稀燃汽油机NOx 排放后处理方案的研究

田一润 张 淼 徐立峰 杨 建 周益波

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

汽油的理论空燃比为14.7。稀燃是指汽油机在空燃比大于理论空燃比时的燃烧。稀燃技术能够有效提高汽油机效率和降低排放。但是，只有当汽油机工作在理论空燃比附近时，传统的三元催化器才能同时有效地降低HC、CO 和NOx排放[1-4]；当汽油机稀燃时，传统的三元催化器无法有效地降低NOx排放。因此，如何有效地降低NOx排放是汽油机稀燃时必需解决的关键问题之一。

本文的稀燃汽油机NOx排放后处理方案采用新型三元催化器（NTWC）+催化型汽油机颗粒过滤捕集器（CGPF）+选择性催化还原（SCR）系统的技术方案，控制策略采用基于氨存储[5-9]的SCR 系统控制策略。新型三元催化器（New Three Way Catalytic Converter，NTWC）解决理论空燃比燃烧时的冷起动排放；催化型汽油机颗粒过滤捕集器（Catalyzed Gasoline Particulate Filter，CGPF）[10]是在GPF 载体上涂覆催化剂。选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系统通过尿素喷射系统将一定量的尿素溶液喷入混合器中，SCR 吸附存储喷射的还原剂，净化发动机排放中的NOx。本文采用新鲜态催化剂，通过台架控制发动机冷却水温度分别在40 ℃（冷起动工况）和90 ℃（正常运行工况），SCR 系统分别采用全液式尿素喷射系统（简称全液式SCR 系统）和气助式尿素喷射系统（简称气助式SCR 系统），进行了稀燃汽油机在稳态工况下降低NOx排放的试验。

1 试验用汽油机主要技术参数

试验用汽油机为某3 缸4 冲程涡轮增压直喷汽油机，汽油机的主要技术参数见表1。

表1 试验汽油机主要技术参数

2 试验装置及试验方法

2.1 NOx 排放后处理系统

采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统主要包括DCU（尿素喷射控制单元）、尿素箱、建压泵（集成在尿素箱里，与尿素箱一体）、电控喷嘴、NTWC催化器、CGPF、全液式SCR 系统等，如图1 所示。NTWC 的载体体积为1.1 L，目数/壁厚为750/2；CGPF 的载体体积为1.4 L，目数/壁厚为300/8；SCR的载体体积为2.47 L，目数/壁厚为400/4，铜基分子筛涂层；电控喷嘴的最小流量为20 mL/h。

图1 采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统示意图

采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统主要包括DCU、尿素箱、计量泵、机械喷嘴、NTWC 催化器、CGPF、气助式SCR 系统等，气助式SCR 系统的规格、涂覆与全液式SCR 系统相同，如图2 所示。计量泵的最小流量为70 mL/h。计量泵通过管路与尿素箱连接，图中未展示尿素箱。

图2 采用气助式SCR 系统的NOx 排放后处理系统示意图

2.2 试验装置

试验台架主要包括试验用汽油机、测功机、排放测量仪器和NOx排放后处理系统，如图3 所示。

图3 发动机试验台架布置

试验用主要测试设备和仪器见表2。

表2 试验用主要测试设备和仪器

2.3 试验方法

2.3.1 40 ℃和90 ℃冷却水温度时发动机NOx原机排放及温度测试

发动机冷机起动时，冷却水温度控制在（40±2）℃，发动机转速在3 000 r/min 以内，每隔500 r/min 统计一组数据。每一个转速下，采集负荷BMEP 分别在0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0 MPa 下的NOx原机排放及温度数据（SCR 不参与工作）。

发动机热机时，冷却水温度控制在（90±2）℃，发动机转速在4 000 r/min 以内，每隔500 r/min 统计一组数据。每一个转速下，采集负荷BMEP 分别在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 和1.2 MPa 下的NOx原机排放及温度数据（SCR 不参与工作）。

