基于WHSC的重型柴油機后處理系統(tǒng)匹配設計.pdf

1、日益嚴格的排放法規(guī)給柴油機后處理系統(tǒng)匹配設計提出了更高的要求，國Ⅵ階段需要使用復合后處理技術來實現(xiàn)柴油機的減排。復合后處理系統(tǒng)的匹配設計對柴油機的動力性能、經(jīng)濟性能和排放性能有重要影響。隨著后處理系統(tǒng)體積增加，排氣流經(jīng)催化器的空速降低，增加了反應時間，后處理系統(tǒng)的轉化效率更高。但后處理系統(tǒng)體積越大，空間布置越困難，柴油機的排氣背壓越大，柴油機的性能惡化越嚴重。因此，需要對復合后處理系統(tǒng)與柴油機的匹配技術進行研究，為國Ⅵ階段柴油機后處理系

2、統(tǒng)的設計提供指導。
　　本文圍繞某重型柴油機國Ⅵ階段后處理系統(tǒng)匹配設計開展研究，以世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(World Harmonized Steady Cycle，WHSC)的結果作為評價標準。首先根據(jù)柴油機與后處理系統(tǒng)之間的相互影響，確定了柴油機背壓—柴油氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)—柴油機顆粒物捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)—選擇性催化還原器(S

3、elective Catalytic Reduction，SCR)的研究順序。然后根據(jù)柴油機臺架實驗數(shù)據(jù)、三維模型及其它配置參數(shù)利用GT-Power軟件建立了可靠地柴油機仿真模型。研究了額定工況下排氣背壓對該柴油機性能的影響，結果表明，排氣背壓從22kPa增加至45kPa時，柴油機動力性和經(jīng)濟性均惡化約5％，為后處理系統(tǒng)匹配設計提供了壓降要求。
　　建立了DOC仿真模型，研究了DOC載體規(guī)格對HC、CO和NO轉化效率、DOC壓降、

4、主動再生過程升溫速率、HC二次污染等的影響。隨載體體積和目數(shù)增加，HC、CO和NO轉化效率增加。不同載體規(guī)格均能滿足國Ⅵ的HC和CO排放要求，但載體規(guī)格為267mm×102mm×400目時，DOC對NO有較理想的平均轉化效率，約為43.0％左右，可以提高DPF被動再生速度。主動再生時，隨載體體積和目數(shù)增加，HC轉化效率增加，DOC出口排氣溫度增加，但由于載體熱慣性的原因，排氣升溫速率減小。綜合考慮，DOC載體規(guī)格為267mm×102mm

5、×400目時，不僅可以滿足HC和CO排放，而且有良好的主動再生性能，并能夠較大幅度得提高DPF入口NO2的比例。
　　建立了DPF仿真模型，研究了不同規(guī)格的DPF載體在WHSC循環(huán)下的顆粒物捕集效率。隨著DPF載體體積、目數(shù)和直徑的增加，WHSC循環(huán)下DPF的捕集效率逐漸增加。267mm×305mm×200目和286mm×305mm×200目的DPF載體均可以滿足國Ⅵ排放標準，劣化后的顆粒物(Particulate Matter,

6、PM)排放分別為7.7mg/(kW·h)和6.3mg/(kW·h)。壓降方面，載體目數(shù)、長度的增加會使壓降增加，但在載體長度一定時，載體直徑增加系統(tǒng)壓降由于排氣流速降低而降低。對不同碳載量下的DPF壓降進行了研究，兩種方案在碳載量為4g/L時的壓降分別為31kPa和25kPa，表明兩種DPF方案均不會發(fā)生頻繁再生。為了提高SCR反應效率，研究了DPF中貴金屬(Platinum Group Metals，PGM)涂覆量對SCR入口NO2比

7、例和主動再生過程HC二次污染的影響。
　　建立SCR仿真模型，并將之與DOC、DPF模型耦合，為SCR仿真提供了更加準確的邊界條件。研究了SCR載體規(guī)格對NOx轉化效率、NH3泄漏和壓降的影響。結果表明，NOx轉化效率和壓降隨SCR載體體積和目數(shù)的增加而增加，氨泄漏隨SCR載體體積和目數(shù)的增加而減少;當SCR載體體積一定時，載體直徑對NOx轉化效率和NH3泄漏的影響較小，但壓降隨著載體直徑減小增幅較大。選擇規(guī)格為267mm×305

8、mm×400目的SCR載體，優(yōu)化噴射策略后，WHSC循環(huán)下該機NOx比排放和NH3泄漏量分別為0.37g/(kW·h)和9.2ppm，滿足國Ⅵ階段排放標準。
　　研究了SCR前置和后置兩種后處理系統(tǒng)布置方案對發(fā)動機性能的影響。SCR后置時，主動再生時DPF入口升溫速率更高，燃油經(jīng)濟性較SCR前置方案節(jié)約3.7％。SCR前置時，WHSC循環(huán)的NOx比排放較SCR后置方案降低約2.7％。選擇SCR后置方案并搭建實驗臺架對后處理系統(tǒng)的性