机尾气排放口处，柴油机尾气经过该装置后，可将尾气中的CO、NOx、CH、PM、大部分细微的碳化颗粒物、尚未燃烧的微液滴油类物质和类沥青的物质[2]等被这种前处理装置截留，从而使通过前处理装置后的柴油机尾气在进入SCR催化还原装置系统中要干净的多。
同时该颗粒床系统可在离线状态下随时更换分子筛，并通过研发的稀土分子筛原位再生技术[9]可快速实现分子筛再生，达到循环利用并可长期使用，提高后面SCR系统的NOx脱除效率的效果。解决了原有的传统模式存在因时间累积而导致污染物沉积在催化器上形成隔离层[10]，使催化器失效以及不可替换而导致的脱除效率逐渐降低的问题。并对改良后的催化装置进行性能测试及其研究对柴油机尾气NOx排放的影响，通过对排放特征的量化分析，可以帮助建立一套同时处理柴油机排放的多种污染物的技术路线[11-12]，该技术路线既能在技术上解决污染物减排的问题，同时要保证有实际应用价值，其中改装的简易性、经济可接受性、维护简便性是关键。从而达到控制和减少柴油机动车尾气排放量，减少空气污染和对人类、环境之间产生的直接或间接影响，为柴油机尾气处理技术提供一定的理论基础及以后生产、生活使用提供理论价值依据。
2实验部分
2.1 实验设备、仪器和试剂
2.1.1实验设备
潍柴WD615发动机、尿素喷氨电控系统、催化氧化型颗粒床系统、温度传感器、压力传感器、SCR后处理系统、D480水力测功机。其中实验对象WD615发动机主要技术规格如下表1：
表1.实验用柴油机主要技术规格
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2.1.2仪器
尿素测控显示器、D480水力测功机操作显示器、SV—YQCH汽柴两用尾气分析仪、735S瞬态油耗测量仪、氨泄漏分析仪。
2.1.3试剂
标准标定气、尿素、水、国四柴油。
2.2 实验方法
2.2.1 催化氧化型颗粒床系统制备及实验台架建立
本次论文研究使用的改良装置，是由稀土材料制成的稀土分子筛颗粒床组成，其颗粒度的平均粒径在8-10mm。根据WD615的排气量及最高转速确定了柴油发动机的排气量为1342m3/h，设计颗粒床系统进气量为1600m3/h。模块化的稀土分子筛颗粒装在一个两面有不锈钢钢板滤网的框架内，单个模块规格500×500×40mm，组成的方法分为4层每层2个模块，共计8个模块并联使用，同时在颗粒床系统其一侧面下端和顶端，由两个同为直径为100mm的尾气进口和顶端带风机的一个净化尾气排放口组成，整个氧化催化型的颗粒床系统规格为1200×1200×1500mm的方形体。当柴油机排口排除尾气后，直接进入颗粒床系统中，当尾气通过有稀土分子筛颗粒床时，通过阻挡、气流撞击、和绕行，对尾气中的各类固态的颗粒物和微液滴状的物质进行拦截和截留[13]。同时由于颗粒表层含有较高的镧铈等稀土元素，这些镧铈等稀土元素也是对NOx选择性还原良好的催化剂，可以对柴油机尾气中的NOx进行第一次去除，从而提高整个净化装置的脱硝效率。
在完成氧化催化型颗粒床系统的设计制备的同时，积极的准备其他实验设备、仪器、试剂等实验材料的购买、组装、连接工作，并完成发动机试验台架的建立。
2.2.2 实验分析方法及原理
柴油机尾气成分与发动机的工况有着密切联系。通过启东华阳测试设备有限公司提供的D480水力测功机来测定柴油发动机的工况，使用由天津市圣威科技发展有限公司提供的SV-YQCH型汽柴两用尾气分析仪，对改良后的柴油机尾气NOx浓度进行检测分析。
SV-YQCH型汽柴两用尾气分析仪是通过对尾气中的CO、HC、CO2、NOx等排放成分作为主要分析参数，对排放废气中的CO、HC、CO2采用不分光红外吸收原理（NDIR）测量、采用电化学电池原理测量NOx浓度[14]。当红外光通过待测气体时，特定波长的红外光被这些气体分子吸收，其关系服从朗伯比尔（Lambert-beer）吸收定律。工作时，传感器根据设定的调制频率发出红外光，红外光通过材料入射到测量气室，由采样泵将被测气体通入测量气室，气体吸收特定波长的红外光，透过测量气室的红外光由红外探测器探测到，并输出交流电信号，再经过一次高精密放大整流电路，得到一个与被测气体浓度相对应的的直流信号送入测控系统处理。红外传感器内有温度传感器探测其工作环境温度，红外传感器信号经过测控系统，并经数字滤波、线性插值及温度补偿等软件处理后，给出气体浓度测量值[15]。