2.3.2 采用全液式和气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统的排放测试

1）采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统，在SCR 系统下游40 cm 以上位置布置NH3分析仪，调整发动机工况至各个载体温度及空速点（即40 ℃和90 ℃冷却水温度时发动机NOx原机排放及温度测试工况），然后按照氨氮比1 ∶1 的当量关系喷入尿素，待NOx值及NH3泄漏值稳定后，查看NOx转化效率及NH3泄漏情况。若NOx转化效率较高、NH3泄漏较多，将尿素喷射量的当量比调整至0.80 或0.75。通过几次反复的调整，使NOx转化效率及NH3泄漏值保持在一个均衡的值（NH3泄漏值控制在10×10-6以内，NOx排放控制在5×10-6以内）。

2）更换为气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，重复上述测试过程。

3 试验结果与分析

3.1 采用全液式SCR 系统的NOx 排放后处理系统对NOx 排放的影响

采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在40 ℃时，SCR 系统前端温度的变化如图4 所示。

图4 40 ℃冷却水温度时的SCR 系统前端温度变化（采用全液式SCR 系统）

从图4 可以看出，从整体趋势上看，SCR 系统前端温度随着发动机转速及负荷的增加而升高。在1 500 r/min@0.2 MPa 工况，SCR 系统前端温度最低，为317 ℃；在3 000 r/min@1.0 MPa 工况，SCR 系统前端温度最高，为501 ℃；其余工况，SCR 系统前端温度在317 ℃～501 ℃之间。

采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在40 ℃时，NOx转化效率的变化如图5 所示。

图5 40 ℃冷却水温度时NOx 转化效率的变化（采用全液式SCR 系统）

从图5 可以看出，在2 500 r/min@1.0 MPa 和3 000 r/min@1.0 MPa 工况，NOx转化效率均为95%，其余工况，NOx转化率均在98%及以上。

采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在90 ℃时，SCR 系统前端温度的变化如图6 所示。

图6 90 ℃冷却水温度时SCR 系统前端温度变化（采用全液式SCR 系统）

从图6 可以看出，从整体趋势上看，SCR 系统前端温度随着发动机转速及负荷的增加而升高。在1 500 r/min@0.2 MPa 工况，SCR 系统前端温度最低，为244 ℃；在4 000 r/min@1.2 MPa 工况，SCR 系统前端温度最高，为695 ℃；其余工况，SCR 系统前端温度在244 ℃～695 ℃之间。

采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在90 ℃时，SCR 系统前端NO2/NOx比例的变化如图7 所示。

图7 90 ℃冷却水温度时SCR 系统前端NO2/NOx 比例的变化（采用全液式SCR 系统）

从图7 可以看出，从整体趋势上看，SCR 系统前端NO2/NOx比例随着发动机转速及负荷的增加而下降。

采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在90 ℃时，NOx转化效率的变化如图8 所示。

图8 90 ℃冷却水温度时NOx 转化效率的变化（采用全液式SCR 系统）

从图8 可以看出，当BMEP≤0.8 MPa 时，NOx转化效率达到86%及以上。当BMEP≥1.0 MPa 时，不同负荷下，达到某一转速后，NOx转化效率随着转速的增加急剧下降；负荷越大，与NOx转化效率急剧下降对应的转速越低。结合图6 与图8 可以看出，当SCR 系统前端温度小于520 ℃时，NOx转化效率达到96%及以上；当SCR 系统前端温度在520 ℃～600 ℃之间时，NOx转化效率达到81%及以上；当SCR 系统前端温度大于600 ℃时，NOx转化效率急剧下降。

导致NOx转化效率下降的原因有：

1）SCR 系统的催化剂在高温下性能严重下降；

2）结合图6 和图7 可知，高温下，NOx中的NO2比例[2]下降，降低了NOx转化效率。

3.2 采用气助式SCR 系统的NOx 排放后处理系统对NOx 排放的影响

由于计量泵的最小喷射量为70 mL/h，因此1 500 r/min@0.4 MPa、2 000 r/min@0.2 MPa、2 500 r/min@0.2 MPa 等要求尿素喷射量小于70 mL/h 的工况未进行测试。

采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在40 ℃时，SCR 系统前端温度的变化如图9 所示。

