柴油車(chē)后處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

柴油車(chē)后處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2011年，中國(guó)生產(chǎn)841.89萬(wàn)輛汽車(chē)，銷(xiāo)售1850.51萬(wàn)輛汽車(chē)。這再次打破了世界汽車(chē)產(chǎn)量的歷史記錄，成為世界上最重要的汽車(chē)制造商。汽車(chē)在帶給人們生活便利的同時(shí),也帶來(lái)了嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題。監(jiān)測(cè)顯示,中國(guó)城市空氣已由煤煙型污染轉(zhuǎn)為煤煙和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣復(fù)合型污染,一些地區(qū)頻繁發(fā)生的灰霾、酸雨和光化學(xué)煙霧等區(qū)域性大氣污染問(wèn)題與汽車(chē)尾氣排放密切相關(guān)。在人口密集區(qū)域,汽車(chē)尾氣排放直接影響到了人們的健康。汽車(chē)尾氣污染已成為城市大氣污染最突出、最緊迫的問(wèn)題之一。2010年中國(guó)大陸汽車(chē)保有量為7721.7萬(wàn)輛,其中汽油車(chē)6246.8萬(wàn)輛,占80.9%;柴油車(chē)1343.6萬(wàn)輛,占17.4%;燃?xì)廛?chē)131.3萬(wàn)輛,占1.7%。盡管柴油車(chē)的數(shù)量不到汽油車(chē)的1/4,但是氮氧化物(NOx)和顆粒物(particulatematter,PM)這兩種大氣中的主要污染物的排放量主要來(lái)自柴油車(chē)。2010年中國(guó)大陸汽車(chē)一氧化碳(CO)排放3174.6萬(wàn)t,碳?xì)?HC)排放363.5萬(wàn)t,NOx排放536.8萬(wàn)t,PM排放56.6萬(wàn)t,其中柴油車(chē)排出的NOx接近總量60%,PM接近總量的100%;而汽油車(chē)的CO和HC排放較高,超過(guò)總量的70%。與汽油機(jī)相比,柴油機(jī)具有熱效率高、低速轉(zhuǎn)矩大以及功率覆蓋面廣的優(yōu)點(diǎn),因而在車(chē)用動(dòng)力中得到廣泛的應(yīng)用。貨車(chē)幾乎都采用柴油機(jī),城市公交車(chē)和客車(chē)中柴油車(chē)占有相當(dāng)大的比例。在歐洲,50%以上的乘用車(chē)采用柴油機(jī)作為動(dòng)力。與此同時(shí),多國(guó)汽車(chē)排放法規(guī)不斷加嚴(yán),中國(guó)已于2011-07-01開(kāi)始實(shí)施輕型汽油車(chē)國(guó)Ⅳ排放法規(guī),將于2013-07-01起實(shí)施柴油車(chē)國(guó)Ⅳ排放法規(guī)。柴油車(chē)只有采用排氣后處理技術(shù)才能進(jìn)一步降低有害排放物,滿足未來(lái)嚴(yán)格的排放法規(guī)。本文首先對(duì)歐洲、美國(guó)、日本及中國(guó)的柴油車(chē)排放法規(guī)進(jìn)行了闡述,進(jìn)而提出了針對(duì)輕型和重型柴油車(chē)的排放控制技術(shù)路線。在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)常用的柴油車(chē)NOx和PM后處理技術(shù),即NOx選擇性催化還原(selectivecatalyticreduction,SCR)、稀燃NOx捕集器(leanNOxtrap,LNT)、柴油機(jī)微粒捕集器(dieselparticulatefilter,DPF)等涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述,并對(duì)柴油機(jī)后處理技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。1柴油排放法律法規(guī)1.1美國(guó)農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)階段排放限制制度歐洲輕型柴油乘用車(chē)和商用車(chē)的排放法規(guī)有不同的限值,各階段法規(guī)實(shí)施時(shí)間也不同步,其中輕型柴油乘用車(chē)的排放物限值見(jiàn)表1。柴油車(chē)從歐4升級(jí)到歐5,NOx需要降低28%,PM降低80%。從歐5第二階段(Euro5b)開(kāi)始,增加了對(duì)PM數(shù)量的限制,為6.0×1011km-1。從歐5升級(jí)到歐6,NOx需要進(jìn)一步降低55.6%,PM和PN(particulatenumber,顆粒物數(shù)量)的限值保持不變。