重型柴油機(jī)國(guó)排放計(jì)算及排放物處理技術(shù)方案研究

重型柴油機(jī)國(guó)排放計(jì)算及排放物處理技術(shù)方案研究

對(duì)于節(jié)能和co排放，包括發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的所有燃料發(fā)動(dòng)機(jī)都無(wú)法替代。柴油機(jī)排氣中有PM,NOx,HC和CO等有害污染物,其中PM和NOx是排放法規(guī)的主要控制對(duì)象。為減輕柴油機(jī)對(duì)大氣環(huán)境的污染,各國(guó)排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格。在發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況范圍內(nèi),僅采用機(jī)內(nèi)措施降低PM和NOx排放已逐漸趨于極限,只有對(duì)柴油機(jī)排氣采取后處理凈化措施,才能滿足未來(lái)更為嚴(yán)格的排放法規(guī)。目前常用的排氣后處理技術(shù)主要有針對(duì)PM的氧化催化轉(zhuǎn)化器DOC、顆粒捕集器DPF,針對(duì)NOx排放的選擇性催化還原技術(shù)SCR、稀燃NOx捕集技術(shù)LNT或者NAC、稀薄NOx催化LNC等,廢氣再循環(huán)EGR并非嚴(yán)格意義上的后處理技術(shù),但它是降低NOx排放的重要技術(shù),并且和廢氣直接相關(guān),也列入討論范圍。要滿足柴油機(jī)歐Ⅴ(或US2010)排放法規(guī),僅靠單個(gè)排氣后處理技術(shù)無(wú)法滿足要求,需要采取不同后處理技術(shù)的組合措施。這對(duì)我國(guó)柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅴ排放具有參考價(jià)值。1循環(huán)下限高、過(guò)渡時(shí)間和排放限值目前世界上已形成以美國(guó)、歐洲、日本為代表的三大排放法規(guī)體系,其他各國(guó)基本上是采納其中一種。圖1和圖2示出歐美及中國(guó)重型柴油機(jī)PM和NOx的部分排放法規(guī)限值的對(duì)比。圖中歐洲和中國(guó)采用的是歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)下的限值,美國(guó)采用的是瞬態(tài)工況標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)下的限值。由圖1和圖2可以看出:美國(guó)由US2002至US2010,NOx排放限值由5.36g/(kW·h)降低到0.27g/(kW·h),減少95%,PM排放限值由0.13g/(kW·h)降低到0.013g/(kW·h),減少90%,過(guò)渡時(shí)間為8年;歐洲從2000年的歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)到2008年的歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn),NOx排放限值由5.0g/(kW·h)降低到2.0g/(kW·h),減少60%,PM排放限值由0.1g/(kW·h)降低到0.02g/(kW·h),減少80%,過(guò)渡時(shí)間為8年;我國(guó)自2007年國(guó)Ⅲ(歐Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)到2012年的國(guó)Ⅴ(歐Ⅴ)標(biāo)準(zhǔn),過(guò)渡時(shí)間僅為5年。日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)推動(dòng)著國(guó)內(nèi)柴油機(jī)技術(shù)和燃油制備技術(shù)的迅速發(fā)展,同時(shí)也使其面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。2柴油排放的主要影響因素是so2、pm柴油機(jī)排放的廢氣中,N2約占75.2%,CO2約占7.1%,O2及其他成分約占16.89%,有害排放物約占0.81%。有害物中,NOx占35.4%,CO占35.3%,HC占8.54%,SO2及PM等占20.76%。車(chē)用柴油機(jī)主要有害排放物為PM和NOx,而CO和HC排放較低。控制柴油機(jī)尾氣排放主要是控制PM和NOx生成,降低PM和NOx的直接排放。PM主要在擴(kuò)散燃燒期富油區(qū)生成,是高溫缺氧產(chǎn)物;其組分為干炭煙(Soot),可溶有機(jī)成分(SOF),硫酸鹽和其他成分。NOx是空氣中O2和N2在高溫燃燒條件下反應(yīng)生成的,是高溫富氧的產(chǎn)物。PM和NOx之間存在折中效應(yīng)(trade-off)。因此,在柴油機(jī)排放已經(jīng)很低的情況下,繼續(xù)減少柴油機(jī)NOx和PM排放存在很大困難,組合式排氣后處理系統(tǒng)的出現(xiàn)成為必然(見(jiàn)圖3)。