中型車用發動機DPR-II排氣后處理系統

【日】 K.HAYASHIZAKI T.JIBIKI K.INOUE Y.KOYANAGI S.TANAKA H.TONGU H.HIRABAYASHI S.SATO

0 前言

柴油機因其熱效率高、CO2排放低、燃油消耗低,被廣泛用作商用車的動力源。隨著環境問題及其對人類健康的影響越來越受到關注,擁有更好的空氣質量成為廣泛需求,迫使柴油機必須通過改進發動機燃燒和排氣后處理技術來進一步減少氮氧化物(NOx)排放。迄今為止,排氣后處理的NOx還原技術已在諸如NOx儲存催化器[1-2]、尿素選擇性催化還原(Urea-SCR)[3-4]和碳氫選擇性催化還原(HC-SCR)[5-6]等方面進行了大量的研究和開發。另一方面,輕型和中型商用車用戶則強烈要求采用除Urea-SCR以外的排氣后處理系統,因為其通常需要提供尿素溶液。HC-SCR因此受到了推崇,因為該系統可以采用柴油作為減少NOx排放的還原劑,而不會損害用戶的便利性。為了充分減少NOx排放,已在改進發動機燃燒和開發HCSCR催化器兩方面開展了大量研究。圖1所示為中型商用車發動機為達到日本國內排放法規而采用的技術。為了符合日本2009年以后的新長期排放法規(JP09),日本國內為中型商用車以原有的柴油顆粒主動還原(DPR)[7-8]為基礎,采用了HC-SCR的NOx還原功能與柴油機低NOx燃燒技術相結合的措施,生產了一種新型DPR[9]。HC-SCR的功能是用柴油作為還原劑產生的催化性能來減少NOx排放,柴油則由定量噴油器提供。另外,為了能在從低到高的寬廣溫度范圍內降低NOx排放,還對催化劑進行了改進。根據這些研究結果,開發了DPR-II中型商用車排氣后處理系統,使車輛符合日本2016年排放法規(JP16)。本文主要介紹DPR-II系統的技術。

圖1 減少中型商用車柴油機NO x和PM排放采用的技術

1 排氣后處理系統

對無需提供尿素溶液、采用柴油作為還原劑的中型商用車HC-SCR排氣后處理系統進行評估時發現,有待解決的主要問題是需要在寬廣的溫度范圍內改善NOx的排放。

1.1 擴大HC-SCR系統中NO x還原溫度范圍的思路

為了還原NOx,在稀薄空氣狀態下發生反應時,HC-SCR的催化劑通常會與作為還原劑的碳氫起反應。然而,碳氫也會與排氣中的氧發生反應,因而必須抑制碳氫反應,并促進其與NOx的反應。當排氣中的NOx和碳氫吸附在催化劑表面后,要想有選擇地觸發活性金屬上的NOx與碳氫發生反應,需要選擇一種具有優良吸附能力的催化涂層材料和一種具有高反應率的活性金屬。圖2為催化劑表面的HC-SCR反應機理(估算情況)。一般來說,貴金屬催化劑在低溫度范圍具有很高的活性,但是,在高溫度下它會增強碳氫的氧化,而在250°C及以上溫度下會減弱NOx的還原,這是一個需要解決的問題。因此就要求采用一種在高溫下具有良好NOx還原性能且幾乎不會消耗碳氫(HC)的活性材料。

圖2 HC-HCR的反應機理

1.2 催化器的結構布置方案

日本2016年排放法規規定了更加嚴格的NOx限值,要求將試驗循環轉換到按全球統一的重型車認證試驗循環和非循環試驗工況進行排放考核試驗,即全球統一的瞬態試驗循環(WHTC)、全球統一的穩態試驗循環(WHST)和全球統一的不得超限排放(WNTE)工況。這就要求排氣后處理系統必須能在寬廣的溫度范圍內達到更高的NOx還原性能(圖3)。催化器的結構配置能做到在第一消聲器處于較低溫度時,以及在下游第二消聲器處于較高溫度時,實現NOx還原。然而,由于在第一消聲器上游添加的柴油幾乎會被第一消聲器中的催化劑全部消耗掉,因此在第二消聲器上設置了1個新的噴油器。此外,還通過優化控制每個噴油器的供油量來協同提升NOx還原性能的試驗研究。

圖3 在HC-SCR催化器中擴大NO x還原活性溫度范圍

1.3 HC-SCR系統的主要研究結果(采用模擬氣體試驗)

圖4所示為試驗裝置示意圖。通過調節氣瓶的氣量和采用代表柴油機排放物的模擬氣體來評定催化器的催化性能。涂覆了各種不同催化劑的蜂窩狀陶瓷基底材料在電爐中被加熱到規定的溫度。利用不分光紅外線(FT-IR)分析儀測定催化器進、出口的氣體含量,據此計算NOx的還原性能。

