满足国V排放的重型柴油机排气后处理技术.doc

满足国V排放的重型柴油机排气后处理技术第4期(总第189期)2010年8月车用发动机VEHICLEENGINENo.4(Seria1No.189)Aug.2010?综合评述?满足国V排放的重型柴油机排气后处理技术李鹏,谭丕强,楼狄明,胡志远(同济大学汽车学院,上海201804)摘要:研究了国外重型发动机在欧到欧V阶段(或U$2007到U$2010)的技术路线,并探讨国内重型柴油机达到国V排放可采用的排气后处理技术方案.由于柴油机排放物PM与NO存在折中效应,为达到国V排放标准,应采用组合式后处理技术.在各种后处理技术方案中,SCR+DOC+DPF/POC和EGR+D0C+DPF是两种主要的技术措施,而LNT+D0C+DPF技术对排气中的S特别敏感.关键词:柴油机;排气后处理;微粒捕集器;氧化催化转化器;微粒氧化催化器;选择性催化还原中图分类号:TK421.5文献标志码:B文章编号:10012222(2010)04000105柴油机在节能与CO排放方面的优势是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的.柴油机排气中有PM,NO,HC和CO等有害污染物,其中PM和N是排放法规的主要控制对象.为减轻柴油机对大气环境的污染,各国排放法规越来越严格.在发动机常用工况范围内,仅采用机内措施降低PM和NO排放已逐渐趋于极限,只有对柴油机排气采取后处理净化措施,才能满足未来更为严格的排放法规.目前常用的排气后处理技术主要有针对PM的氧化催化转化器DOc,颗粒捕集器DPF,针对NO排放的选择性催化还原技术SCR,稀燃NO捕集技术LNT或者NAC,稀薄NO催化LNC等,废气再循环EGR并非严格意义上的后处理技术,但它是降低NO排放的重要技术,并且和废气直接相关,也列入讨论范围.要满足柴油机欧V(或US2Ol0)排放法规,仅靠单个排气后处理技术无法满足要求,需要采取不同后处理技术的组合措施.这对我国柴油机实现国V排放具有参考价值.1国内外排放法规目前世界上已形成以美国,欧洲,日本为代表的三大排放法规体系,其他各国基本上是采纳其中一种.图1和图2示出欧美及中国重型柴油机PM和NO的部分排放法规限值的对比.图中欧洲和中国采用的是欧洲稳态测试循环下的限值,美国采用的是瞬态工况标准测试循环下的限值.量萎置萎辜量呈罟年代图1欧洲,美国和中国NO排放限值|l国欧欧v8.霸.嘲.1US2007US2010围IV围,.鞠.圈.圉霸蚕蓦薰蓦量善萎N年代图2欧洲,美国和中国PM排放限值由图1和图2可以看出:美国由U$2002至US2OlO,NO排放限值由5.36g/(kw?h)降低到0.27g/(kW?h),减少95,PM排放限值由0.13g/(kW?h)降低到0.013g/(kW?h),减少9O,过渡时间为8年;欧洲从2000年的欧标准到2008年的欧V标准,NO排放限值由5.0g/(kW?h)降低到2.0g/(kw?h),减少6o,PM排放限值由0.1g/(kw?h)降低到收稿日期:20100518;修回日期:20100730基金项目:国家自然科学基金(50906062);高等学校博士点基金(20070247058);上海市科技攻关计划(072312051)作者简介:李鹏(1987一),男,硕士,主要研究方向为发动机排放控制技术;lipeng519126.corn.654321O一.醛裢l(】zH心mOO00OO0O一)【).遥裢鞋至车用发动机2010年第4期0.02g/(kw?h),减少80,过渡时间为8年;我国自2007年国HI(欧111)标准到2012年的国V(欧V)标准,过渡时间仅为5年.日趋严格的排放法规推动着国内柴油机技术和燃油制备技术的迅速发展,同时也使其面临严峻的考验.2柴油机尾气成分柴油机排放的废气中,N.约占75.2,CO.约占7.1,O及其他成分约占16.89,有害排放物约占0.81l】.有害物中,NO占35.4,CO占35.3,HC占8.54,SO.及PM等占2O.769,6.车用柴油机主要有害排放物为PM和NO,而CO和HC排放较低.控制柴油机尾气排放主要是控制PM和N0生成,降低PM和NO的直接排放.PM主要在扩散燃烧期富油区生成,是高温缺氧产物;其组分为干炭烟(Soot),可溶有机成分(SOF),硫酸盐和其他成分.NO是空气中O.和N在高温燃烧条件下反应生成的,是高温富氧的产物.PM和NO之间存在折中效应(tradeoff).因此,在柴油机排放已经很低的情况下,继续减少柴油机NO和PM排放存在很大困难,组合式排气后处理系统的出现成为必然_2(见图3).