柴油硫含量對(duì)排放控制有重要影響。從2000年開(kāi)始,歐洲車(chē)用柴油標(biāo)準(zhǔn)要求硫含量不超過(guò)350mg/kg,十六烷值不低于51;2005年硫含量降到50mg/kg;2009年開(kāi)始執(zhí)行無(wú)硫(小于10mg/kg)柴油標(biāo)準(zhǔn)。輕型車(chē)在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上按新歐洲駕駛循環(huán)(NewEuropeanDrivingCycle,NEDC)進(jìn)行排放物測(cè)試。美國(guó)聯(lián)邦1991年發(fā)布了第一階段(Tier1)輕型車(chē)排放法規(guī),從1994年至1997年逐步實(shí)施;2004年開(kāi)始實(shí)施第二階段(Tier2)排放法規(guī)(見(jiàn)表2),從2004年至2009年逐步實(shí)施。第二階段排放法規(guī)的適用范圍在第一階段的基礎(chǔ)上增加了部分車(chē)型,擴(kuò)大到小型乘用車(chē)、輕型皮卡和車(chē)輛總質(zhì)量(grossvehicleweight,GVW)不大于4.54t(1萬(wàn)lb)的中型乘用車(chē)。第二階段法規(guī)根據(jù)污染物排放限值的高低依次把排放水平分成11個(gè)等級(jí),其中8個(gè)為長(zhǎng)期有效,3個(gè)為階段有效(2008年過(guò)期)。生產(chǎn)廠家可以根據(jù)第二階段法規(guī)生產(chǎn)不同排放水平的車(chē)輛,根據(jù)車(chē)型的自身特點(diǎn)有針對(duì)性地降低排放,增加了排放控制的靈活性和選擇性,但所用車(chē)輛總體上要滿足一定的排放限制,即車(chē)隊(duì)平均NOx排放不能大于435mg/km(0.7g/mile)。美國(guó)從2006年6月開(kāi)始供應(yīng)硫含量不超過(guò)15mg/kg的超低硫柴油。輕型車(chē)在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上按聯(lián)邦測(cè)試程序(federaltestprocedure-75,FTP-75)循環(huán)進(jìn)行排放物測(cè)試。美國(guó)聯(lián)邦輕型柴油車(chē)排放法規(guī)對(duì)有害排放物的限制與歐洲的有所差異:一是用非甲烷有機(jī)氣體(nonmethaneorganicgases,NMOG)代替HC,并且與NOx分開(kāi)限制;二是增加了對(duì)甲醛(HCHO)排放的限制。但美國(guó)聯(lián)邦輕型車(chē)法規(guī)還沒(méi)有提出PN的限值。美國(guó)加州的輕型車(chē)排放法規(guī)比美國(guó)聯(lián)邦的更加嚴(yán)格,有3個(gè)階段的排放標(biāo)準(zhǔn),排放水平分為3個(gè)等級(jí),即低排放(lowemissionvehicles,LEV)、極低排放(ultra-lowemissionvehicles,ULEV)和超極低排放(superultra-lowemissionvehicles,SULEV)。2003年采用第一階段LEV標(biāo)準(zhǔn);從2004年至2010年逐步過(guò)渡到第二階段LEVⅡ標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表3,輕型貨車(chē)的載質(zhì)量<3859kg,即GVW<8500lb),從2015年至2025年逐步過(guò)渡到LEVⅢ標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表4)。LEVⅢ標(biāo)準(zhǔn)將NMOG與NOx合在一起進(jìn)行限制,并引入了車(chē)隊(duì)平均排放限制的要求(見(jiàn)圖1);要求整車(chē)耐久性達(dá)到24萬(wàn)km(15萬(wàn)mile)。此外,LEVⅢ標(biāo)準(zhǔn)曾建議將PN限制在1.865×1012km-1以內(nèi),但沒(méi)有被采納。日本輕型車(chē)法規(guī)針對(duì)乘用車(chē)和商用車(chē)制定了不同的排放物限值,兩種車(chē)型的排放物限值均分為兩類,即平均值和最大值。平均值用作型式認(rèn)證限值和所生產(chǎn)車(chē)輛的排放物平均值限值,最大值用作所生產(chǎn)車(chē)輛中每輛車(chē)的最高排放限值以及年產(chǎn)量少于2000輛車(chē)型的型式認(rèn)證限值。表5顯示了日本輕型乘用車(chē)各階段的排放法規(guī)限值。最初使用10工況測(cè)試循環(huán)進(jìn)行排放物測(cè)試,1991年11月開(kāi)始采用10-15工況測(cè)試循環(huán),2005年引入JC08測(cè)試循環(huán),2011年全部實(shí)施JC08循環(huán)。