圖4 用模擬氣體評定催化器的示意圖

采用模擬氣體進行了催化器評定的初步試驗研究,并著重對幾種預計能在高溫下呈現較高NOx還原活性的非貴金屬催化劑進行了試驗。圖5為各種催化劑在HC-SCR反應中能達到的NOx轉換率。在這些催化劑中,由于其能達到較高的NOx還原性能,選擇Ag/Al2O3催化劑。

圖5 各種HC-SCR催化器的NO x轉換率與溫度的關系

在開發這種排氣后處理系統用的催化劑時發現,提高Ag/Al2O3催化劑中Al2O3的比表面積以及促使毫微級銀顆粒高度擴散,能增加這些顆粒的表面積和加速HC-SCR的反應,因而能提升NOx的還原性能。另外,發現Ag/Al2O3催化劑會在還原NOx的同時生成副產品氨(NH3)(圖6)。

圖6 Ag/Al2 O3催化劑的反應機理

在Ag/Al2O3催化器的上游設置了一個屬于NH3-SCR催化器的Cu/ZSM5催化器,結果顯示,NOx的還原性能得到了進一步提高。圖7為第二消聲器中的Ag/Al2O3催化劑和Cu/ZSM5催化劑的NOx還原反應示意圖。

1.4 增強基底材料

在努力提高NOx還原性能的過程中,改善了基底材料的比表面積,并采用了接近圓環形空穴的蜂窩狀結構來保持一定的開口面積比,以促使排氣與催化劑之間得到更好的接觸。表1所示為基底材料的技術規格。基底材料采用六邊形空穴涂覆催化涂層與采用四邊形空穴涂覆催化涂層相比,更有可能獲得接近圓環狀的涂層。圖8所示為基底材料采用傳統四邊形空穴和六邊形空穴時催化涂層的照片。采用六邊形空穴時能提高涂層厚度的均勻性,這有利于增強催化反應和提高氣體的擴散效率。

表1 基底材料的技術規格

圖8 在基底材料六邊形空穴邊角處的催化涂層能得到有效利用

1.5 DPR-II系統的結構

圖9為DPR-II系統的結構布置示意圖。該系統用設置在HC-SCR催化器上游排氣管上的噴油器提供的柴油作為還原劑。發動機控制單元(ECU)會根據發動機的運轉數據,以及溫度傳感器、NOx傳感器和其他傳感器的信息精確估算出催化器的工作狀態。利用這些信息可以預測催化器消耗的燃油量和優化控制要添加的燃油量,以提高NOx的還原性能,抑制過量噴油,以使燃油消耗量降至最低。顆粒物被收集在1個過濾器中。由于這種DPR-II系統無需采用尿素溶液,因而不需要噴射單元和尿素罐,因此也不需要反復充灌尿素,方便用戶使用。

表2所列為DPR-II催化器的技術規格。在第一消聲器中,配置了前-柴油機氧化催化器(F-DOC)和一個過濾器,F-DOC為具有低溫HC-SCR功能的Pt/Pd/Al2O3催化器。在第二消聲器中,配置了Ag/Al2O3HC-SCR催化器和后-柴油機氧化催化器(RDOC),前者用以減少中、高溫度下的NOx排放,后者為具有NH3-SCR功能的Cu/ZSM5催化器。在每個消聲器的上游安裝了噴油器,通過噴入附加燃油參與催化反應減少NOx排放。

圖9 DPR-II系統的結構布置

表2 排氣后處理催化器的技術規格

2 結果和討論

2.1 在發動機試驗臺上的評定試驗條件

在發動機試驗臺上,按照日本2016年排放法規對中型車柴油機(A05C)和不采用尿素溶液的排氣后處理系統(DPR-II)進行了排放考核試驗。發動機按WHTC(瞬態)、WHSC(穩態)和WNTE(非循環運行)工況進行試驗,測定了消聲器進、出口處的排氣成分。表3所列為新開發的試驗用發動機的技術規格。

表3 發動機技術規格

這臺按排放法規進行考核試驗的發動機其特征如表3所示。A05C發動機采用高壓共軌噴油系統,能在高廢氣再循環(EGR)率及過量空氣系數較低的情況下減輕顆粒物的再生,并能在高轉速、噴油時間較短的情況下確保足夠的噴油,因而能使發動機達到較低的燃油耗和良好的動力性。同時,該發動機還依靠諸如網紋氣缸套、低張力活塞環和高置頂環等技術來降低運動件的摩擦損失。采用高EGR率和其他一些措施改進了發動機的燃燒,使發動機自身排放的NOx保持在較低的水平。試驗過程中采用的柴油為日本國內廣泛銷售和使用的JIS2號柴油(硫含量為10 mg/L及以下)。

