柴油机SCR系统尿素沉积物与喷雾特性的研究进展

1 前言 柴油机具有高的热效率、低的油耗和CO2排放,在车用动力中占有的比例逐年上升.与此同时,颗粒物（PM）和氮氧化物（NOx）成为柴油机排放物中的主要有害物质.针对重型柴油车国Ⅳ和国Ⅴ排放法规,从机内降低PM排放、而从机外转化NOx排放是一种符合中国国情、具有可持续发展的技术路线.选择催化还原（SCR）技术是目前降低柴油机NOx排放最有效的后处理技术之一,采用SCR技术可以使发动机在满足严格排放法规的同时,仍具有较高的动力性和经济性.在目前研究开发中的柴油机NOx后处理方法中,以尿素水溶液为还原剂的选择性催化还原技术（Urea-SCR）最为成熟,它能在柴油机排气富O2且流量、温度和组分多变的反应环境下有效降低NOx排放.     

浅谈柴油车SSCR技术的应用

SCR(选择性催化还原)技术是降低柴油车NOx排放的重要途径。以尿素水溶液作为还原剂的SCR技术已经较为成熟并泛应用,但仍存在一些技术缺陷,导致其在目前使用以及应对更严格的排放法规方面具有一定的局限性。SSCR(固体SCR)技术将氨气还原剂以固态型式存储,可以有效弥补传统SCR的技术缺陷。本研究对SSCR技术进行简要分析和探讨,对SSCR技术的推广应用具有一定参考意义。     

大型柴油机高氮氧化物转化率的排放控制系统的研发

选择性催化还原(SCR)系统已被证明是大型柴油机控制氮氧化物(NOx)排放的有效方案。未来的大型柴油机被设计为有更高的NOx排放量,以提高燃油经济性,这需要越来越高的NOx转化效率以满足排放法规要求。为此,未来的后处理设计可采用先进的技术,如选择性催化转化(SCR)涂覆颗粒滤清器(SCRF)和涂覆在高孔隙度直通式载体上的SCR,以获得高转化效率。评价了不同的高NOx转化效率系统。首先,通过使用SCRF单元和附加的涂覆在高孔隙度载体的SCR涂层,设计了高性能的NOx控制催化剂。第二,评价了不同的控制策略,以了解还原剂剂量策略和热管理对NOx转化效率的影响。在1台大型柴油机上进行瞬态循环试验。提高氨投入量而不是尿素可进一步提高转化效率,尤其是在低温下无法喷入尿素的时候。此外,实施热管理改善了低温时的NOx转化效率。结果证明,这种系统加上发动机控制策略的改进可以使瞬态FTP测试循环中的NOx转化效率达到95%以上,从而可使柴油机满足未来排放法规和燃油经济性的目标。     

高压共轨系统和尾气后处理的开发

中重型车辆各国排放法规 由图1可看到,从欧V到欧VI排放法规,NOx排放降低大约80％,美国从US07排放到US10排放法规,NOx排放约降低83％;日本从中长期发展项目(NLT05)发展到新长期发展项目,NOx排放降低约87％.这是未来降低排放的一个重要的工作方向.要达到欧Ⅴ或国Ⅴ排放,有不同的技术路线,有的采取SCR技术路线;有的采用废气再循环(EGR)的技术路线.图2为满足欧Ⅳ(国Ⅳ)、欧Ⅴ(国Ⅴ)排放的SCR技术路线,可采用燃油喷射压力为1600bar高压共轨系统,NOx排放限值在8～10g/kWh之间,那么可采用开环的废气后处理DeNOx系统,NOx转化效率约在70％左右.不带氧化催化转化器(DOC),采用废气阀控制的增压器,能降低NOx 70％左右,可达到欧Ⅳ(国Ⅳ)排放水平.如果要达到欧V(国V)排放限值,只要采用闭环废气后处理DeNOx系统,NOx转化效率约80％左右,可选用氧化催化转化器,废气阀控制的增压器.     

基于模型的重型柴油车SCR后处理系统稳态控制策略研究

为满足即将实施的中重型柴油车国Ⅳ排放法规要求,建立了一种基于模型的SCR尿素喷射稳态控制策略,研究了稳态下影响尿素喷射的排温模型、NOx 预估模型、排气流量模型、催化器效率模型和喷射模型,分析了空速比等影响模型性能的重要参数,建立了模型控制的MAP图和数学计算方法。将SCR系统进行了台架试验,研究了ESC工况下NOx 浓度变化趋势。研究结果表明,基于模型控制策略的SCR系统对于降低NOx 排放具有良好的效果,并可以达到国Ⅳ排放法规要求。     

高压共轨系统和尾气后处理的开发

中重型车辆各国排放法规由图1可看到,从欧Ⅴ到欧Ⅵ排放法规,NOx排放降低大约80%,美国从US07排放到US10排放法规,NOx排放约降低83%;日本从中长期发展项目(NLT05)发展到新长期发展项目,NOx排放降低约87%。这是未来降低排放的一个重要的工作方向。要达到欧Ⅴ或国Ⅴ排放,有不同的技术路线,有的采取SCR技术路线;有的采用废气再循环(EGR)的技术路线。图2为满足欧Ⅳ(国Ⅳ)、欧Ⅴ(国Ⅴ)     