2.2.3 实验过程
（1）氧化催化型颗粒床系统的制备，以及将所需要的实验设备及仪器完成组装，连接等工做，保证其可正常运转，完成整个实验台架平台的搭设。
（2）使用WD615柴油发动机按照《GB17691－2005 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》测试得到该发动机稳态排放测试ESC13工况点[16]。并完成国Ⅳ柴油机外特性曲线实验，柴油机外特性实验是指发动机喷油泵在最大开度下得到的速度特性[17]，其中稳态测试中13工况点包括怠速一个工况 转速为A时，负荷分别为25%、50%、75%、100%时等4个工况 ③转速为B时，负荷分别为25%、50%、75%、100%时等4个工况 ④转速为C时，负荷分别为25%、50%、75%、100%时等4个工况。转速A、B、C由柴油机的外特性实验得出结果后计算得出，其中转速A=Nlo + 25%（Nhl－Nlo）、B=Nlo + 50%（Nhl－Nlo）、C=Nlo + 75%（Nhl－Nlo），式中Nlo 为外特性实验最低转速、Nhl外特性实验最高转速。
（3）以WD615国Ⅳ柴油机为实验对象，使用SV-YQCH型汽柴两用尾气分析仪、D480水力测功机完成测定柴油机在柴油机转速最大、负荷最高的工况下，原机和使用改良催化装置后的NOx浓度实验，记录数据。
（4）基于13工况点改良后的催化氧化型颗粒床系统，配备SCR后处理系统NOx转换效率实验，记录数据。其中通过各种温度和压力传感器测量的参数，包括转速、扭矩、功率、燃油消耗量、燃油温度、机油温度与压力、排气温度和压力、进气温度与压力、冷却水进出口温度、SCR系统上下游NOx浓度等。
（5）基于改良后的催化装置，进行尿素喷射量与NOx浓度转换效率分析实验。
2.2.4实验数据处理
将得到的实验数据记录结果进行对比分析处理，利用计算机绘图或与表格的形式进行展示并得出结论。
3结果与分析
3.1 工况点的确定
首先按照《GB17691－2005 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》测试得到该发动机稳态排放测试ESC13工况点[16]。
经过发动机外特性曲线实验测试
得到A、B、C转速和负荷为：
高转速：1983 r/pm
低转速：1030 r/pm
扭矩负荷为：1482 Nm
得到的13工况点如表2：
表2.柴油机13工况点
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3.2 柴油机稳态怠速排放实验数据
在确定了柴油机的13工况点后。然后进行原机稳态在转速最大、负荷最高的工况下的排放测试，最后进行配备改良催化装置后的系统在柴油机稳态转速最大、负荷最高工况下排放测试，每组数据保持在最大工况下每分钟测一次，测三次，共两组数据，测六次。其取平均值计算，得到的稳态测试结果如表3所示。
表3.ESC稳态测试结果
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3.3 基于ESC13工况点，改良催化装置配备SCR后处理系统NOx转换效率
3.4 基于改良后的装置进行尿素喷射量与NOx转换效率分析
由于时间和条件有限，本次试验选取13工况点中的工况3、工况4、工况5、工况6、工况9、工况13作为测试点，代表了发动机运行特性曲线下的不同特性，是较为典型的排放点。
工况3
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工况4
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工况5
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工况6
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工况9