3scr+dpf組合技術(shù)在柴油機(jī)組合式排氣后處理系統(tǒng)中,有以下3種方案較為典型:a)SCR+DOC+DPF/POC組合技術(shù);b)EGR+DOC+DPF組合技術(shù);c)LNT+DOC+DPF組合技術(shù)。3.1柴油的后處理和性能利用排氣后處理措施降低有害物排放,可有效保證柴油機(jī)的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。PM的主要后處理措施有DOC,DPF和POC;而NOx后處理通常采用SCR技術(shù)。3.1.1凈化排氣中的二環(huán)芳香烴和乙醛柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器(DieselOxidationCatalyst,DOC)是凈化排氣中的未燃HC,CO和SOF的常用有效措施,同時(shí)也可以有效去除多環(huán)芳香烴和乙醛等有害成分。DOC是以鉑(Pt)、鈀(Pd)為催化劑,因此對(duì)燃料中的S特別敏感,很容易引起催化劑中毒,所以DOC一般適用于含S量較低的柴油。3.1.2dpf再生過(guò)程柴油機(jī)微粒捕集器(DieselParticulateFilter,DPF)是目前公認(rèn)的有效的柴油機(jī)微粒后處理技術(shù),它利用過(guò)濾體對(duì)排氣中的PM進(jìn)行過(guò)濾處理,需定時(shí)對(duì)過(guò)濾器內(nèi)的沉積PM進(jìn)行清除,即DPF再生。再生通常采用PM燃燒的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下,PM起燃溫度一般為550~650℃,要高于柴油機(jī)的正常排氣溫度。因此,要使PM燃燒,一是通過(guò)在燃油或者過(guò)濾體表面加入催化劑,降低PM的反應(yīng)活化能,從而降低PM的起燃溫度,在正常排氣溫度下使其氧化,即被動(dòng)再生;二是采用加熱技術(shù)提高柴油機(jī)排氣溫度或過(guò)濾體的溫度,達(dá)到PM起燃溫度,使過(guò)濾體內(nèi)沉積的PM得以燃燒,即主動(dòng)再生。3.1.3catalystpoc過(guò)濾柴油機(jī)微粒氧化催化器(ParticulateOxidationCatalyst,POC)是半通式的過(guò)濾器,POC中的PM在催化劑的作用下被NOx氧化為CO2,從而解決黑煙顆粒問(wèn)題,凈化效果在50%左右。POC質(zhì)量輕、體積小、尺寸可變,易于集成到排氣后處理系統(tǒng)中。3.1.4nh3+2no+2no2o44nh34nh34.34.34.234.234.234.234.234.234.234.234.234.234.234.234.234343434.234.234.234.234.234.234.234.234.234.23.23.23.23.23.23.23.234.234.234.234.234.234.24e5e的選擇對(duì)于排氣中的NOx,目前采用的比較成熟的后處理技術(shù)是利用尿素水溶液(體積分?jǐn)?shù)為32.5%±0.5%),將NOx還原為N2和H2O,即選擇性催化還原技術(shù)(SelectiveCatalyticReduction,SCR)。NH3-SCR在與NOx反應(yīng)時(shí)主要有以下4個(gè)反應(yīng):4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O4ΝΗ3+4ΝΟ+Ο2→4Ν2+6Η2Ο,(1)4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O4ΝΗ3+2ΝΟ+2ΝΟ2→4Ν2+6Η2Ο,(2)6NO2+8NH3→7N2+12H2O6ΝΟ2+8ΝΗ3→7Ν2+12Η2Ο,(3)4NH3+3O2→2N2+6H2O4ΝΗ3+3Ο2→2Ν2+6Η2Ο。(4)反應(yīng)(1)為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng),由于排氣中的NO與NO2的比例一般在9∶1以上,此時(shí)SCR催化器中主要發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。反應(yīng)(2)稱為快速SCR反應(yīng),研究表明,此反應(yīng)可以在較低溫度下進(jìn)行,并且在較低溫度下反應(yīng)速率是標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)的17倍。提高NOx中NO2的比例可以使SCR在較低溫度下發(fā)生快速SCR反應(yīng),有利于提高NOx轉(zhuǎn)化率。因此,提高尾氣中NO2的比率是提高SCR轉(zhuǎn)化率的有效途徑。SCR本身對(duì)S不敏感,我國(guó)燃油品質(zhì)較差,含S量偏高,因此SCR適合在我國(guó)使用。