要求柴油硫含量2005年降低到50mg/kg,2007年降低到10mg/kg。中國(guó)大陸汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)基本參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,但實(shí)施時(shí)間滯后6~8年。北京和上海分別于2008和2009年提前實(shí)施了第四階段輕型柴油車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn);北京于2012年實(shí)施第五階段排放標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)大陸范圍內(nèi)第四階段輕型柴油車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)因油品等各種原因,從原計(jì)劃的2011-07-01推遲至2013-07-01實(shí)施。1.2美國(guó)、日本和日本歐洲重型柴油車(chē)不同階段的排放法規(guī)限值及實(shí)施時(shí)間如表6和表7所示。歐Ⅵ法規(guī)將采用世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)(WHSC)和世界統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(WHTC)。WHSC和WHTC測(cè)試循環(huán)比歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)和歐洲瞬態(tài)循環(huán)(ETC)測(cè)試循環(huán)中低負(fù)荷點(diǎn)更多(如圖2和圖3所示),因此排氣溫度會(huì)降低,不利于后處理系統(tǒng)凈化有害排放物。歐Ⅵ法規(guī)附件條款中規(guī)定,在WHSC和WHTC中氨泄漏體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)10×10-6,在實(shí)施過(guò)程中可能會(huì)限制NO2組分的比例。此外,歐VI法規(guī)開(kāi)始對(duì)PN進(jìn)行限制,穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)限值為8.0×1011/km,瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)限值6.0×1011/km。歐Ⅵ法規(guī)規(guī)定在型式認(rèn)證測(cè)試中增加非循環(huán)排放(off-cycleemissions,OCE)測(cè)試,該測(cè)試參照工況區(qū)不超標(biāo)(not-to-exceed,NTE)方法,先在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況平面上劃出控制區(qū),再把控制區(qū)分成若干網(wǎng)格單元,隨機(jī)選擇3個(gè)網(wǎng)格單元并在每個(gè)網(wǎng)格單元中選5個(gè)測(cè)試工況進(jìn)行測(cè)試。美國(guó)聯(lián)邦和加州在1988-2003年間制定了不同的重型柴油車(chē)排放法規(guī)。從2004年開(kāi)始美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)與加州的排放標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,但是加州在2005-2007年間要求進(jìn)行額外的補(bǔ)充排放測(cè)試(13-modesupplementalemissionstest,SET)測(cè)試和NTE測(cè)試。US2004法規(guī)主要是把NOx限值從之前的5.4g/kWh降低到3.22~3.35g/kWh,并提供了兩種可選的限值,其他排放物限值沒(méi)有變化。US2007法規(guī)規(guī)定PM、NOx和NMHC的排放限值分別為13、268、188mg/kWh,要求從2007年完全實(shí)施PM排放法規(guī),從2007到2009年所銷(xiāo)售的車(chē)輛中滿足NOx和HC排放法規(guī)的車(chē)輛要達(dá)到50%,到2010年達(dá)到100%,即為US2010。對(duì)于從2007年到2010年過(guò)渡階段,生成廠家也可以選擇1.609g/kWh作為NOx排放限值(見(jiàn)表8)。