图3柴油机NPM处理方案3柴油机尾气后处理系统的集成在柴油机组合式排气后处理系统中,有以下3种方案较为典型:a)SCR+DOC+DPF/POC组合技术;b)EGR+DOC+DPF组合技术;c)LNT+DOc+DPF组合技术.3.1SCR+DOC+DPF/POC组合技术利用排气后处理措施降低有害物排放,可有效保证柴油机的动力性能和燃油经济性.PM的主要后处理措施有DOC,DPF和POC;而NO后处理通常采用SCR技术.3.1.1DUC柴油机氧化催化转化器(DieselOxidationCatalyst,DoC)是净化排气中的未燃HC,CO和SOF的常用有效措施l4,同时也可以有效去除多环芳香烃和乙醛等有害成分.DOC是以铂(Pt),钯(Pd)为催化剂,因此对燃料中的S特别敏感,很容易引起催化剂中毒,所以DOC一般适用于含S量较低的柴油.3.1.2DPF柴油机微粒捕集器(DieselParticulateFilter,DPF)是目前公认的有效的柴油机微粒后处理技术,它利用过滤体对排气中的PM进行过滤处理,需定时对过滤器内的沉积PM进行清除,即DPF再生.再生通常采用PM燃烧的方式来实现.一般情况下,PM起燃温度一般为550650,要高于柴油机的正常排气温度.因此,要使PM燃烧,一是通过在燃油或者过滤体表面加入催化剂,降低PM的反应活化能,从而降低PM的起燃温度,在正常排气温度下使其氧化,即被动再生;二是采用加热技术提高柴油机排气温度或过滤体的温度,达到PM起燃温度,使过滤体内沉积的PM得以燃烧,即主动再生.3.1.3PoC柴油机微粒氧化催化器(ParticulateOxidationCatalyst,POC)是半通式的过滤器,POC中的PM在催化剂的作用下被NO氧化为CO.,从而解决黑烟颗粒问题,净化效果在50左右.POC质量轻,体积小,尺寸可变,易于集成到排气后处理系统中.3.1.4SCR对于排气中的No,目前采用的比较成熟的后处理技术是利用尿素水溶液(体积分数为32.50.5),将NO还原为N和Ho,即选择性催化还原技术(SelectiveCatalyticReduction,SCR).NH.一SCR在与NO反应时主要有以下4个反应:4NH.+4NO+O24N2+6HzO,(1)4NH3+2No+2NO24N2+6H2O,(2)6NO2+8NH3+7N2+12H2O,(3)4NH3+3022N2+6H2O.(4)反应(1)为标准SCR反应,由于排气中的NO与NO的比例一般在9:1以上,此时SCR催化器中主要发生标准SCR反应.反应(2)称为快速SCR反应,研究表明,此反应可以在较低温度下进行,并且在较低温度下反应速2010年8月李鹏,等:满足国V排放的重型柴油机排气后处理技术率是标准SCR反应的17倍9.提高NO中NO.的比例可以使SCR在较低温度下发生快速SCR反应,有利于提高NO转化率.因此,提高尾气中NO的比率是提高SCR转化率的有效途径.SCR本身对S不敏感,我国燃油品质较差,含S量偏高,因此SCR适合在我国使用.但是SCR技术通常需要前置DOC调节NO.比例,或者后置DOC来处理泄漏的NH.,而DOC一般都是对S敏感的,这就影响了SCR在国内的应用.只有通过提高燃油品质,降低燃油中的s含量来解决这个伺题.为同时去除排气中的NO和PM,需将不同排气后处理技术合理结合.3.1.5SCR+DOC+DPFD0C+DPF+SCR的布置方案见图4ll】.l虢蠡g疆溢g赫锰鬣穗.鬣蠢鬣蒜方案一SCR后置Urea方案二SCR前置图4SCR+DPF后处理系统DOC在组合式排气后处理系统之前,可以将排气中的CO,HC和PM氧化成CO和HO,有效降低PM,所以可以在机内优化燃烧的情况下只采用DOC来达到PM排放标准.另外DOc可以将部分NO氧化为NO,从而提高NO转化速度.本研究只对ScR+D0c+DPF系统进行分析.方案一的优点是有利于DPF再生,可以有效地利用No.的被动再生作用,减少有源再生的次数,提高整机的经济性;缺点是DPF有源再生时的高温与热应力将影响SCR.因此,要求SCR的催化剂不仅低温时有较高的NO转化效率,而且具有较好的高温稳定性.另外在冷起动时SCR进口排气温度很低,使NO排放增加.方案二的优点是可以减少SCR的加热时间,从而减少冷起动和低负荷工况下的NO排放,此外,由于DPF后置,DPF主动再生时,降低了燃料燃烧峰值热应力对SCR的影响;其缺点是排气到达DPF时温度低,不利于DPF的被动再生,从而增加了有源再生的次数,使燃油消耗率增加_2.两种排气后处理方案在不同的温度下NO转化效率见图5.<160160180180.