滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的柴油機(jī)后處理技術(shù)

張亮

(江西五十鈴發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，江西南昌 330200)

滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的柴油機(jī)后處理技術(shù)

張亮

(江西五十鈴發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，江西南昌 330200)

介紹氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、柴油顆粒過濾器(DPF)和選擇性催化還原裝置(SCR)的工作原理，并介紹柴油機(jī)的兩種排放控制技術(shù)和路線：DOC+ DPF，DOC+ SCR。對(duì)后處理技術(shù)的各種改進(jìn)作了介紹，如在柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用貴金屬涂層。并給出國(guó)Ⅴ柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中這兩種后處理路線的試驗(yàn)結(jié)果。

柴油機(jī)；排放法規(guī)；后處理；柴油顆粒過濾器；選擇性催化還原

0　引言

近年來，大氣污染及霧霾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，引起了各級(jí)政府高度關(guān)注，汽車行業(yè)在能源消耗和內(nèi)燃機(jī)排放方面負(fù)有較大責(zé)任，在現(xiàn)階段需致力于提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，同時(shí)降低車輛的排放。在過去的十多年，研究人員必須為滿足排放法規(guī)的要求而研發(fā)各種減排技術(shù)。針對(duì)汽油機(jī)和柴油機(jī)，國(guó)家制定了關(guān)于氮氧化物(NOx)、碳煙(PM)、碳?xì)浠衔?HC)等的排放濃度限值，特別是降低柴油機(jī)的PM排放值對(duì)改善大氣霧霾具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。自2015年1月開始，國(guó)家開始正式實(shí)施國(guó)Ⅳ階段排放限值，并計(jì)劃在2018年1月開始在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施國(guó)Ⅴ階段排放限值。為此，柴油車已開始正式采用氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、柴油顆粒過濾器(DPF)以及尿素選擇性催化還原裝置(SCR)等后處理系統(tǒng)。

1　政策法規(guī)

GB17691-2005法規(guī)要求(ESC和ETC工況)見表1。

表1　ESC和ETC工況國(guó)Ⅳ與國(guó)Ⅴ排放限值比較　g·kW-1·h-1

HJ689-2014法規(guī)要求(WHTC工況)見表2。

表2　WHTC工況國(guó)Ⅳ與國(guó)Ⅴ排放限值比較　g·kW-1·h-1

根據(jù)國(guó)家排放法規(guī)要求，在柴油機(jī)ESC和ETC及WHTC循環(huán)工況下，由表1和表2可知：國(guó)Ⅴ排放限值與國(guó)Ⅳ排放限值比較，氮氧化物要求降低43%，PM值保持不變。為達(dá)到國(guó)Ⅴ排放限值目標(biāo)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體進(jìn)行優(yōu)化，如新燃燒室設(shè)計(jì)、降低壓縮比、增大EGR冷卻效率、對(duì)進(jìn)排氣道進(jìn)行優(yōu)化，特別是針對(duì)后處理系統(tǒng)需合理選型。

2　后處理原理(DOC+DPF路線)

2.1柴油顆粒過濾器(Diesel Particulate Filter,DPF)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的污染主要有微粒排放物質(zhì)(PM)、碳?xì)浠衔?HCx)、氮氧化物(NOx)和硫。其中微粒排放物質(zhì)(PM)大部分是由碳或碳化物的微小顆粒(尺寸小于4～20 μm)所組成的。

顆粒過濾器能夠減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的煙灰達(dá)90%以上。捕捉到的微粒排放物質(zhì)隨后在車輛運(yùn)轉(zhuǎn)過程中燃燒殆盡。其工作基本原理是： 如柴油微粒過濾器噴涂上金屬鉑、銠、鈀，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排出的含有炭粒的黑煙，通過專門的管道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣微粒捕集器，經(jīng)過其內(nèi)部密集設(shè)置的袋式過濾器，將炭煙微粒吸附在金屬纖維氈制成的過濾器上； 當(dāng)微粒的吸附量達(dá)到一定程度后，尾端的燃燒器自動(dòng)點(diǎn)火燃燒，將吸附在上面的炭煙微粒燒掉，變成對(duì)人體無害的CO2排出。柴油顆粒過濾器可以有效地減少微粒物的排放,它先捕集廢氣中的微粒物,然后再對(duì)捕集的微粒進(jìn)行氧化,使顆粒捕捉器再生。所謂過濾器的再生是指在DPF長(zhǎng)期工作中,DPF里面的顆粒物逐漸增加會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)背壓升高,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降,所以要定期除去沉積的顆粒物,恢復(fù)DPF的過濾性能。