但是SCR技術(shù)通常需要前置DOC調(diào)節(jié)NO2比例,或者后置DOC來(lái)處理泄漏的NH3,而DOC一般都是對(duì)S敏感的,這就影響了SCR在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用。只有通過(guò)提高燃油品質(zhì),降低燃油中的S含量來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。為同時(shí)去除排氣中的NOx和PM,需將不同排氣后處理技術(shù)合理結(jié)合。3.1.5兩種后處理方案的對(duì)比DOC+DPF+SCR的布置方案見(jiàn)圖4。DOC在組合式排氣后處理系統(tǒng)之前,可以將排氣中的CO,HC和PM氧化成CO2和H2O,有效降低PM,所以可以在機(jī)內(nèi)優(yōu)化燃燒的情況下只采用DOC來(lái)達(dá)到PM排放標(biāo)準(zhǔn)。另外DOC可以將部分NO氧化為NO2,從而提高NOx轉(zhuǎn)化速度。本研究只對(duì)SCR+DOC+DPF系統(tǒng)進(jìn)行分析。方案一的優(yōu)點(diǎn)是有利于DPF再生,可以有效地利用NO2的被動(dòng)再生作用,減少有源再生的次數(shù),提高整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性;缺點(diǎn)是DPF有源再生時(shí)的高溫與熱應(yīng)力將影響SCR。因此,要求SCR的催化劑不僅低溫時(shí)有較高的NOx轉(zhuǎn)化效率,而且具有較好的高溫穩(wěn)定性。另外在冷起動(dòng)時(shí)SCR進(jìn)口排氣溫度很低,使NOx排放增加。方案二的優(yōu)點(diǎn)是可以減少SCR的加熱時(shí)間,從而減少冷起動(dòng)和低負(fù)荷工況下的NOx排放,此外,由于DPF后置,DPF主動(dòng)再生時(shí),降低了燃料燃燒峰值熱應(yīng)力對(duì)SCR的影響;其缺點(diǎn)是排氣到達(dá)DPF時(shí)溫度低,不利于DPF的被動(dòng)再生,從而增加了有源再生的次數(shù),使燃油消耗率增加。兩種排氣后處理方案在不同的溫度下NOx轉(zhuǎn)化效率見(jiàn)圖5。當(dāng)溫度低于180℃時(shí),方案一的NOx轉(zhuǎn)化效率高,即DPF前置,SCR后置;當(dāng)溫度在180~240℃時(shí),方案二的NOx轉(zhuǎn)化效率高。方案一中由于排氣到達(dá)DPF時(shí)溫度較高,利于DPF的再生。Urea在DPF之后噴射入噴氣管中,進(jìn)行快速SCR反應(yīng)。但由于排氣溫度可能過(guò)低,導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率降低。方案二對(duì)DPF的再生提出了更高的要求。研究發(fā)現(xiàn),采用SCR與DPF集成技術(shù)在多種發(fā)動(dòng)機(jī)多種測(cè)試工況下對(duì)NOx和PM的轉(zhuǎn)化率可以同時(shí)達(dá)到75%~90%,并且對(duì)HC,CO的減排也有很好的效果,經(jīng)過(guò)合理優(yōu)化的SCR+DPF后處理系統(tǒng)在各種測(cè)試工況下都可滿足目前嚴(yán)格的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。3.1.6重型車(chē)pm排放技術(shù)路線對(duì)比由于POC需要較高的再生溫度,因此通常需要與DOC配合使用。相對(duì)于DOC+DPF系統(tǒng),DOC+POC系統(tǒng)成本低,在輕型柴油機(jī)中有一定的應(yīng)用前景,但用于重型柴油機(jī)仍需面對(duì)一系列問(wèn)題,主要是POC凈化PM能力有限,使用時(shí)間較長(zhǎng)后PM凈化效果較差,而法規(guī)對(duì)于重型車(chē)PM排放要求比較嚴(yán)。SCR+DOC+DPF/POC技術(shù)路線的燃油經(jīng)濟(jì)性好,而EGR+DPF路線的燃油消耗率相對(duì)增加1%~2%,在歐Ⅴ階段歐洲幾乎所有重卡公司都采用SCR+DPF路線。由于美國(guó)燃油價(jià)格較低,尿素供應(yīng)系統(tǒng)及其相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尚未健全等因素,美國(guó)US2007階段主要采用主動(dòng)再生EGR+DOC+DPF技術(shù)來(lái)滿足排放法規(guī)。3.2egr-dopf集成技術(shù)3.2.1egr對(duì)燃油及煙度的影響廢氣再循環(huán)(ExhaustGasRecirculation,EGR)是目前降低柴油機(jī)機(jī)內(nèi)NOx生成的一種有效措施,冷卻EGR系統(tǒng)是在EGR的基礎(chǔ)上,對(duì)廢氣冷卻后再進(jìn)入下一循環(huán),使進(jìn)氣充量的溫度降低,節(jié)流損失降低,新鮮進(jìn)氣充量相應(yīng)有所增加,過(guò)量空氣系數(shù)增大。