-2O0200-2202224024o60>260温度,/oC图5两种SCR+DPF系统的Nor转化效率对比当温度低于180时,方案一的NO转化效率高,即DPF前置,SCR后置;当温度在180240时,方案二的NO转化效率高.方案一中由于排气到达DPF时温度较高,利于DPF的再生.Urea在DPF之后喷射入喷气管中,进行快速SCR反应.但由于排气温度可能过低,导致NO转化效率降低.方案二对DPF的再生提出了更高的要求.研究发现,采用SCR与DPF集成技术在多种发动机多种测试工况下对NO和PM的转化率可以同时达到759O%,并且对HC,CO的减排也有很好的效果,经过合理优化的SCR+DPF后处理系统在各种测试工况下都可满足目前严格的法规标准13-SCR+DOC+POC由于POC需要较高的再生温度,因此通常需要与DOC配合使用口.相对于DOC+DPF系统,DOC+POC系统成本低,在轻型柴油机中有一定的应用前景,但用于重型柴油机仍需面对一系列问题,主要是POC净化PM能力有限,使用时间较长后PM净化效果较差,而法规对于重型车PM排放要求比较严.SCR+DOC+DPF/POC技术路线的燃油经济性好,而EGR+DPF路线的燃油消耗率相对增加l%21,在欧V阶段欧洲几乎所有重卡公司都采用SCR+DPF路线.由于美国燃油价格较低,尿素供应系统及其相关基础设施建设尚未健全等因素,美国US2007阶段主要采用主动再生EGR+DOc+DPF技术来满足排放法规_1.3.2EGR十DOC十DPF组合技术3.2.1EGR废气再循环(ExhaustGasRecirculation,EGR)是目前降低柴油机机内NO生成的一种有效措施18-19,冷却EGR系统是在EGR的基础上,对废气冷却后再进入下一循环,使进气充量的温度降加鲫加,斟蜱0车用发动机2010年第4期低,节流损失降低,新鲜进气充量相应有所增加,过量空气系数增大.另外,混合气温度降低使滞燃期有所增加,同时放热率曲线和放热率峰值相位后移,燃烧最高温度降低.因此,相对于普通EGR系统,采用冷却EGR有利于降低NO排放及烟度,对发动机性能有更进一步的提高,是今后降低柴油机排放的一个重要方向Ee03.但EGR系统在降低NO的同时将导致过量空气系数下降,并对混合气的形成和燃烧进程产生不利影响;随着EGR率的增加,过量空气系数降低,燃油经济性变差;并且发动机能发出的最大有效压力P随EGR率的增加而有所减小;另外,随着EGR率的增加,发动机排气烟度也随之增加.因此,采用该技术路线满足国V排放法规的先进柴油机应综合考虑排放,动力性和经济性等因素,选取冷却EGR系统的最优EGR率,加置排气后处理系统去除产生的PM.3.2.2EGR+DOC+DPF柴油机EGR+DOC-4-DPF系统的结构布置见图6c.图6柴油机EGR+DOC+DPF系统的结构布置通过EGR与DPF的合理集成,可有效除去排气中的NO和PM,但是随着排放标准越来越严格,EGR的缺点也越来越明显:EGR率随NO排放限制降低而增高,使燃油消耗率不断增加;随着负荷的增加,EGR对发动机扭矩性能的影响逐渐显现;含S量过高的燃油不仅降低EGR的反应活性,对PM排放也有恶化作用.3.3LNT+DOC-I-DPF组合技术3.3.1LNT降低NO的另一个研究方向是稀燃NO捕集(LeanNOTrap,LNT)技术,LNT的NO吸收率可达90以上,与发动机系统进行合理集成后可有效减少排气中的NO.LNT关键部件是具有NO吸附能力的碱金属化合物.以含碱金属钡(Ba)的吸附材料为例,LNT的工作原理见图7_2.ECU通过分析LNT前后温度,NO浓度等传感器测得的信号,来控制LNT进行捕集吸附NO或是还原再生.当ECU判断出LNT载体还未达到NO吸附饱和状态,则控制LNT继续捕集吸附NO,排气中的NO在金属Pt的催化作用下被氧化成NO.,然后与吸附剂中的碱金属Ba反应生成较稳定的化合物Ba(NO.);当判断已达到饱和状态,则调整发动机的工况使其达到富燃条件,此时Ba(NO.).分解释放NO.NO再通过金属Rh,Pt的催化作用与HC,CO和H.发生还原反应,生成N.眩某体綦体稀燃N()存储阶段:富燃再生阶段:过量卒气系数>1过量卒气系数<图7INr工作原理由图7可知,燃油中含有的S对LNT的NO吸附效率影响极大_2.s燃烧生成的SO会与吸附催化剂发生类似于NO的反应而生成更为稳定的BaSO,阻碍LNT对NO的吸收.另外,燃烧生成的SO可与机油燃烧排放物反应生成硫酸盐.这些硫酸盐会增加烟度或覆盖在催化剂的表面影响催化效果.因此LNT仅适用于低S含量的柴油燃料,或者需要引入S捕集器(LeanSulfurTrap,LST)来净化排气中的S.GordonBartley和MagdiKhair在所作的研究中指出,采用LST技术捕集燃烧产生的SO.