柴油機排放后處理系統(tǒng)的含義及發(fā)展

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重型柴油車的國六排放標準

隨著國家“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的實施,環(huán)保升級“迫在眉睫”，柴油車排放標準升級如同箭在弦上。對于重型車而言,無論是壓燃式還是氣體點燃式柴油機,要想滿足史上最嚴苛的國六排放標準,都必須在發(fā)動機后處理上進行大規(guī)模的技術升級。新國標中的發(fā)動機標準循環(huán)排放限值見表所列。

發(fā)動機標準循環(huán)排放限值

柴油機穩(wěn)態(tài)工況(ESC/WHSC)下國三到國六排放標準中最主要污染物NOx與PM限值的主要變化是:氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)排放限值和國五相比分別提高了77%和67%,增加了粒子數(shù)量(PN)排放限值要求;變更了污染物排放測試循環(huán)，發(fā)動機測試工況從歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)和歐洲瞬態(tài)循環(huán)(ETC)改為更具有代表性的世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán)(WHSC )和世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)。

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柴油機排放后處理系統(tǒng)的含義及發(fā)展

新國標中對柴油機排放后處理系統(tǒng)的定義為:催化器(氧化型催化器、三元催化轉換器及任何氣體催化器)、顆粒捕集器,除氮氧系統(tǒng)、組合式降氮氧系統(tǒng)的顆粒捕集器，以及其他各種安裝在發(fā)動機下游的削減污染物的裝置。

通常為了降低重型柴油車氣態(tài)污染物和顆粒污染物的排放,一般會采用以下兩種方式:一是利用發(fā)動機機內凈化從根源上減少污染物的產(chǎn)生;二是通過增加后處理系統(tǒng)盡可能地將產(chǎn)生的污染物通過化學反應消除掉。

對采用清潔高效的缸內燃燒控制技術,減少發(fā)動機的原始污染物排放是發(fā)動機開發(fā)工作中最重要、最基本的工作。利用發(fā)動機機內凈化可以有效控制顆粒物的排放,能滿足國三排放法規(guī)。要滿足國四、國五排放法規(guī),必須采用后處理技術，主要通過采用選擇性催化還原技術(SCR)利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進行處理。到了國六階段，需要多種技術共同配合,是對發(fā)動機和后處理系統(tǒng)的再一次革命,發(fā)動機本體再次發(fā)生變化,需要引入渦輪增壓和更高的壓力共軌系統(tǒng)，后處理系統(tǒng)中還要增加柴油顆粒捕捉器(DPF)來降低懸浮顆粒個數(shù)等,雖然各廠商技術路線出現(xiàn)分化,但SCR+DPF成為標配。

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國六標準重型柴油車排放主流后處理技術路線

目前，主流的國六標準重型柴油車排放后處理技術路線是:氧化型催化轉化器(DOC) +柴油顆粒捕捉器(DPF)+選擇性催化還，原轉化器(SCR) +氨逃逸催化器(ASC),詳細分析如下。

(1)氧化型催化轉化器(DOC)。DOC主要用來降低廢氣中碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)的含量。通過在DOC內使用氧化催化劑(貴金屬涂層,如鉑、鈀等組成),加速一氧化碳(CO)和碳氫化合物(HC)在此完成氧化反應,生成二氧化碳(CO2 )和水(H20)。并促使氮氧化物(N0,)中的一氧化氮(NO)和氧氣(02)反應生成二氧化氮(NO2),并釋放熱量。國六柴油機配備DOC的原因一方面是國六標準對C0和HC排放要求更加嚴格;另一方面國六標準對NOx原排(后處理器前濃度)就有要求，將N0x原排降下來, C0和HC排放就會高些,而且通過DOC的內部反應提升排氣溫度,促進下游DPF和SCR的反應。匹配DPF的DOC的可處理95%的CO、處理80%左右的HC和處理PM中80%以上的SOF (可溶性有機物), DOC結構如圖所示。

氧化型催化轉化器結構示意

如果柴油中的硫含量過高,會使硫和水反應生成硫酸或亞硫酸,造成DOC損壞。

(2)柴油顆粒捕捉器(DPF)。DPF主要用來降低尾氣中顆粒物(PM)的含量,其作用簡單理解就是將大小微粒物都過濾掉的裝置(如下圖所示)。DPF是以堇青石或碳化硅為原料的一種壁流式蜂窩陶瓷,過濾式的陶瓷本體由許多細小的平行孔道所組成;這些平行的孔道之間是由通氣性的孔壁分隔，一端開放,一端堵塞,過濾器孔壁中的微孔可讓廢氣分子通過,黑煙顆粒由于粒徑比較大,而無法通過微孔，被過濾在陶瓷孔壁表面，進而達到消除黑煙的效果。同時,可溶性有機成分SOF (主要是高沸點HC)也能部分被捕集。

柴油顆粒捕捉器

攔截下來的顆粒物絕大多數(shù)是可以被燒掉的碳煙,其燃燒溫度約為550 ℃~700℃。顆粒物在DPF上附著會使廢氣的通過性能降低，從而使發(fā)動機的排氣背壓升高,造成發(fā)動機功率下降,因此必須定時再生和更換DPF濾芯。

DPF的再生分為主動再生和被動再生。國六發(fā)動機的大負荷再生和通過熱管理系統(tǒng)對進、排氣節(jié)流控制，來提高排氣溫度,使得沉積在DPF壁面的碳煙燒掉,屬于被動再生。主動再生需要約550℃以上才能進行，因此主動再生需要一個額外的噴油器將柴油噴射到排氣管內燃燒,使排氣管內的溫度升高到DPF再生所需的溫度,像濰柴6缸重型柴油機排氣管上設有第7個燃油噴嘴,當排氣背壓達到一定限值(16kPa左右),直接向排氣管噴入燃油(在DOC之前),燃料在DOC內部燃燒后將排氣溫度提高到約600℃,通常情況下大部分顆粒物與其他沉積物都能被燒掉。?？抵匦筒裼蜋C采用各缸噴油器后噴來提高排氣溫度。當需要再生時,各缸噴油器在做功行程末端噴油,作用等同于第7個噴油嘴。

(3)選擇性催化還原轉化器(SCR)。SCR主要將發(fā)動機排氣中的氮氧化合物(NOx)轉化為氮氣和水,降低NOx排放量。在高溫環(huán)境下，尿素噴射單元向排氣管中噴射尿素水溶液(一種尿素濃度為32.5%的尿素水溶液),尿素在高溫下水解放出氨氣,氨氣在SCR催化器中與尾氣中的氮氧化物發(fā)生反應，生成氮氣和水。SCR是目前為止降低氮氧化物含量最有效的的手段。

(4)氨逃逸催化器( ASC)。ASC裝在SCR后端,通過催化氧化作用降低SCR后端排氣中泄漏出的氨。

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結論

對于重型柴油車,目前主要的排放控制技術是DPF與SCR的組合。未來的后處理系統(tǒng)要具有超高的轉化效率、緊湊的設計、超低的購買成本和使用成本,主要方向是提高DPF再生時的燃油經(jīng)濟性和改善SCR技術的低溫特性,以及滿足SCR技術的新型催化劑和還原劑,實現(xiàn)更加清潔和經(jīng)濟的燃燒。

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