论发动机台架试验尾气处理的综合方案

论发动机台架试验尾气处理的综合方案

陈艾家 ,田晓冲 ,肇奇

中机寰宇（山东车辆）认证检测有限公司

由于德州地处京津冀26+2污染源重点控制区域，德州市政府严格执行国家及山东省对环境污染源排放的控制要求。

因此，发动机试验室尾气排放作为固定污染源，必须对尾气进行净化处理，才能满足国家及地方对上述环境控制的要求，采用净化效果最好，成本最低以及使用寿命持久的方式，使发动机尾气处理系统净化后的尾气排放符合GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》中排放限值要求。

1.标准限值与发动机尾气排放计算

1.1 标准限值

结合现阶段重型柴油车及非道路移动机械用柴油机排气限值标准的更新，柴油发动机尾气检测及抽查要求越来越严格。在发动机出厂前，都需进行法规要求的检测试验，检定合格后才允许生产使用。

山东省于2019修订并发布的地方标准《DB 37/ 2376—2019 区域性大气污染物综合排放标准》中，对固定污染源的NOx及PM的排放做了明确的要求，作为重点控制区域，NOx的排放限值为≤100mg/m³，PM限值为≤10mg/m³。

1.2 发动机尾气排放量计算

发动机台架及CVS排放分析系统是检测发动机尾气含量的主要手段。我们通过一款功率W=350kW，转速n=1900rpm，排量约V=9L的柴油发动机，按照最大原始排气量来计算尾气含量。

《GB 17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中发动机NOx的排放限值为NO≤0.46g/kWh，PM限值为PM≤0.01g/kWh。

根据以上参数，我们首先推算国六标准下的发动机NOx和PM排放量：

1小时发动机排气量：V=n*V*30/1000=513m³/h；

1小时NOx排放量：V=W*NO*1000=161000mg/h;

1小时PM排放量：V=W*PM*1000=3500mg/h；

折算地标NOx排放量：V=V/V=313.8mg/m³；

折算PM排放量：V=V/V=6.8mg/m³

由以上数据我们基本可以得出，国六排放限值下的发动机，作为固定源进行台架测试时，NOx排放量超过山东地标限值100mg/m³的限值，需要对NOx进行处理。

《GB 20891-2014 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段）》中（以下简称非四），第四阶段非道路柴油移动机械及其装用的柴油机污染物排放的NOx限值为NO≤2.0g/kWh，PM限值为PM≤0.025g/kWh。

根据以上参数，我们首先推算非四标准下的发动机NOx和PM排放量：

1小时发动机排气量：V=n*V*30/1000=513m³/h；

1小时NOx排放量：V=W*NO*1000=700000mg/h;

1小时PM排放量：V=W*PM*1000=8750mg/h；

折算地标NOx排放量：V=V/V=1364.5mg/m³；

折算PM排放量：V=V/V=17.1mg/m³

由以上数据我们基本可以得出，非四排放限值下的发动机，作为固定源进行台架测试时，NOx排放量超过山东地标100mg/m³的限值，PM排放量超过山东地面10mg/m³的限值。

根据以上两种计算结果，可以得出符合道路国六或非道路国四标准排放限值下的柴油发动机，在通过发动机台架进行性能研发或者型式试验时，需要采取措施对其尾气进行处理，才能满足山东省地标对固定污染源尾气排放物中NOx和PM限值的要求。

2.根据发动机尾气排放研究处理方案

针对作为固定源排放的发动机台架试验，为解决不同阶段国标限值下发动机的排放超标问题，我们通过以下几个方面进行研究。

2.1 控制发动机尾气与不同阶段基准燃料之间的研究

基准燃料的质量与发动机的燃烧效果和燃烧过程有直接关系, 改进基准燃料质量是控制发动机尾气排放污染相当重要的途径之一。随着排放国标对发动机尾气中NOx和PM的限值加严，通过不同的会议讨论，以及试验结果，基准燃料在含硫量、芳香烃含量和烯烃以及饱和蒸汽压都加以限制，进而达到控制最终尾气排放量的目的。