US2010法規(guī)的排放限值基于FTP重型車(chē)瞬態(tài)測(cè)試循環(huán),但法規(guī)要求除了FTP瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)外,還需要SET測(cè)試和NTE測(cè)試,SET測(cè)試的限值與FTP的相同,NTE測(cè)試的限值為FTP的1.5倍或1.25倍。為了配合排放控制技術(shù),美國(guó)從2006年開(kāi)始供應(yīng)15mg/kg硫含量的柴油。日本重型車(chē)排放法規(guī)如表9所示,表格中平均和最大限值與輕型車(chē)的含義相同。日本在2005年之前采用13工況和6工況發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試循環(huán),二者均為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)。從2005年開(kāi)始采用JE05(也稱為ED12)瞬態(tài)測(cè)試循環(huán),測(cè)試時(shí)間為1800s,平均車(chē)速為26.94km/h,最高車(chē)速為88km/h。測(cè)試時(shí)需要通過(guò)一定的計(jì)算程序根據(jù)JE05循環(huán)中每秒的車(chē)速來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,然后在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行循環(huán)測(cè)試。中國(guó)的重型柴油車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)也基本參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)。北京于2008年實(shí)施了國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)大陸范圍內(nèi)計(jì)劃于2013-07-01實(shí)施,國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)中NOx的排放限值為3.5g/kWh,ESC和ETC測(cè)試循環(huán)中PM的排放限值分別為20mg/kWh和30mg/kWh。環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)車(chē)載診斷(onboarddiagnostics,OBD)系統(tǒng)技術(shù)要求》(HJ437-2008)規(guī)定在ETC測(cè)試循環(huán)中氨泄漏的體積分?jǐn)?shù)平均值不超過(guò)25×10-6。北京在2012年發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)《車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》的征求意見(jiàn)稿,其中增加了WHTC測(cè)試循環(huán)(冷起動(dòng)循環(huán)和熱起動(dòng)循環(huán)的權(quán)重系數(shù)分別為0.14和0.86),WHTC測(cè)試循環(huán)中第五階段的NOx和PM的排放限值分別為2.5g/kWh和30mg/kWh。北京將于2012年10月1日?qǐng)?zhí)行第五階段排放法規(guī)。關(guān)于車(chē)用柴油的硫含量要求,中國(guó)于2009年發(fā)布的《車(chē)用柴油》標(biāo)準(zhǔn)(GB19147-2009)規(guī)定自2010-01-01起硫含量為350mg/kg。為了配合國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的實(shí)施,環(huán)境保護(hù)部2011-02-14發(fā)布了《車(chē)用柴油有害物質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)》(GWKB1.2-2011),該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ階段柴油硫含量應(yīng)分別不高于50mg/kg和10mg/kg。但由于煉油工藝改造難度大,目前中國(guó)大陸范圍內(nèi)仍未全部實(shí)現(xiàn)350mg/kg。北京制定了車(chē)用柴油地方標(biāo)準(zhǔn),其柴油硫含量的限值比同期中國(guó)大陸范圍內(nèi)的低。中國(guó)大陸及北京柴油硫含量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布?xì)v程如圖4所示。2柴油后處理技術(shù)歐IV排放法規(guī)實(shí)施前,柴油車(chē)主要通過(guò)機(jī)內(nèi)措施,如廢氣再循環(huán)(exhaustgasrecirculation,EGR)、高壓噴射、可變渦輪增壓等,降低有害物排放達(dá)標(biāo)。