大型尿素选择性催化还原系统车辆在使用过程中的排放性能变化

在底盘测功器上,对3辆采用尿素选择性催化还原(SCR)系统的车辆进行测试,3辆试验车均符合日本新长期排放法规的限值要求。随着催化剂性能的老化,这些试验车辆会排放出大量的氮氧化物(NOx)。SCR催化剂性能老化的原因之一是碳氢化合物中毒,而这可以在运行30min后,或是在更高负荷的运行工况下得以恢复。通过抑制SCR系统前段氧化催化转化器的性能老化以促进NO2形成,可以改善车辆在行驶10万km或更长里程后的NOx排放性能。     

针对欧4及未来法规的发动机高效排气后处理解决方案

重型载货车辆欧4法规在实施瞬态和稳态试验的尾气氮氧化物(NOx)排放限值时,还对氨(NH3)排放有所限制。为满足法规要求,有几种可能的策略,包括发动机管理措施,以及采用以NH3作为还原剂的NOx催化后处理措施。根据试验数据,对排气后处理系统的整体性能及安装,以及运行成本等一系列重要问题进行了阐述和讨论。还讨论了欧5及未来排放法规的相关因素。发动机以高废气再循环(EGR)率运行是在几乎没有NOx催化还原后处理情况下满足欧5法规的可能路径之一。将EGR与仅采用选择性催化还原(SCR)解决方案的无EGR发动机作了对比。此外,还说明了通过使用氨逃逸催化器或改善尿素剂量控制策略来减小SCR催化器尺寸的可能性。通过在同一系统上进行的对比试验给出了不同尿素剂量策略的效果。另一个很重要的方面是后处理系统的热管理和保温,利用试验数据对比进行了说明。最后,对未来法规研究领域的重要性进行了讨论。     

欧5商用车发动机的冷却系统及其部件

贝洱公司开发的(减少柴油机NOx排放对策的)冷却废气再循环(EGR)和间接中冷器(iCAC)系统不需要像选择性催化还原(SCR)那样的排气后处理系统或另建加尿素站,就能满足欧5的排放要求.     

满足低排放车第3阶段排放法规要求的柴油车排气后处理系统的优化研究

采用稀氮氧化物(NOx)捕集器(LNT)+选择性催化还原(SCR)的复合排气后处理系统,使柴油车满足低排放车第2阶段及特低排放车70标准的要求。同时使燃油耗最小化。通过对LNT功能性及LNT+SCR复合排气后处理系统特点进行分析,建立一种不同于现有LNT系统的新型控制策略。在温度不低于200℃的条件下,SCR能够提供最稳定的NOx转化效率。对LNT的浓气再生进行优化,从而减缓其老化,并使燃油耗最小化。在SCR无法净化NOx期间,快速加热策略与原始NOx还原之间的优化匹配使LNT的NOx转化效率达到最大化。研究采用相当于15万mile1全生命周期的台架老化催化剂。在高速公路行驶循环中,SCR的转化率通常很高,此时可通过使LNT的降NOx量最小化及提高发动机燃烧效率来改善燃油经济性。为复合排气后处理系统的优化提供一种解决办法,获得能够满足美国环境保护署(EPA)15万mile排放法规要求的试验结果。还发现,能够满足海平面EPA美国联邦试验工况(FTP-75)排放法规的LNT+SCR系统,也能够满足高海拔条件下高速公路排放法规的要求。     

Development of the On-board Diagnostics Function of SCR After-treatment System for Heavy-duty Diesel Engines

根据国家法规HJ 437-2008中对重型车排放在线故障诊断(OBD)的要求,为重型柴油机分别开发了基于NOx检测和Adblue检测的尿素选择催化还原(SCR)后处理系统的OBD功能,并得到硬件在环仿真试验的验证,其通信模式符合SAE J1939标准.     

车用固体铵SCR系统研究进展

为解决实际车用Urea-SCR系统低温NOx转化效率低和尿素结晶等弊端,国内外一些学者开始研究固体铵SCR系统以改善SCR系统的特性。本文对比分析了SCR系统氨气前驱体分别为32.5%尿素水溶液和固体铵盐的优劣。阐明了固体铵SCR系统的反应原理,及在排放法规日益严格的社会背景下,该技术在降低柴油汽车尾气NOX排放的优势。并详细介绍了车用固体铵氨气直喷SCR尾气后处理技术的国内外研究进展及其应用情况。最后对固体铵SCR系统的深入研究提出了建议。     

重型柴油机达国Ⅳ SCR试验研究

为满足不断加严的柴油机排放限值要求,采用SCR技术降低NOx排放水平满足国Ⅳ要求.通过对SCR温度、空速特性的研究,提出尿素喷射稳态控制、瞬态修正策略,并通过1 000 h耐硫老化性试验,验证SCR技术是适合我国国情的排放解决方案.     