以保护LNT,可以使LNT在更长的时间内保持较高的NO吸附效率2.试验中用含SO体积分数为150010的排气通过LNT,未装LST时LNT的NO吸附率经过1.7h后下降到8O,而LNT在LST的保护下NO吸附率降到8O需要8h.对于同样对S敏感的DOC和DPF等,也可以加装LST.3.3.2LNT+DOC+DPF由于LNT捕集NO的最佳温度区间为300400(BaCO3)或者350450(其他碱金属),所以在轻型柴油车上,DPF通常被后置,以使LNT获得更高的排气温度.然而另有研究表明,由于LNT内HC的燃烧产生热能,后置的DPF事实上获得比LNT更高的排气温度_2.川.2010年8月李鹏,等:满足国V排放的重型柴油机排气后处理技术?5?美国自2004年就开始对重型车的LNT+DPF系统进行研究试验,目标是在US2010标准下耐久性试验达到2000h,LNT系统的NO吸收率达8O9O%,但由此增加的燃油消耗率达7.研究发现,LNT+DPF系统最优的结构布置方案为DPF+LNT+D0C,但使用这种布置方案达到欧洲V排放标准的燃油消耗率增加1.8.总体看来,重型柴油机使用LNT后的燃油消耗率存在一定升幅.4结论综合以上分析,对于我国未来国V重型柴油机的后处理技术路线,建议如下:a)ScR+DOC+DPF/POC技术是满足未来国V重型柴油机排放法规的重要技术路线,采用SCR技术的国V柴油机燃油经济性好,且对发动机改动小,并且在技术升级连续性上具有优势;b)EGR+DOC+DPF技术与进气系统,高压喷射,燃烧技术的结合也是重型柴油机实现国V排放的技术路线之一;c)LNT吸附技术的吸附能力限制了其在重型柴油车上的广泛应用,但在轻型柴油车上有很大的应用前景;另外,LNT对燃油中的s极其敏感,应采用低s燃油或LST严格控制排气中的s含量.参考文献:1郭猛超,江大海,王琛,等.柴油机排放控制技术发展综述EJ.内燃机,2008(1):7-10.E2蒋德明.达到欧洲排放法规的新一代车用重载柴油机J.车用发动机,2009(4):1-5.3JosephTheis,ErdoganGulari.ALNT+SCRSystemforTreatingtheNOxEmissionsfromaDieselEnginec.SAEPaper2006010210.4梁荣亮,李孟良,过学迅,等.重型柴油车辆尾气后处理控制技术的综合评价c.SAEC2008P144.5刘瑞祥,高希彦,杨德胜,等.柴油机微粒陶瓷过滤器红外加热再生的优化J.内燃机学报,2004,22(6):481485.6朱天乐,王建昕,傅立新,等.柴油机排气后处理技术J.车用发动机,2002(6):1-5.7JohnsonJH,BagleyST,GratzLD,eta1.AReviewofDieselParticulateControlTechnologyandEmissionEffectsC.SAEPaper940233,1994.8谭丕强,胡志远,楼狄明,等.微粒捕集器再生技木的研究动态和发展趋势J.车用发动机,2005(5):6-9.9楼狄明,张正兴,谭丕强,等.车用柴油机选择性催化还原技术研究进展J.环境科学与技术,2009,32(12):lO3lO8.10刘丙善,吕林.氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差分析J.航海工程,2007,36(4):7173.11ChristineLambert.UreaSCRandDPFSystemforDieselSportUtilityVehicleMeetingTierBin5c.USDepartmentofEnergyDieselEngineEmissionsReductions(DEER)Conference.Chicago:S.n.,2005.12罗积晓.FBC与DPF再生中国的应用实践c/第二届先进柴油机排放控制技术及其测试评价研讨会论文集.北京:出版者不详,2009.13GuyRChandler,BarryJCooper,JamesPHarris,eta1.AnIntegratedSCRandContinuouslyRegeneratingTrapSystemtOMeetFutureNOandPMLegislationEe1.SAEPaper2000010188.14RayConway,SougatoChatterjee,AlexBeavan,eta1.CombinedSCRandDPFTechnologyforHeavyDutyDieselRetrofitC.SAEPaper2005011862.15李树会.POC-轻型柴油车国/国后处理方案J.