不使用尿素溶液的氮氧化物及顆粒減排后處理系統的開發

【日】 細谷満 木村昌裕 大井寛 佐藤信也 平林浩

0 前言

由于柴油機在熱效率方面具有優勢，CO2排放量少，燃油耗低，因此被廣泛用作商用車的發動機。另一方面，基于對環境保護及人體健康的密切關注，同樣也要求能降低柴油車的氮氧化物（NOx）及顆粒（PM）排放量。為進一步減少廢氣排放，必須在進一步改進發動機以降低其自身廢氣排放的同時，充分利用排氣后處理技術來減少車輛的廢氣排放。

在日本及歐美等先進國家，大型柴油商用車的排氣后處理裝置一般會采用柴油機顆粒捕集器（DPF）＋尿素選擇性催化還原（SCR）系統的組合。雖然這一技術現已進入實用化階段，但仍存在供應尿素溶液的基礎設施不完善的課題。為解決這一課題，日野汽車公司開發了一種整體型催化轉化系統，將燃油作為反應促進劑，可以同時降低NOx及PM排放。

1 開發目標

與大型柴油商用車不同，中小型柴油商用車多數在市區道路等較為狹窄的區域行駛，如使用傳統的DPF＋SCR系統作為后處理裝置，就需要有足夠數量的尿素溶液供應設施，而在日本，目前能供應尿素溶液的加油站僅占總數的6%左右，尿素溶液的供應設施基本還處于不完善的狀態。另一方面，隨著經濟的發展，新興國家的車輛保有量劇增，隨之而來的是大氣環境出現惡化趨勢，為此，必須盡早引進相關的環保技術。然而，同樣也是由于供應尿素的基礎設施不夠完善，迫切要求能開發出不使用尿素溶液的車用排氣后處理系統。此外，由于傳統尿素SCR系統的體積較大，部分中小型柴油商用車也無法配裝這一系統。為解決上述問題，日野汽車公司的研究人員開發了結構緊湊的整體型催化轉化系統，將燃油作為反應促進劑，可以同時降低車輛的NOx及PM排放。

2 技術內容

新開發的NOx及PM減排后處理系統的最大特征就是不使用尿素溶液，能在同一個催化轉化器中同時降低NOx及PM排放。由于該系統是使用柴油降低排氣中的NOx，同時使DPF中捕集的碳煙燃燒再生，因此不需要任何供應尿素溶液的裝置。并且，與傳統柴油車相同，配裝新系統的車輛只須加注柴油即可行駛。新開發的排氣后處理系統由后置渦輪催化轉化器（ATC）、燃油添加閥、前段氧化催化轉化器、DPF，以及后段氧化催化轉化器構成。使用燃油添加閥，向安裝催化劑的轉化器中供給作為NOx還原劑的柴油燃料。根據催化轉化器中溫度傳感器及NOx傳感器的輸出信號，發動機電控單元（ECU）能精確地推斷催化劑的工作環境，并實施優化控制，以確定最佳的燃油添加量，最大限度地降低NOx排放。另外，為了縮短DPF的再生時間，必須在以升溫模式運轉時，快速升高氧化催化轉化器的溫度。因此，在發動機渦輪出口下方設置ATC，以促進ATC中催化劑的早期活化，與向排氣管中添加燃油的方法相結合后，可大幅縮短DPF中的PM燃燒再生時間。

圖1示出了同時降低NOx及PM排放的催化劑反應機理。在PM的氧化反應中，氧化鈰中的活性氧降低碳煙氧化的開始溫度，促進PM的氧化燃燒。進而，在降低NOx排放的反應中，由于氧化鈰中活性氧的作用，促進作為反應媒介物的含氧化合物的生成，從而提高系統降低NOx排放的性能。

3 開發成果

針對DPF中所用催化劑的PM氧化性能，采用熱重-質譜儀，測試涂覆鉑顆粒的氧化鈰催化劑的PM燃燒特性。由結果可知，相比傳統使用鉑-氧化鋁催化劑的DPF（PM燃燒溫度650℃），使用鉑-氧化鈰催化劑的DPF的PM燃燒溫度僅480℃，大幅改善了PM燃燒再生性能。

在降低NOx排放方面，鉑催化劑的改進效果示于圖2。在200～250℃條件下，能夠確保新系統降低NOx排放的性能與傳統尿素SCR系統的不相上下。由此，可在低溫條件下將降低NOx排放的催化劑活性由40%提高到80%。

圖3為車輛采用新開發的NOx及PM減排后處理系統后，在市區道路行駛工況下的減排效果。新系統使用同一個催化轉化器，不僅可以降低NOx及PM排放，而且還能大幅降低非甲烷碳氫化合物（NMHC）及CO的排放量。

新開發的NOx及PM減排后處理系統也被稱為“HC-SCR系統”。與采用傳統尿素SCR系統的車輛相比，采用HC-SCR系統的車輛由于無須安裝尿素溶液罐、尿素供給裝置，以及SCR催化轉化器等，系統結構更為緊湊，配裝性能好，可以滿足用戶多樣化的使用需求。與傳統4t級商用車的尿素SCR系統相比，新系統的成本降低30%，質量減輕80kg，體積（占用空間）減少50L。自2010年起，新系統已配裝于日本國內的中小型商用車，到目前為止，其產量已超過10.7萬臺。

4 結語

此次新開發的排氣后處理系統是為了滿足日本國內后新長期排放法規的限值要求，今后也同樣可以適用于計劃引入更嚴格排放法規的新興國家市場，有望在以亞洲各國為首的缺乏尿素溶液供應基礎設施的新興國家中推廣應用。