圖10所示為WHTC瞬態工況和WHSC穩態工況試驗期間SCR催化器進口氣體溫度的變化情況。視發動機的運轉工況而定,催化器溫度的變化范圍為180～360℃。與以前的JE05試驗工況相比,WHTC要求的發動機運轉工況擴展到了轉速和負荷更高的區域,因而就需要改善中、低溫度(180～300℃)范圍的NOx還原性能。相反,WHSC則包括了一些連續以高轉速、高負荷運轉下的工況,這就要求改善排氣流量較高的中、高溫度(250～350℃)范圍的NOx還原性能。

圖10 在WHTC、WHSC和JE05工況試驗時間內SCR催化器進口氣體溫度的變化情況

2.2 WHTC(瞬態)工況下的NO x還原性能

圖11所示為WHTC運轉期間NOx排放濃度的變化情況。由于采用了HC-SCR反應來減少NOx的排放,催化器出口的NOx濃度明顯低于催化器進口的NOx濃度。這就證實,HC-SCR催化器能在瞬態運轉工況下減少NOx的排放濃度。

由于在0～1 200 s運轉期間發動機的轉速和扭矩較低,且SCR催化器進口的氣體溫度在250℃及以下,因而能依靠低溫范圍下的高NOx還原效能和中等溫度范圍下的高催化效率來減少NOx的排放。在1 200 s后,當催化器溫度達到中、高溫度范圍時,則能依靠第二消聲器中的Ag/Al2O3催化劑和Cu/ZSM5催化劑來實現較好的NOx還原效能。試驗結果顯示,所有工況下的NOx還原效率大致在60%左右,PM、非甲烷碳氫(NMHC)和CO的排放也得到了明顯減少。

2.3 WHSC(穩態)工況下的NO x還原性能

圖11 在WHTC試驗期間HC-SCR催化器降低NO x的效果

圖12所示為WHSC試驗期間NOx排放濃度的變化情況。在穩態運行狀態下,HC-SCR催化器反應達到的NOx還原性能也得到確認。在WHSC試驗運行過程中,SCR催化器進口處的氣體溫度為250℃及以上,該溫度正是第二消聲器的活性溫度范圍,因而能依靠Ag/Al2O3催化劑和Cu/ZSM5催化劑來減少NOx的排放。在所有工況下,NOx的還原效率大致在60%左右。

2.4 WNTE非循環試驗工況下的NO x還原性能

圖13為按WNTE試驗工況運行時的發動機運轉區域,評定了排氣溫度較高的3個代表性工況(圖中方框所示的3、6、9工況)的排放性能。圖14為每個工況的NOx排放量(5次排放測量的平均值)。因HC選擇性還原的改進而產生的減少NOx排放的效果在WNTE非循環試驗中也得到了確認,各運轉工況下的平均NOx還原效率大致在50%左右。

排放評定試驗證實,DPR-II系統在中、低溫度范圍內具有較好的NOx還原性能,試驗還證實催化器中的HC-SCR反應能促使NOx還原。這些結果表明,DPR-II系統有望在包括城區和公路等各種行駛條件下改善環境的空氣質量。

2.5 DPR-II系統的耐久性試驗

眾所周知,催化劑長期暴露在高溫環境中以及因活性金屬上沉積顆粒物而導致的工作狀態惡化是催化器性能變差的原因。另外,由柴油和潤滑油中所含的硫或磷引起的催化劑中毒也會導致催化器性能惡化。為此,在排氣溫度、燃油消耗量和潤滑油消耗量最高的標定工況點,對該排氣后處理系統進行了耐久性試驗,以確定催化器中是否會有金屬顆粒物沉積,并分析耐久試驗前后的累計潤滑油耗。

圖12 在WHSC試驗期間HC-SCR催化器的減NO x效果

圖13 WNTE試驗工況1～9的發動機運轉區域

圖14 在WNTE試驗工況下的減NO x效果

圖15為耐久試驗期間NOx還原性能的變化情況。由圖15可見,即使在800 h耐久試驗(相當于行駛80 000 km)后,該催化系統仍然能保持穩定的NOx還原性能,這證明其能在實際行駛中保持足夠的耐久性。利用傳導式電子顯微鏡對耐久試驗后的催化器進行了觀察,結果顯示,金屬顆粒沉積物的凝聚或沉陷得到了抑制。同時,也沒有觀察到因柴油或潤滑油中硫或磷導致的催化劑異常情況。

圖15 DPR-II催化系統的耐久性

3 結論

試驗研究證實,由于將傳統Pt/Pd/Al2O3催化器(新DPR)與Ag/Al2O3催化器一起補充用作HC-SCR催化器,以及采用了下游Cu/ZSM5的NH3-SCR催化器,該排氣后處理系統能在穩態、瞬態和非循環工況等所有運行條件下呈現出較好的NOx還原性能。除了通過改進發動機燃燒來減少NOx排放外,由HC-SCR和NH3-SCR相結合,不采用尿素溶液的DPR-II新排氣后處理系統,能使中型商用車發動機達到日本2016年排放法規的要求。該排氣后處理系統所用的新開發的HC-SCR催化器經受了耐久性試驗。結果證實,其能保持較高的耐久性。