图9 40 ℃冷却水温度时SCR 系统前端温度的变化（采用气助式SCR 系统）

从图9 可以看出，SCR 系统前端温度随着发动机转速及负荷的增加而升高。在1 500 r/min@0.2 MPa工况，SCR 系统前端温度最低，为315 ℃；在3 000 r/min@1.0MPa 工况，SCR 系统前端温度最高，为503℃；其余工况，SCR 系统前端温度在315 ℃～503 ℃之间。

采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在40 ℃时，NOx转化效率的变化如图10 所示。

图10 40 ℃冷却水温时NOx 转化效率的变化（采用气助式SCR 系统）

从图10 可以看出，各工况的NOx转化率均在98%及以上。

采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在90℃时，SCR 系统前端温度的变化如图11 所示。

图11 90 ℃冷却水温度时SCR 系统前端温度变化（采用气助式SCR 系统）

从图11 可以看出，SCR 系统前端温度随着发动机转速及负荷的增加而升高。在1 500 r/min@0.2 MPa工况，SCR 系统前端温度最低，为248 ℃；在3 500 r/min@1.2 MPa 工况，SCR 系统前端温度最高，为680 ℃；其余工况，SCR 系统前端温度在248 ℃～680 ℃之间。

采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，发动机冷却水温度控制在90 ℃时，NOx转化效率的变化如图12 所示。

图12 90 ℃冷却水温度时NOx 转化效率的变化（采用气助式SCR 系统）

从图12 可以看出，当BMEP≤0.8 MPa 时，NOx转化效率达到87%及以上。当BMEP≥1.0 MPa 时，不同负荷下，达到某一转速后，NOx转化效率随着转速的增加急剧下降；负荷越大，与NOx转化效率急剧下降对应的转速越低。结合图11 和图12 可以看出，当SCR 系统前端温度小于550 ℃时，NOx转化效率达到96%及以上；当SCR 系统前端温度在550 ℃～600 ℃之间时，NOx转化效率达到87%及以上；当SCR 系统前端温度大于600 ℃时，NOx转化效率急剧下降。

通过图8 和图12 可以看出，发动机冷却水温度控制在90℃的情况下，当SCR 系统前温度大于520℃时，采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，NOx转化效率明显高于采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统。导致上述现象的原因可以从图13 所示的混合器氨均匀性仿真分析得出：在压缩空气的辅助下，采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，雾化效果更好，混合器的混合效果更好，氨均匀分布性更佳。

图13 采用全液式与气助式SCR 系统的NOx 排放后处理系统的混合器氨均匀性仿真分析

4 结论

本文针对某稀燃汽油机，设计了新型三元催化器（NTWC）+催化型汽油机颗粒过滤捕集器（CGPF）+选择性催化还原（SCR）系统的NOx排放后处理方案，并进行了新鲜态催化剂发动机台架试验验证。通过试验，对比分析了发动机分别在40 ℃和90 ℃冷却水温度时，SCR 系统分别采用全液式和气助式的NOx转化效率。得出如下结论：

1）汽油机冷却水温度为40 ℃时，采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统，NOx转化效率达到95%及以上；采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，NOx转化效率达到98%及以上。

2）汽油机冷却水温度为90 ℃时，采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统，当SCR 系统前端温度小于520 ℃时，NOx转化效率达到96%及以上；当SCR 系统前端温度在520 ℃～600 ℃之间时，NOx转化效率达到81%及以上；当SCR 系统前端温度大于600 ℃时，NOx转化效率急剧下降。

3）汽油机冷却水温度为90 ℃时，采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，当SCR 系统前端温度小于550 ℃时，NOx转化效率达到96%及以上；当SCR 系统前端温度在550 ℃～600 ℃之间时，NOx转化效率达到87%及以上；当SCR 系统前端温度大于600 ℃时，NOx转化效率急剧下降。

4）汽油机冷却水温度为90 ℃的情况下，当SCR系统前端温度大于520 ℃时，采用气助式SCR 系统的NOx排放后处理系统，NOx转化效率明显高于采用全液式SCR 系统的NOx排放后处理系统。