2.2氧化催化轉(zhuǎn)換器(Dioxide Oxygen Converter，DOC)

DOC是一種重要的催化轉(zhuǎn)換器，幾乎在所有的催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中都會(huì)用到，其基本工作原理是：利用DOC氧化尾氣中的NO，并生成NO2，氧化燃油并使其放熱清除堆積在DPF中的PM，以實(shí)現(xiàn)DPF的再生。在國(guó)Ⅳ及之前的燃油中硫含量較高的情況下，由于氧化作用會(huì)生成硫酸化合物，DOC涂層組分中含有抗硫性能的酸性氧化物中，且貴金屬鉑(Pt)的氧化能力也會(huì)一定程度弱化以減少硫酸鹽的生成。但國(guó)Ⅴ油品硫含量由國(guó)Ⅳ的50×10-6下降到10×10-6，市售燃油品質(zhì)提升且含硫量大幅降低，可大幅增加DOC涂層的比表面積和貴金屬的分散度等，使得DOC進(jìn)入了大規(guī)模實(shí)用化階段，并開發(fā)了DOC+DPF后處理系統(tǒng)。

2.3柴油顆粒過濾器(DPF)的再生

DPF的再生有主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩種方法，主動(dòng)再生指的是利用發(fā)動(dòng)機(jī)自身排溫來提高自身再生溫度,使微粒燃燒。當(dāng)DPF內(nèi)的溫度達(dá)到550 ℃以上時(shí),沉積的顆粒物就會(huì)氧化燃燒；如果溫度達(dá)不到550 ℃,過多的沉積物就會(huì)堵塞DPF。被動(dòng)再生指的是利用缸內(nèi)后噴或尾管噴射的方式來提高尾氣排溫，提高起燃溫度,使微粒能在正常的柴油機(jī)排氣溫度下著火燃燒。絕大多數(shù)的DPF再生都是被動(dòng)再生，有缸內(nèi)后噴和尾管噴射兩種方式，也稱機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化，見圖1和圖2。

2.4DOC+DPF后處理系統(tǒng)反應(yīng)原理

DOC上：HC(燃油)+O2=CO2+H2O-熱量

DPF上：C+O2+熱量=CO2

總式：HC+C+O2=CO2+H2O

條件：DOC進(jìn)口溫度不大于300 ℃， DOC出口溫度不小于550 ℃；DPF內(nèi)部起燃后的溫度不能超過涂層催化劑最大耐受溫度或載體耐受溫度。PM再生起燃速度越快，溫度越高，再生時(shí)間則越短。

3　后處理開發(fā)技術(shù)(DOC+DPF路線)

3.1催化氧化轉(zhuǎn)換器(DOC)開發(fā)要求

國(guó)Ⅳ及以前的燃油由于含硫量高，貴金屬涂層中含有抗硫性能的酸性氧化物質(zhì)，且貴金屬鉑(Pt)的氧化能力也要一定程度弱化以減少硫酸鹽的生成，貴金屬涂層一般只含鉑。當(dāng)實(shí)行國(guó)Ⅴ排放后，油品升級(jí)，硫含量大幅降低，涂層由傳統(tǒng)的A1基過渡，涂層貴金屬的比表面積和分散度可大幅增加，相同質(zhì)量的貴金屬涂覆面積更大，催化效果更佳，貴金屬鉑(Pt)的使用將不再受油品限制，可大范圍推廣使用。

DOC需要對(duì)NO具有一定的氧化能力，生成的NO2對(duì)后級(jí)DPF捕集的PM顆粒具有氧化能力；如果采用噴油被動(dòng)再生，DOC需要對(duì)噴射燃油具有快速起燃能力，且相同噴油量升溫越高速度越快則更好(見圖3)，且DOC要具有更佳的熱穩(wěn)定性。