目前各个加油站都已经配置国六柴油，但是油品品质不尽相同，所以台架试验过程中，需要选择正规加油站进行加油。

2.2 控制发动机尾气与不同后处理方式组合之间的研究

2.2.1 针对发动机尾气PM处理方式的研究

发动机尾气处理中的DOC和CDPF主要功能配合去除发动机尾气中的CO、HC和颗粒物，DOC催化剂主要成分是铂金，尾气在其催化作用下，氧化反应增强，通作DOC可有效降低尾气中CO、HC，同时将氮气化物中的一部分一氧化氮（尾气中的氮氧化物中一氧化氮占主体）氧化成二氧化氮，可以促进DPF被动再生：

CO+O2→CO2

HC+O2→CO2+H2O

NO+O2→NO2

CDPF催化剂主要成分也是铂金，尾气在其催化作用下，氧化反应增强，通作DOC可有效降低尾气中碳颗粒，CDPF的结构如下图：

CDPF工作分为物理捕集和催化氧化两个过程。

物理捕集：这个过程主要利用DPF物理结构，其侧壁分布微孔，利用壁流式方式捕集尾气中的颗粒，不受温度限制，伴随其工作的整过个过程。

催化氧化：分为被动再生和主动再生，再生方式分类依据一般有两种：

第一种是根据CDPF在工作过程中有没有二氧化氮参与，如果温度在350以上，且有二氧化氮参与，则称为被动再生；如果温度在550度以上，不需要二氧化氮参与，碳颗粒直接与氧气发生反应，这个过程在移动源上一般通过DOC前喷油并在DOC中剧烈氧化放热。

第一种分类方法是根据CDPF在工作过程中有没有采用通过额外加热，如果没有，则视为被动再生；反之，则视为动再生。

对于CDPF在固定源中的应用，关于再生的方式的理解，应该是第二种分类依据更贴合一点。不管按哪种分类依据，被动再生与主动再生只不过是人为赋于CDPF再生方式的一种描述， CDPF再生的实质是催化剂处于不同的温度区间，发生不一样的催化学反应，具体如下：

350度左右：C+NO2→CO2+NO

550度以上：C+O2→CO2

2.2.2 针对发动机尾气NOx化合物处理方式的研究

根据市场调研，针对发动机尾气中不同的排放物，目前国内外通用的处理方式，有SCR、颗粒捕捉器DPF、DOC、添加催化剂等几种。

随着技术的成熟，SCR方法已在世界范围内成为处理发动机尾气NOx化合物的主流工艺，指的是在催化剂的作用下，通过各种工艺手段组合，利用还原剂（如NH、液氨、尿素）与发动机尾气中的NOx反应，并生成无毒无污染的N和HO,从而起到降低发动机尾气中NOx化合物含量的作用。

从排放国标的更新过程中以及发动机的更新技术路径来看，发动机尾气要达到最新的国六或者非道路国四排放标准，从发动机自身结构方面采取措施的方式基本不再被采用，而是改为采取增加或者优化排气后处理的方式来降低污染物的排放量，而尿素-SCR 选择性催化还原法是经过实验验证以及市场检验的主要方法。

还原剂方面，NH、液氨、尿素中尿素的安全性最高，选择尿素作为还原剂，尿素在高温下发生裂解，产生NH，反应过程如下：

(NH2)2CO→HNCO+NH3

HNCO+H2O→CO2+NH3

在SCR反应器，氮氧化物与氨发生主要反应如下：

NH3+NO+O2→N2+H2O

NH3+NO+NO2→N2+H2O

NH3+NO2+O2→N2+H2O

副反应如下：

NH3+O2 → (NO, NO2)+H2O

NH3, NO, NO2, O2 →N2O

3.选择合理的尾气处理方案

经过原机排放计算，以及市场调研，综合考虑发动机尾气排放达标，我们可以根据发动机台架被测件最大功率，将多个发动机台架尾气管道汇总成一根，选择DOC+DPF+SCR尾气处理装置，选择尿素作为还原剂，通过排烟总管上的烟气流量计与氮氧浓度传感器采样数据为依据，通过对尿素喷射量进行精确计算，安照合适的量进行尿素喷射。，统一的处理后通过高烟囱排入大气。

4.结语

通过对发动机原机的排放计算，根据大气排放物综合标准要求、环境地方标准对发动机排气污染物的限值要求，结合自身台架试验室布局，可以选择合理的尾气处理组合方式。

参考文献

［1］《GB 17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》

［2］《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、IV、V阶段）》

［3］《GB 20891-2014 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段）》

［4］《HJ 1014—2020 非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求（发布稿）》

［5］《GB 14762-2008 重型车用汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV阶段)》