摘 要：柴油機(jī)是當(dāng)前工業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的動(dòng)力機(jī)械，同時(shí)也是NOX排放的主要貢獻(xiàn)者。要助力經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力加速形成，使柴油機(jī)更高效綠色，提升SCR轉(zhuǎn)化效率，減少NOX排放是關(guān)鍵。文章利用臺(tái)架及大氣模擬裝置，在80kPa、90kPa、100kPa大氣壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同海拔下NO與NO2排放特性，以及NO2與NOX的比值對(duì)SCR轉(zhuǎn)化效率的影響。研究結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的升高，NO及NO2排放均下降，海拔越高二者排放越少。NO與NO2排放呈此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，當(dāng)NO2與NOX的比值增大時(shí)，SCR轉(zhuǎn)化效率逐步提高，但當(dāng)比值大于50%時(shí)，SCR轉(zhuǎn)化效率會(huì)有明顯下降。

關(guān)鍵詞：高原 選擇性催化還原（SCR） NOX排放 轉(zhuǎn)化效率

1 緒論

與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)能以較低的轉(zhuǎn)速輸出更大的扭矩，因具有動(dòng)力性強(qiáng)，比油耗低，熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了越來越大的市場(chǎng)份額，在市場(chǎng)需要及技術(shù)發(fā)展的作用下，柴油機(jī)越來越多地被用于農(nóng)業(yè)，工業(yè)，運(yùn)輸，軍事等方面[1-3]。據(jù)中國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，2023年全年共計(jì)銷售柴油機(jī)4473.76萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)2.85%。柴油機(jī)是目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。據(jù)生態(tài)環(huán)境部于2023年12月發(fā)布的《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2023年）》顯示，全國(guó)機(jī)動(dòng)車一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOX）、顆粒物（PM）排放量分別為743.0萬噸、191.2萬噸、526.7萬噸、5.3萬噸。汽車是污染物排放總量的主要貢獻(xiàn)者，其排放的CO、HC、NOX和PM超過90%[4]。柴油車NOX排放量超過汽車排放總量的80%，造成的環(huán)境污染不可忽視。

我國(guó)地形地勢(shì)復(fù)雜，擁有典型的高原地形，海拔1000m以上國(guó)土面積占56%，2000m以上面積占33%，僅青藏高原面積就達(dá)230萬平方公里[5-6]。柴油機(jī)等動(dòng)力設(shè)備在這些高原地區(qū)運(yùn)行時(shí)循環(huán)進(jìn)氣量變差，會(huì)使得柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化，進(jìn)而導(dǎo)致其排放惡劣[7-8]。研究高原環(huán)境下柴油機(jī)NOX排放特性及選擇性催化還原（SCR）性能對(duì)NOX排放控制具有重要意義。

本文利用滿足柴油機(jī)國(guó)Ⅵ測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)架，搭載DOC及SCR系統(tǒng)，結(jié)合大氣模擬系統(tǒng)模擬不同海拔條件，進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速恒定節(jié)氣門開度試驗(yàn)，研究80kPa、90kPa、100kPa大氣壓力下NOX排放特性及SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化性能，以期為優(yōu)化柴油機(jī)NOX排放控制豐富數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)高壓共軌直列四缸柴油機(jī)，排氣后處理系統(tǒng)搭載DOC及SCR。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，SCR性能參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)所用儀器設(shè)備除發(fā)動(dòng)機(jī)及SCR系統(tǒng)外，主要是臺(tái)架測(cè)控設(shè)備，包括PUMA測(cè)控系統(tǒng)、傅里葉紅外分析儀、AVL電力測(cè)功機(jī)、冷卻水恒溫控制系統(tǒng)等，臺(tái)架布置如圖1所示。

3 不同大氣壓力下NO及NO2排放特性

針對(duì)柴油機(jī)不同海拔環(huán)境下的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究通常有兩種方式，一種是將試驗(yàn)機(jī)型及設(shè)備運(yùn)送到符合試驗(yàn)研究要求的地方，這種方式會(huì)消耗大量的人力物力，設(shè)備在運(yùn)送途中也會(huì)有不可控的損壞風(fēng)險(xiǎn)，增加設(shè)備磨損，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)也得不到及時(shí)地修理。另一種便是借助大氣模擬系統(tǒng)，模擬實(shí)驗(yàn)所需的大氣壓力、溫度及濕度，這也是當(dāng)下主流的試驗(yàn)方法。本次試驗(yàn)所在地海拔為1980m，對(duì)應(yīng)大氣壓力為80kPa，利用大氣模擬裝置模擬90kPa和100kPa大氣環(huán)境，對(duì)應(yīng)的海拔分別是1000m和0m。不同海拔環(huán)境下氧氣密度不同，柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)排氣流量、溫度等也不同，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等也會(huì)有較大差異。