歐IV及以上法規(guī)實(shí)施后,一般需要采用不同的后處理技術(shù)并結(jié)合機(jī)內(nèi)技術(shù)滿足法規(guī)要求。常用的柴油機(jī)后處理技術(shù)包括SCR、LNT(或稱為NOxstoragecatalyst,NSC)、DPF、顆粒氧化催化轉(zhuǎn)化器(particulateoxidationcatalysts,POC)等。SCR技術(shù)一般默認(rèn)采用NH3作為還原劑,通過(guò)往排氣管?chē)娚淠蛩厮芤韩@得NH3。采用HC燃料作為還原劑的選擇性催化還原技術(shù)稱為碳?xì)浯呋€原(HC-selectivecatalyticreduction,HC-SCR)。為了降低柴油機(jī)排放中的CO和HC,并調(diào)節(jié)NO2在NOx中的比例和提高排氣溫度,柴油機(jī)氧化催化器(dieseloxidationcatalyst,DOC)也得到廣泛的應(yīng)用。為了達(dá)到嚴(yán)格的排放法規(guī)要求,需要綜合使用DOC、DPF、SCR、LNT等后處理技術(shù)。輕型柴油車(chē)和重型柴油車(chē)的應(yīng)用條件、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)都不相同,形成了各自的排放控制技術(shù)路線。2.1scr和lnt的比較輕型柴油車(chē)從歐4到歐6的技術(shù)路線如表10所示。在歐洲、美國(guó)、日本等市場(chǎng),輕型柴油車(chē)普遍采用DPF技術(shù)降低PM排放。從歐4到歐5階段,輕型柴油車(chē)采用EGR、優(yōu)化燃燒等方式,可以不用安裝NOx后處理裝置,只采用DOC和DPF就可以滿足法規(guī)要求。在歐6階段,通常需要增加LNT或SCR技術(shù)。只采用DOC+DPF雖然也可以滿足歐6法規(guī),但是需要大比例EGR,發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性差,目前這條技術(shù)路線的應(yīng)用越來(lái)越少。在歐6階段,SCR和LNT技術(shù)在輕型柴油車(chē)上具有很好的應(yīng)用前景,并形成LNT+DPF和SCR+DPF兩條技術(shù)路線,兩條技術(shù)路線的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表11所示。尿素SCR系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要在于NOx轉(zhuǎn)化效率高、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性好、發(fā)動(dòng)機(jī)控制簡(jiǎn)單。但是該技術(shù)需要在車(chē)上安裝尿素罐、計(jì)量泵等部件,后處理系統(tǒng)成本較高,對(duì)安裝空間的要求也較高,并且需要添加車(chē)用尿素的基礎(chǔ)設(shè)施。LNT技術(shù)需要的安裝空間小,但是NOx轉(zhuǎn)化效率較低,耐硫性差,并且需要精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比。選用何種技術(shù)路線,取決于對(duì)安裝空間、轉(zhuǎn)化效率、燃油經(jīng)濟(jì)性和后處理系統(tǒng)成本的綜合考慮。未來(lái)LNT技術(shù)可能更多用于小排量柴油機(jī),而SCR會(huì)在較大排量的柴油機(jī)上得到更多應(yīng)用。在LNT下游安裝SCR催化劑可以有效綜合這兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。LNT再生時(shí)會(huì)生成NH3,下游的SCR存儲(chǔ)、利用這部分NH3可以實(shí)現(xiàn)部分NOx的還原,不需要額外的尿素噴射系統(tǒng)。LNT復(fù)合SCR技術(shù)可以提高系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率,和LNT技術(shù)相比,節(jié)省了貴金屬的用量,占用空間也較少。這一技術(shù)路線在輕型車(chē)上有非常好的應(yīng)用前景。但是該技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制和后處理匹配設(shè)計(jì)要求非常高,還需要進(jìn)一步研究才能推廣應(yīng)用。目前,中國(guó)柴油硫含量較高,限制了DPF技術(shù)的應(yīng)用。