内燃机,2008(6):4046.16戚爱玲.车用柴油机满足国排放阶段技术路线分析J.上海汽车,2010(2):5962.17王作函.实施国标准:SCR与EGR技术,谁又更适合中国市场?J.商用汽车,2009(6):116-117.18TiszaM.NumericalmodelingandsimulationinsheetmetalformingJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004,151(1/2/3):5862.19HillR.MathematicaltheoryofplasticityM.London:0xfordUniversityPress,1996:281297.2O朱瑞军,王锡斌,冉帆,等.EGR和冷EGR对柴油机燃烧和排放的影响EJ.西安交通大学学报,2009,43(9):2326.21TimothyVJohnson.DieselEmissionControlTechnology-2003inReviewC.SAEPaper2004一O1一OO7O.22张恩民.柴油机排放污染物控制实验研究D.西安:长安大学,2009.23许建昌,李梦良,李锦,等.满足欧/V排放法规的柴油机排气后处理技术J.现代车用动力,2006(2):1216.24刘瑞祥,高希彦,杨德胜,等.柴油机微粒陶瓷过滤器红外加热再生的优化J.内燃机学报,2004,22(6):481485.253GordonBartley,MagdiKhair.ProtectionofAftertreatmentSystemsfromSulfur,PASS-2TM_AdvancedSystemDesignEvaluationc.SAEPaper2004一O11938.(下转第22页)?22?车用发动机2010年第4期2010年2月初,在黑龙江省大庆市进行了装车试验,在一3O环境下,使用一10号柴油,经过5min预热,柴油机一次起动成功.5结束语设计了用于寒区柴油机的燃油加热装置.使用汽车蓄电池供电,在气温低于柴油凝点时,通过温控器加热,提高柴油的流动性.试验结果表明,所设计的预热燃油管的可靠性,升温性能,温控性能均达到设计要求.在一3O的装车试验中,柴油机一次起动成功.参考文献:1,13I-23I-4王军,廖祥兵.PTC电热元件在车用柴油机上的应用J.拖拉机与农用运输车,2002(1):4243.吴社强.柴油机低温冷起动方法探讨I-J3.柴油机,2003(2):53-56.潘江如,鲁亚云,王海明,等.高凝点柴油供油系统滤清器温度场研究J.广西大学学报:自然科学版,2008(4):383386.刘瑞林.提高柴油机低温起动性能的冷起动辅助措施J.汽车技术,2007(6):7-8.DevelopmentofPreheatingFuelPipeforImprovingDieselEngineColdStartPerformanceXuZhijun,YUZengxin,TIANChunzhi,LIUDandan(CollegeofMechanicalandElectronic,BeijingUnionUniversity,Beijing100020,China)Abstract:Fortheworsefuelfluidityatlowtemperature,afuelpipethatcouldheatfuelwasdeveloped.Withtheautomotivebattery,thefueltemperatureincreasedandthefuelfluidityimproved.Theresultsshowthatdieselenginecanbefaststartedwiththedeviceatlowtemperature.Keywords:dieselengine;preheating;fuelpipe;coldstart编辑:王涛(上接第5页)1,26*ThierryColliou,JacquesLavy,BrigitteMartin,eta1.CouplingofaNOiTrapandaCDPFforEmissionReductionofa6-CylinderHDEngineC.SAEPaper2004011945.27UlrichPfahl,WernerHirtler,ThomasCartus.PassengerCarInvestigationsofN0AdsorberandDPFC