重型柴油机排放控制和潜在应对方案

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重型柴油机排放控制和潜在应对方案  

 

日益严苛的排放法规对重型柴油机及其后处理系统提出了更高的要求。柴油机自身性能的改善通常会使NOx排放增加,这就要求后处理系统能够应对并控制更高的NOx排放,特别是在较低的温度下。本文讲述了后处理系统的潜在应对方案。

对于柴油机来说,主要排放物为NOx和颗粒物(PM),而从其燃烧方式来讲,这两种排放物的控制存在取舍关系。目前,选择性催化还原技术(SCR)用来控制NOx排放,而柴油颗粒捕集器(DPF)则用来控制PM和PN排放。为满足EUVI、EPA10和JP09排放法规,典型的后处理结构见下图,主要包括DOC(柴油氧化催化剂)、CSF(DPF和氧催化剂的集成)、尿素喷射系统、SCR以及ASC(氨逃逸催化剂)。DOC主要用于将CO和HC氧化成CO2和H2O,同时也会氧化部分NO成为NO2。SCR主要用于捕集颗粒物。尿素喷射系统为SCR提供氨。SCR系统用于还原NOx。ASC是为了防止未使用的氨逃逸到环境中。NO2的生成有利于DPF的被动式再生和低温NOx的转化。NO2氧化SCF中的颗粒物并生成CO2,而NO2又被还原为NO。被动式再生需要合适的排气温度,温度过低,NO2氧化C的速度太慢,颗粒物沉积使排气背压增加,降低发动机效率,极端情况下会迫使发动机停机;温度过高,NO2加速分解,不能形成足够的NO2。通常,被动式再生要求排气中NOx与PM比值大于20:1。

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SCR

1) 使用负载活性金属的分子筛催化剂,特别是小孔分子筛。小孔分子筛一方面能够阻碍HC等不利于SCR反映的分子进入基体,另一方面其比表面积高,NOx转化率高。下图反映了Cu-SAPO34催化剂与CuBeta催化剂的性能对比,可以看到Cu-SAPO34低温NOx转化率高(300℃以下),且考察温度范围内,N2O的生成降低,并始终保持在一个较低的水平。

2) 使用高密度、大孔隙率基底。采用大孔隙率(HPS)结构有利于催化剂在基底中的渗透,基底体积固定时,更多的催化剂使SCR反应在动力学控制的低温条件下具有更高的催化活性。采用高密度基底则可在传质控制的高温条件下使SCR反应能够与催化剂有更多的接触,从而保证反应及其活性。下图反应了不同基底的性能对比。测试条件是FTP循环、650℃、50小时,后处理系统为DOC+SCR。从实柱状图可以看到,当基底密度增加时,NOx转化率提高,由图中不同cpsi(cells per square inch)表示;当采用HPS结构后,NOx转化率进一步提高。另外,对比12'' 和6'' 结构,可以看到采用小体积的SCR也可以实现相当的NOx转化率,如12'' standard cpsi SCR性能可以采用6'' HPS 600 cpsi或者Extruded 600 cspi SCR实现,结构体积的减小有助于系统集成打包,同时也有利于降低排气背压。

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DPF

DPF载体涂覆SCR催化剂,可以提高NOx转化率。即后处理系统由原来的DOC+CSF+SCR+ASC变为DOC+SCRF+SCR+ASC。下图给出了两种结构对NOx排放控制的对比,测试工况为ECE/EUDC,可以看到采用SCRF后,NOx排放明显降低。另外,从插图可以看到,SCRF入口温度比SCR的增加要快,而且一直保持较高的温度,这对于低温NOx排放控制很有利。

另一方面,DPF载体涂覆SCR催化剂,可以提高催化剂集成度,降低背压,下图给出了在US FTP测试循环条件下不同后处理系统结构的性能及系统结构大小对比。可以看到,采用传统结构,后处理系统的体积为39.7 L,而采用SCRF后,NOx转化率提高到88%,且体积降到了31.2 L。如果进一步将SCR采用HPS结构,则NOx转化率可以提高到90%。

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ASC

ASC是为了防止未使用的氨逃逸到环境中,主要原理是将NH3氧化为N2、N2O及NOx(后两种为不希望生成的中间产物)。由下图可以看到,传统ASC结构在温度为200-250℃范围内能够很好地氧化NH3,中间产物也较少。但是在中等温度下,N2O生成量明显增多,而在高温下,NOx生成量明显增多。为了解决这一问题,将SCR涂覆在ASC的氧化层表面,见下图改进结构。SCR涂覆层可以直接与NH3和NOx反应生成N2,同时储存NH3,这部分NH3可将氧化层中生成的中间产物NOx转化为N2。可以看到,改进结构可以降低中间产物生成,特别是NOx生成量。

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冷启动NO x控制

冷启动条件下,由于温度低,化学反应动力学速度很慢,同时不喷射尿素使还原反应没有还原剂。最直接的解决方法是当发动机启动时,通过能量输入快速提高后处理系统温度,比如多喷油,然而这种方法恶化了发动机的燃油经济性及CO2排放性,因此应该避免采用。较为可行的方法可能是在暖机过程中捕集NOx,当后处理系统能够正常工作时再将NOx释放并转化。发动机冷启动过程中主要的排放物为NO,而在有水的情况下,捕集NO仍然较为困难。Johnson Matthey发现Pd基沸石结构能够在低温下有效吸收NO。下图反映了FTP启动工况(前400s)的dCSCTM性能。

本文参考文献:

Walker A. Future Challenges and Incoming Solutions in Emission Control for Heavy Duty Diesel Vehicles[J]. Topics in Catalysis, 2016, 59(8-9):695-707.

文章来源:内燃机学报