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工况13
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4 讨论
在基于改良后的装置配备SCR喷氨系统的尿素喷射量与NOx转换效率分析时，转换效率与喷射量呈非线性的规律。在工况点9中存在着随着尿素喷射量在300PPm增大后而下游NOx浓度也增大的情况，而转换效率呈下降的趋势。因此，在尿素喷射系统中不是喷射的量越大越好，过多的量反而会影响NOx转换效率，达不到最佳处理效果，造成氨逃逸，形成二次污染排放，在实际应用中需根据各方面的影响因素进行最佳喷射比的选择，以达到最佳的效率。
5 结论
通过本次论文研究得出，改良的催化氧化颗粒床系统装置对柴油机的尾气NOx有比较明显的一次去除效率，去除效率达到了24.7%。同时截留了其他大部分气体污染物，如CH、PM、CO等，使通过SCR后处理系统的尾气成分干净的多。柴油机在不同的工况下NOx排放浓度不同，在保持柴油机转速不变时，增大柴油机负荷状况下，NOx排放浓度逐渐增大，基于SCR后处理系统ESC13工况点下的NOx得到较好的去除效率，最高效率可达到79.8%。在对改良催化装置后的催化氧化颗粒床系统，针对发动机工况点3、工况点4、工况点5、工况点6、工况点9和工况点13等7个点作为代表性测试点，研究了SCR后处理系统尿素喷射量与NOx浓度去除效率关系分析，得出每工况点随着尿素喷射量的增大，下游的NOx浓度得到明显改善呈下降的趋势，去除效率也在逐渐增大，其中最高可达到的去除效率为99%。因此使用该改良催化装置配备SCR后处理系统在台架实验中具有比较高效的NOx转换效率，对下一步可继续研究在实际运行应用中的NOx转换效率分析有重要的参考意义。
参考文献：
[1] 张振生.柴油机的性能优势与发展方向[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2006，（03）：41-43.
[2]罗明.柴油机尾气排放控制技术分析[J].中国新技术新产品，2014，（14）：34.
[3]史俊莉.浅析车用柴油机尾气排放控制技术[J].内江科技，2015，（06）：62-63.
[4]彭浩，张晓云.我国氮氧化物治理技术的现状和研究进展[J].广东化工，2009，12：83-85.
[5]张广昕，孙晋伟，张传桢等.机动车污染物排放影响因素及控制措施研究[J].交通节能，2011，（05）：25-27.
[6]王静，王谦，徐航等.车用柴油机SCR系统NOx转化效率影响因素[J].内燃机学报，2015，05：453-460.
[7]黄文伟，孟凡生.柴油发动机尾气后处理技术的发展[J].内燃机，2010，（04）：1-4.
[8]方玉堂，郭敬花，李大艳等.稀土改性分子筛的表征与性能[J].化工学报，2011，（06）：1581-1586.
[9]李永梅，徐勇军.稀土分子筛的合成与应用研究进展[J].广东化工，2009，（03）：47-50.
[10]郭秀荣，王雅慧.常用DPF过滤体材料发展现状及特性研究[J].现代科学仪器，2012，（06）：74-79.
[11]方平，陈雄波，唐子君等.船舶柴油机大气污染物排放特性及控制技术研究现状[J].化工进展，2017，（03）：1067-1076.
[12]卢宁.大气污染现状、来源分类与协同治理研究[J].中共浙江省委党校学报，2013，（06）：117-124.
[13]郜时旺.移动床颗粒层过滤系统高温高压除尘研究[D].西安交通大学，2002.
[14]邢春霞.尾气分析仪在汽车检测与诊断中的拓展运用[J].汽车维护与修理，2010，（05）：67-68.
[15]陈桄红，徐科军，陶波波，张玉超.不分光红外气体分析仪信号处理与控制系统研究与设计[J].电子测量与仪器学报，2013，（11）：1040-1046.
[16]GB 17691-2005，车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国III、lV、V阶段）[S].
[17]GB/T 8190.1-1999，往复式内燃机 排放测量 第1部分；气体和颗粒排放物的试验台测量[S].