装配SCR系统的北京城市公交车NOx排放特性

利用车载测试系统,对北京城市公交典型车辆进行了整车排放测试.以SCR的起燃特性为理论基础,分析了装配SCR的国Ⅳ常规车及国Ⅳ混合动力车NOx排放偏高的原因.并分析了排气温度对NOx排放的影响.研究结果表明:SCR技术的应用能一定程度上降低NOx排放量,200℃及以上排气温度的所占比例非常低,导致NOx转化率偏低,NOx排放偏高;应提高城市公交排气温度(如排气加热系统等)或提高SCR的低温转化效率.     

国产车用尿素可替代性试验研究

使用商业钒基SCR催化转化器和某国Ⅳ重型柴油机,在AVL发动机台架上对3种国产车用尿素进行了相互替代性试验,研究中考虑了不同尿素对SCR催化转换器的起燃特性、动态响应、NOx转化率和NH3泄漏等性能的影响。试验排气温度为160～440℃,n(NOx)∶n(NH3)(物质的量之比)从0.8变化到1.2。研究发现:相同条件下3种尿素对SCR系统起燃温度基本没有影响,ESC和ETC循环NOx转化率都在70%以上,同时对其他常规气态排放和NH3泄漏没有明显影响,可以互相替代使用;相同条件下,单位体积尿素溶液中尿素含量越高,SCR系统动态响应越快,ESC和ETC循环NOx转化率越高。     

重型柴油机尿素-SCR闭环控制系统的研究

针对重型柴油机尿素选择催化还原(SCR)后处理装置,提出了基于NOx传感器的闭环控制系统,介绍了该系统的硬件结构和控制策略.ESC和ETC循环试验表明,该控制系统能在不使用氨氧化催化剂的条件下使NOx排放和NH3泄漏量达到重型柴油车国V排放标准.     

重型柴油机达国IV SCR试验研究

为满足不断加严的柴油机排放限值要求,采用SCR技术降低NOx排放水平满足国IV要求。通过对SCR温度、空速特性的研究,提出尿素喷射稳态控制、瞬态修正策略,并通过1000h耐硫老化性试验,验证SCR技术是适合我国国情的排放解决方案。     

SCR控制策略研究

在自开发选择性还原(SCR)系统供给计量泵和电控系统的基础上进行了SCR控制策略研究.根据SCR系统降低柴油机NOx排放的原理,进行SCR电控系统方案设计和控制策略研究,设计了SCR系统总体工作流程.基于开环控制原理设计了目标尿素需求计量策略,根据状态转移机制设计了计量泵状态及故障跳转管理策略.测试结果表明,该系统运行...     

前置DOC对SCR系统柴油机NO_x排放的影响

对装配前置DOC和无DOC的SCR系统柴油机进行稳态和瞬态试验,研究了前置DOC在不同循环状态下对NOx排放的影响。结果表明:前置DOC能显著提高SCR入口处NO2与NOx的体积比V(NO2)∶V(NOx),加速SCR反应,提高NOx转化效率,改善NOx排放;在ESC非怠速工况下,DOC对V(NO2)∶V(NOx)的影响会随着排气中氧含量和排气温度、空速的提高逐渐降低;温度超过一定范围时,NH3对O2的选择性突然提高,V(NO2)∶V(NOx)对NOx转化效率的影响将减小;DOC内氧化反应产生的热量有限,不足以提高SCR入口处排气温度,而DOC陶瓷载体的储热特性在瞬态循环下会对SCR入口温度产生一定影响,但这并不是改善NOx排放的主要原因。     

2011年轻型车和重型车用发动机排放控制回顾

回顾2011年轻型车和重型车用发动机排放法规和排放控制技术的重要进展。首先,介绍该领域排放法规的制定情况,包括收紧的美国加利福尼亚州常规污染物排放标准草案、欧洲最新的直接喷射汽油机颗粒数排放法规,以及试验循环的发展和在用车试验方法的探讨。对美国提出的2017—2025年轻型载货车温室气体排放法规草案和首次定案的2014—2017年重型载货车温室气体排放法规作了评述。介绍了包括柴油机和汽油机在内的轻型车和重型车用发动机技术在控制排放方面的主要进展。排放控制面临的挑战包括柴油机和稀燃汽油机需要依靠稀氮氧化物(NOx)治理来满足正在推出的NOx和温室气体排放法规。总结了几种NOx控制技术的研发情况,包括采用氨的选择性催化还原(SCR)和以碳氢为基础的NOx控制方法,其中还涉及一氧化二氮排放的问题。经各种认证试验循环显示,这些技术平均能达到95%以上的降NOx效率。介绍了正在开发的能降低背压并与SCR实现一体化的柴油颗粒捕集器新材料。然后,概要介绍了柴油氧化催化转化器的发展状况,主要涉及一氧化氮氧化成二氧化氮随催化剂配方和碳氢氧化参数的变化。最后,讨论了汽油机排放控制的某些重要进展,包括先进的三效催化转化器在分区涂敷技术和节省贵金属方面的进步,以及硫对新配方的影响,另外,还对汽油颗粒捕集器技术作了简要介绍。