不同路线国IV车用重型柴油机非常规排放试验研究

郭红松 方茂东 曹 磊 陆红雨 王益民

（中国汽车技术研究中心）

1 前言

我国和世界其它各国传统法规关于汽车尾气主要针对常规排放物诸如 NOx、颗粒物（PM）、THC、CO进行了规范，而对诸如 NO2、HCHO、SO2、NH3等非常规排放却没有具体的要求[1]。对于NH3排放，我国也仅在文献[2]中规定，在ETC排放测试循环中，氨排放平均值不超过25×10-6（国IV和国V阶段），而关于NO2排放也仅对采用EGR技术的柴油机有要求。2009年，美国环保署（EPA）开始对装有排放控制装置的柴油机的NO2排放量进行了规定，要求NO2的排放量不能超过NOx排放的20%[3]。

然而，非常规排放对人体的危害极大[4]，SO2、NO2是刺激性很强的有毒气体，HCHO则是大气中致癌的头号因素，吸入过量的NH3轻则肺气肿，重则致死。现在国内外正在探讨是否在新的排放标准中增加这几项限制[5]。本文使用AVL全流取样系统对采用3款不同技术路线的国IV重型车用柴油机进行了非常规排放对比试验研究[6～8]。

2 试验设备及试验方法

试验系统布局如图1所示，研究所使用主要设备型号见表1所列。其中，常规排放测试使用的是奥地利AVL公司生产的CEBII排气分析仪。FTIR气体分析仪可测量包括NH3、NO2、SO2和HCHO等22种不同的气体成分[10]。

表1 试验用设备型号

试验用3台国IV柴油机为直列四缸，供油系统均为高压共轨，进气系统均为增压中冷，基本技术参数见表2所列。研究中SCR系统为开环控制，使用的尿素溶液质量浓度为32.5%，尿素喷射量为NH3/NOx=1；SCR催化器尾部带有氨氧化（AMOX）装置用来减少NH3泄漏。

表2 试验用柴油机技术参数

试验使用的是国IV标准柴油，其主要理化特性见表3所列。

表3 试验用国IV柴油主要理化特性

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（中国III、IV、V 阶段）》，分别对 3 台柴油机进行了 ESC（European Steady Cycle）和 ETC（European Transient Cycle）循环试验。ESC和ETC试验循环工况点分别如图2和图3所示[1]。其中，ETC循环中前600 s为城市街道工况，中间600 s为乡村道路工况，后600 s为高速公路工况。

3 试验结果与分析

为了便于分析结果，本文定义了变量δ=NO2/NOx·100。

3.1 不同技术路线常规排放比较

表4给出的是不同路线ESC、ETC循环下国IV柴油机常规排放结果。DOC是通过催化氧化反应降低柴油车尾气中CO、THC和PM中部分可溶有机成分以及醛类物质[8]。POC主要通过催化氧化方式降低废气中微粒的含量，但POC降低废气中微粒含量的能力较差，如果要达到与DPF同样的排放效果，则要求发动机内生成的微粒总量较低，因此增加了发动机控制的难度[8]。如表4所列，无论是ESC循环还是ETC循环，3种技术路线都可以使发动机达到国IV排放标准要求，且DOC+POC、DOC+DPF以及SCR 3种技术路线的PM排放依次降低，这和DPF对PM的净化效率大大高于POC有关，同时SCR允许较高的NOx排放来尽可能降低PM排放，结果SCR的PM排放最低；3种技术路线下NOx排放大致相当，但DOC+POC路线难以保证在PM达标的情况下进一步大幅降低 NOx；DOC+POC及DOC+DPF路线的CO排放较SCR路线明显低很多，尤其是在ETC循环下，这是由于DOC、POC可以高效氧化CO的结果。

表4 不同技术路线ESC、ETC循环下国Ⅳ柴油机常规排放结果 g/（kW·h）

3.2 不同技术路线非常规排放比较

表5给出的是不同技术路线ESC、ETC循环下国IV柴油机的非常规排放结果。从表5不难看出，无论是ESC循环还是ETC循环，DOC+POC、DOC＋DPF以及SCR 3种技术路线的HCHO和NH3排放依次升高，且SCR路线HCHO、NH3排放较其它2种路线高很多。前者是由于DOC、POC不仅可以氧化CO而且对醛类也有高效的氧化作用[9]，后者是由于SCR路线使用尿素溶液存在NH3泄漏所致。此外，3种路线的NO2、SO2排放基本相当，没有明显规律性变化。然而，无论是ESC循环还是ETC循环，DOC+POC、DOC＋DPF以及SCR 3种路线的δ依次顺序明显下降，这是POC、DOC可以氧化NO促进NO2生成的结果[8]。

表5 不同技术路线ESC、ETC循环下国Ⅳ柴油机的非常规排放结果

3.3 不同技术路线油耗和CO2排放比较

对3种技术路线重型国IV柴油机的油耗和CO2排放也进行了比较，结果见表6所列。从表6可以看出，3种技术路线下油耗和CO2排放比较接近，但SCR路线油耗和CO2排放要略低于DOC+POC、DOC+DPF路线，在ESC和ETC循环下SCR路线较DOC+POC路线油耗分别要下降4.9%和4.6%。这是由于DOC+POC、DOC+DPF路线需要同时使用EGR技术，导致一部分功率损失，结果油耗升高。

4 结束语

本文 研 究的 DOC+POC、DOC+DPF、SCR 3种技术路线都可以使车用重型柴油机达到国IV排放标准要求，但其 CO、HCHO、NH3排放依次恶化，NO2在NOx中的比例依次明显下降。DOC+POC、DOC+DPF路线非常规排放相对较低，SCR路线在油耗方面相对具有优势。DOC+POC路线难以保证在PM达标的情况下进一步大幅降低NOx，很难满足国V车用重型柴油机的需要。

表6 不同路线CO2排放和油耗 g/（kW·h）

1 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 （中国III、IV、V阶段）．

2 HJ473—2008车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断（OBD）系统技术要求．

3 U.S.Environmental Protection Agency （EPA）， Control of EmissionsFrom New HighwayVehiclesand Engines Guidance on EPA’s Certification Requirements for Heavy-Duty Diesel Engines Using Selective Catalytic Reduction Technology， 40 CFR Part 86， Federal register/Vol.76， No.109，2011.

4 蔡茂春，杨雪茹，孙平．增压柴油机采用废气再循环的燃烧过程和排放特性研究．小型内燃机与摩托车，2008，37（2）：68～71．

5 Economic Commission for Europe （ECE）， Test Procedure for Compression-ignition（C.I.） Engines and Positiveignition（P.I.） Engines Fuelled With Natural gas （NG） or Liquefied Petroleum gas （LPG） With Regard to the Emission of Pollutants，ECE/TRANS/180/Add.4/Amend.1， 2010.

6 Vaarkamp M， Rodkin M.Diesel Emission Contral Systems，SAIT，Kenote Paper.

7 Brian Scarnegie.A LNT+SCR System for Treating the NOxEmissions from a Diesel Engine， SAE 2006-01-0210，2006.

8 Chatterjee S， Walk A P， Blackman P G.Emission Control Options to Achieve Euro IV and Euro V on Heavy Duty Diesel Engines，SAE 2008-28-0021.

9 李博，楼狄明，谭丕强，胡志远，张斌.柴油机燃用生物柴油的氮氧化物排放特性.同济大学学报，2008，（9）：5～8．

10 于津涛，王建海，田冬莲.欧美常温排放法规对比及试验分析，汽车技术，2011（4）：43～45.