3.2柴油顆粒過濾器(DPF)開發(fā)要求

相對(duì)比國(guó)Ⅳ的POC顆粒捕集器，國(guó)Ⅴ階段使用的DPF顆粒過濾器具有更高的PM捕集效率，一般大于90%，且能實(shí)現(xiàn)顆粒數(shù)控制，并能結(jié)合主被動(dòng)再生控制，見圖4。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，DPF載體體積應(yīng)該為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的1.5～2倍為宜。

目前的DPF材料主要是采用堇青石或碳化硅材料的整體式陶瓷載體，如在DPF上涂覆催化劑，在前級(jí)DOC配合下，可降低DPF起燃溫度，大幅改善PM燃燒特性，可快速清除PM顆粒累積。對(duì)原排PM控制能力可達(dá)90%以上。

DPF具有較高的顆粒過濾效率，并配合前級(jí)DOC使用，可頻繁再生，但PM燃燒之后亦會(huì)產(chǎn)生灰分，灰分是不可燃燒的，當(dāng)灰分積累到一定程度后，DPF將堵塞燒損，失去再生功能，見圖5。因此定期清理DPF，對(duì)延長(zhǎng)其使用壽命是非常有必要的。

4　后處理原理(DOC+SCR路線)

4.1選擇性催化還原裝置(SCR)

車用發(fā)動(dòng)機(jī)的還原劑一般是尿素溶液，在高于120 ℃的溫度條件下，熱分解成尿素[CO(NH2)2]，生成氨氣(NH3)和氰尿酸(HNCO)，HNCO在高于160 ℃的溫度條件下又分解為NH3和CO2，NH3再與尾氣中的NO、NO2及O2反應(yīng)生成N2和H2O。由此可見，采用尿素溶液的SCR系統(tǒng)至少需要160 ℃以上的排氣溫度。圖6為SCR后處理系統(tǒng)原理圖。

4.2選擇性催化還原裝置轉(zhuǎn)化原理

CO(NH2)2=HNCO+NH3

(1)

HNCO+H2O=CO2+NH3

(2)

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

(3)

4NH3+2NO+2NO2=4N2+6H2O

(4)

8NH3+6NO2=7N2+12H2O

(5)

5　后處理開發(fā)技術(shù)(DOC+SCR路線)

5.1氧化催化轉(zhuǎn)換器(DOC)開發(fā)要求

在SCR后處理技術(shù)路線中，DOC主要是將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NO一部分氧化成NO2，使排氣流經(jīng)SCR催化劑時(shí)與NH3進(jìn)行快速反應(yīng)，間接提高SCR催化劑的轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，一般依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排量確定DOC所用載體體積，一般為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的1.5倍為宜。由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣NOx中90%為NO，為使NOx組分達(dá)到較為理想的wNO∶wNO2=1∶1 ，DOC在一定溫度范圍內(nèi)對(duì)NO的氧化效率在40%～60%之間為宜。見圖7。

5.2選擇性催化還原裝置(SCR)開發(fā)要求

SCR裝置主要作用是催化發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOx，通過與還原劑NH3發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和H2O，是整個(gè)后處理系統(tǒng)的核心。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，也是依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排量確定SCR所用載體體積，因?yàn)閲?guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)要求催化劑更高的效率，通常SCR裝置體積為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的2～3倍為宜。由于國(guó)Ⅴ法規(guī)要求NOx值低于2.0 g/(kW·h)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原排，要求SCR具有接近80%的轉(zhuǎn)化效率。為達(dá)到此目標(biāo)，SCR催化劑將采用高比表面、高催化活性位利用率、高熱穩(wěn)定性涂層，見圖8。

高催化活性位利用率可提高NOx轉(zhuǎn)化效率，有利于ESC和ETC測(cè)試達(dá)標(biāo)；高比表面可提高涂層對(duì)反應(yīng)物(NH3和NOx)的吸附率，有利于低溫測(cè)試NOx排放降低；高熱穩(wěn)定性涂層可降低耐久過程比表面損失，減少活性劣化率。