選取1400～2400rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間，恒定60%節(jié)氣門開度，模擬柴油機(jī)在不同海拔環(huán)境下運(yùn)行。如圖2及圖3所示，分別是在80kPa、90kPa、100kPa下NO及NO2排放特性。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，NO及NO2排放均下降，海拔越高二者排放越少。NOX產(chǎn)生的三個(gè)條件：高溫、富氧及反應(yīng)持續(xù)時(shí)間，海拔越高氧氣密度越低，因此隨著海拔的升高NO及NO2排放減少；而隨著轉(zhuǎn)速的增大，空速也增大，進(jìn)排氣加快供給燃燒化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間減少，因此NO及NO2排放減少。此外，NO在1600rpm至1800rpm區(qū)間排放濃度上升，因此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率從24.85kW上升到36.57kW，進(jìn)氣流量從144.3上升到210.3kg/h，其余相鄰轉(zhuǎn)速區(qū)間功率和進(jìn)氣流量變化分別在3.5 kW，20kg/h左右，因此1600rpm至1800rpm區(qū)間NO排放增多。

從圖4可以看出，柴油機(jī)原始NOX排放中絕大部分是NO，從變化趨勢(shì)來看，二者基本對(duì)稱，呈此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。由于在柴油機(jī)燃燒排氣過程中，溫度高且氧化物含量豐富，NO能被快速氧化成為NO2，NO與NO2的含量之比又能影響SCR的轉(zhuǎn)化效率，因此，有必要對(duì)二者的排放特性進(jìn)行研究，以幫助改進(jìn)SCR性能。

4 NO2與NOX之比對(duì)SCR轉(zhuǎn)化效率的影響

SCR是滿足國(guó)六排放法規(guī)必備的后處理系統(tǒng)，其載體利用銅基、釩基等做催化劑，尿素水溶液所產(chǎn)生的NH3做還原劑，通過催化還原反應(yīng)把NOX還原成N2和H2O，整個(gè)過程經(jīng)歷復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，具體反應(yīng)原理如下：

（1）NH3的產(chǎn)生

（4-1）

（4-2）

（2）NOX的催化還原反應(yīng)

（4-3）

（4-4）

（4-5）

從上述研究可知，NOX排放中NO占比最多，因此在整個(gè)轉(zhuǎn)化NOX過程中，式4-3是最主要的發(fā)生的反應(yīng)，但是從式4-4及4-5也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有足夠的NO2參與反應(yīng)時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)化過程將會(huì)加快。如圖5所示，當(dāng)NO2與NOX的比值增大時(shí)，SCR轉(zhuǎn)化效率逐步提高。但也不是NO2占比越大越好，從圖中可以看出，在比值接近50%時(shí)，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高，超過50%后轉(zhuǎn)化效率明顯下降，并隨著比值越高轉(zhuǎn)化效率越低。

5 結(jié)論

柴油機(jī)是當(dāng)前工業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的動(dòng)力機(jī)械，由于其經(jīng)濟(jì)、耐久、可靠、高效等特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于汽車、船舶、農(nóng)業(yè)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)正轉(zhuǎn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起，各行各業(yè)均在謀求創(chuàng)新發(fā)展，柴油機(jī)也將朝著更高效更綠色更智能的方向發(fā)展，這是滿足內(nèi)燃機(jī)行業(yè)發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的應(yīng)有之義，也是助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的必然要求。NOX是柴油機(jī)的主要排放污染物，如不加以控制會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成較大破壞，SCR是滿足國(guó)六排放法規(guī)有效降低NOX排放的關(guān)鍵技術(shù)手段。《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》中明確規(guī)定了輕型車在進(jìn)行實(shí)際道路行駛污染物排放試驗(yàn)（RDE）時(shí)，汽車排放污染物限值需要滿足隨著海拔變化的要求[9]，這無疑為不同海拔下NOX排放控制帶來了挑戰(zhàn)。因此，研究不同環(huán)境下NOX排放特性及影響SCR轉(zhuǎn)化效率的因素，對(duì)于優(yōu)化SCR性能，控制NOX排放具有重要意義。

本文運(yùn)用大氣模擬裝置在不同大氣壓力針對(duì)下柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，研究NO、NO2排放特性及NO2排放濃度占比對(duì)SCR轉(zhuǎn)化效率的影響，研究結(jié)果如下：

（1）隨著轉(zhuǎn)速的升高，NO及NO2排放均下降，海拔越高二者排放越少。其原因是海拔越高氧氣密度越低，因此隨著海拔的升高NO及NO2排放減少。而轉(zhuǎn)速增大，空速也增大，NOX產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間縮短，也會(huì)導(dǎo)致二者排放減少。

（2）柴油機(jī)原始NOX排放中絕大部分是NO，NO與NO2排放呈此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。同時(shí)當(dāng)NO2與NOX的比值增大時(shí)，SCR轉(zhuǎn)化效率逐步提高。但當(dāng)比值大于50%時(shí)，SCR轉(zhuǎn)化效率會(huì)有明顯下降，并且隨著比值的增大，轉(zhuǎn)化效率持續(xù)下降。

基金項(xiàng)目：云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目（2023KJ005）。

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