另外,混合氣溫度降低使滯燃期有所增加,同時(shí)放熱率曲線和放熱率峰值相位后移,燃燒最高溫度降低。因此,相對(duì)于普通EGR系統(tǒng),采用冷卻EGR有利于降低NOx排放及煙度,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有更進(jìn)一步的提高,是今后降低柴油機(jī)排放的一個(gè)重要方向。但EGR系統(tǒng)在降低NOx的同時(shí)將導(dǎo)致過(guò)量空氣系數(shù)下降,并對(duì)混合氣的形成和燃燒進(jìn)程產(chǎn)生不利影響;隨著EGR率的增加,過(guò)量空氣系數(shù)降低,燃油經(jīng)濟(jì)性變差;并且發(fā)動(dòng)機(jī)能發(fā)出的最大有效壓力pme隨EGR率的增加而有所減小;另外,隨著EGR率的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣煙度也隨之增加。因此,采用該技術(shù)路線滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的先進(jìn)柴油機(jī)應(yīng)綜合考慮排放、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等因素,選取冷卻EGR系統(tǒng)的最優(yōu)EGR率,加置排氣后處理系統(tǒng)去除產(chǎn)生的PM。3.2.2排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩性能的影響柴油機(jī)EGR+DOC+DPF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖6。通過(guò)EGR與DPF的合理集成,可有效除去排氣中的NOx和PM,但是隨著排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格,EGR的缺點(diǎn)也越來(lái)越明顯:EGR率隨NOx排放限制降低而增高,使燃油消耗率不斷增加;隨著負(fù)荷的增加,EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩性能的影響逐漸顯現(xiàn);含S量過(guò)高的燃油不僅降低EGR的反應(yīng)活性,對(duì)PM排放也有惡化作用。3.3lt+學(xué)術(shù)型dpf組合技術(shù)3.3.1nox-nfp降低NOx的另一個(gè)研究方向是稀燃NOx捕集(LeanNOxTrap,LNT)技術(shù),LNT的NOx吸收率可達(dá)90%以上,與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行合理集成后可有效減少排氣中的NOx。LNT關(guān)鍵部件是具有NOx吸附能力的堿金屬化合物。以含堿金屬鋇(Ba)的吸附材料為例,LNT的工作原理見(jiàn)圖7。ECU通過(guò)分析LNT前后溫度、NOx濃度等傳感器測(cè)得的信號(hào),來(lái)控制LNT進(jìn)行捕集吸附NOx或是還原再生。當(dāng)ECU判斷出LNT載體還未達(dá)到NOx吸附飽和狀態(tài),則控制LNT繼續(xù)捕集吸附NOx,排氣中的NO在金屬Pt的催化作用下被氧化成NO2,然后與吸附劑中的堿金屬Ba反應(yīng)生成較穩(wěn)定的化合物Ba(NO3)2;當(dāng)判斷已達(dá)到飽和狀態(tài),則調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工況使其達(dá)到富燃條件,此時(shí)Ba(NO3)2分解釋放NOx。NOx再通過(guò)金屬Rh,Pt的催化作用與HC,CO和H2發(fā)生還原反應(yīng),生成N2。由圖7可知,燃油中含有的S對(duì)LNT的NOx吸附效率影響極大。S燃燒生成的SO2會(huì)與吸附催化劑發(fā)生類(lèi)似于NO的反應(yīng)而生成更為穩(wěn)定的BaSO4,阻礙LNT對(duì)NOx的吸收。另外,燃燒生成的SO2可與機(jī)油燃燒排放物反應(yīng)生成硫酸鹽。這些硫酸鹽會(huì)增加煙度或覆蓋在催化劑的表面影響催化效果。因此LNT僅適用于低S含量的柴油燃料,或者需要引入S捕集器(LeanSulfurTrap,LST)來(lái)凈化排氣中的S。GordonBartley和MagdiKhair在所作的研究中指出,采用LST技術(shù)捕集燃燒產(chǎn)生的SO2以保護(hù)LNT,可以使LNT在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持較高的NOx吸附效率。試驗(yàn)中用含SO2體積分?jǐn)?shù)為1500×10-6的排氣通過(guò)LNT,未裝LST時(shí)LNT的NOx吸附率經(jīng)過(guò)1.7h后下降到80%,而LNT在LST的保護(hù)下NOx吸附率降到80%需要8h。對(duì)于同樣對(duì)S敏感的DOC和DPF等,也可以加裝LST。3.3.2