5.3氨捕集催化劑(AOC)開發(fā)要求

AOC也叫AMOX，也就是通常說的氨捕集催化劑，由于國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)要求SCR裝置有更高的轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)也就需要更高的尿素噴射量，從而造成多余的NH3逸出，所以需要在SCR后端加裝AOC裝置。根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，AOC催化劑與SCR催化劑共載體分段涂覆，一般涂覆于載體后端，直徑與SCR催化劑一致，長(zhǎng)度以2.54 cm(1英寸)或3.81 cm(1.5英寸)為宜。AOC裝置具有較高的選擇性和氧化性，可將NH3氧化成N2和H2O,見圖9。

6　臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果(DOC+DPF路線)

6.1某型3.0 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)(DOC+DPF路線)

某型3.0 L國(guó)五發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)規(guī)格見表3。通過控制DPF入口溫度階段性上升，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DPF前后壓差，當(dāng)壓差不再隨時(shí)間變化，表明該溫度下再生速率與積碳速率相等，即達(dá)到溫度平衡點(diǎn)。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，帶有貴金屬催化劑涂層的DOC+DPF起燃平衡點(diǎn)溫度為425 ℃，見圖10。由此可見，DOC配合DPF使用可有效降低DPF起燃溫度，且DPF再生效果非常好，見圖11、圖12。

表3　某型3.0 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)規(guī)格

通過DOC+DPF的后處理方式，在425 ℃平衡點(diǎn)溫度下， DPF的再生效果非常好。

6.2某型3.0 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)排放實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(DOC+DPF路線)

對(duì)某型3.0 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13—16所示。

6.3某型3.0 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)排放與國(guó)Ⅴ法規(guī)限值對(duì)比

某型3.0 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)值與國(guó)Ⅴ法規(guī)數(shù)值對(duì)比見表4。

表4　某型3.0 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)值與國(guó)Ⅴ法規(guī)數(shù)值對(duì)比　g·kW-1·h-1

通過臺(tái)架對(duì)ESC及ETC工況實(shí)測(cè)，帶貴金屬涂層的DOC+DPF后處理可實(shí)現(xiàn)90%以上的PM過濾效率，且能保證NOx值與PM值滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)。

7　臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果(DOC+SCR路線)

7.1某型2.8 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)(DOC+SCR路線)

某型2.8 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)規(guī)格見表5。

表5　某型2.8 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)規(guī)格

7.2某型2.8 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)排放實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(DOC+SCR路線)

對(duì)某型2.8 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖17—20所示。

7.3某型2.8 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)排放與國(guó)Ⅴ法規(guī)限值對(duì)比

某型2.8 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)值與國(guó)Ⅴ法規(guī)數(shù)值對(duì)比見表6。

表6　　　　某型2.8 L國(guó)Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)值

通過臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)測(cè)ESC及ETC工況，選擇性催化還原后處理技術(shù)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化有效可靠、效率高，且能確保各排放指標(biāo)滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)。

8　結(jié)論

氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)+柴油顆粒過濾器(DPF)和氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)+選擇性催化還原裝置(SCR)是兩種能夠達(dá)到國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的柴油機(jī)后處理技術(shù)，且具有達(dá)到國(guó)Ⅶ排放法規(guī)的潛力，并能滿足量產(chǎn)需求，對(duì)降低柴油機(jī)顆粒物及氮氧化物的排放和改善大氣治理具有深遠(yuǎn)意義。

【1】柴田正仁,山田岳.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理技術(shù)[J].國(guó)外內(nèi)燃機(jī),2013,45(3):51-56.

Postprocessing Technology of Diesel Engine for Meeting CN5 Emission Regulation

ZHANG Liang

(Jiangxi Isuzu Engine Co.,Ltd., Nanchang Jiangxi 330200,China)

The principles of dioxide oxygen converter(DOC),diesel sect1iculate filter(DPF),selective catalytic reduction(SCR) equipment were introduced. Two types of emission control technology and methods were recommend,namely DOC+DPF，DOC+SCR. Various improvements to postprocessing technology were introduced,including precious metal coating was applied on oxidation catalytic converter.The experimental results of the two types of emission control technology in CN5 diesel engine development process were given.

Diesel engine; Emission regulation; Postprocessing; Diesel sect1iculate filter (DPF); Selective catalytic reduction (SCR)

2015-09-10

張亮，男，本科，從事柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)及規(guī)劃管理工作。E-mail：ZHL821022@126.com。