在隨著未來(lái)歐5和歐6排放法規(guī)對(duì)PN的限制,以及柴油硫含量的逐步降低,DPF技術(shù)將在輕型柴油車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。2.2scr和dpf技術(shù)路線對(duì)比在歐IV階段,重型柴油車(chē)主要有兩條排放控制技術(shù)路線:一條是通過(guò)優(yōu)化缸內(nèi)燃燒降低發(fā)動(dòng)機(jī)的PM排放,用SCR控制NOx排放;另外一條是通過(guò)EGR技術(shù)降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的NOx排放,用DPF或POC降低PM。這兩條技術(shù)路線在國(guó)際上都得到成熟應(yīng)用。SCR技術(shù)路線燃油經(jīng)濟(jì)性好,并且具有良好的耐硫性,因此中國(guó)的重型柴油車(chē)在國(guó)Ⅳ階段主要采取這條技術(shù)路線。從歐Ⅳ到歐Ⅴ階段,只需進(jìn)一步降低43%的NOx排放,SCR技術(shù)路線升級(jí)較為簡(jiǎn)單,通過(guò)優(yōu)化SCR后處理系統(tǒng)、提高NOx轉(zhuǎn)化效率就可以實(shí)現(xiàn)。DPF技術(shù)路線升級(jí)則較為困難,為了滿足NOx排放限值,需要提高EGR率,并相應(yīng)地調(diào)整噴油和進(jìn)氣,發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)較大,燃油經(jīng)濟(jì)性惡化更加嚴(yán)重。在歐Ⅵ階段,重型柴油機(jī)排出的PN將被嚴(yán)格限制,POC技術(shù)路線將無(wú)法使用,而壁流式DPF將成為必不可少的后處理技術(shù)。DOC前置把NO部分氧化為NO2,可以提高SCR的低溫轉(zhuǎn)化效率,也可以用于DPF的被動(dòng)再生。此外,DOC氧化反應(yīng)形成的高溫有利于DPF主動(dòng)再生。尿素SCR技術(shù)的NOx轉(zhuǎn)化效率和溫度窗口明顯優(yōu)于LNT、HC-SCR等技術(shù)。由于重型柴油車(chē)用于布置后處理系統(tǒng)的空間較為充裕,可以接受尺寸較大的后處理系統(tǒng),因此尿素SCR技術(shù)將在歐Ⅵ階段的重型柴油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。歐Ⅵ階段一般同時(shí)采用EGR、DOC、DPF和SCR等技術(shù),根據(jù)使用EGR率的不同,形成了多條技術(shù)路線(如圖5)。主流技術(shù)路線是在機(jī)內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)EGR率和燃油噴射將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NOx降低到歐Ⅳ或歐Ⅴ水平附近,在機(jī)外采用SCR將NOx降至歐Ⅵ排放限值以內(nèi)。采用高EGR、高增壓、高噴射壓力的技術(shù)路線,可以將NOx的原機(jī)排放降至歐Ⅵ階段的排放水平,但是發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造難度很大,瞬態(tài)特性和可靠性方面也存在一定問(wèn)題。機(jī)內(nèi)不采用EGR的技術(shù)路線對(duì)SCR轉(zhuǎn)化效率提出了非常高的要求,可行性需要進(jìn)一步研究。3發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力準(zhǔn)備技術(shù)3.1減少影響提高催化劑的配方DOC是目前柴油車(chē)使用最多的后處理裝置,除了能降低CO和HC排放之外,對(duì)DPF和降低NOx的后處理技術(shù)都有重要作用。DOC從功能上可以分成兩類:一類是把排氣中的NO氧化成NO2,提高尿素SCR催化劑的低溫活性和反應(yīng)速率,促進(jìn)DPF被動(dòng)再生的效果;另一類的主要作用是氧化HC等還原性氣體,這既可以降低柴油機(jī)HC和CO排放,又可以在DPF主動(dòng)再生時(shí)氧化HC提高排氣溫度,甚至還可以氧化LNT、HC-SCR和SCR催化劑末端排出的有害氣體,包括HC和NH3等。這兩類DOC催化劑的配方有所不同。提高排氣溫度和排氣中NO2比例對(duì)DPF和SCR都有重要作用,兼顧這兩種效果的DOC將得到廣泛應(yīng)用。DOC氧化NO的轉(zhuǎn)化效率受到反應(yīng)時(shí)間和平衡濃度的限制,如圖6所示。催化劑溫度較低時(shí),NO氧化速率慢,達(dá)不到平衡濃度;催化劑溫度過(guò)高時(shí),由于NO氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng),反應(yīng)平衡限制了NO2的生成。未經(jīng)老化的DOC可以在250℃時(shí)實(shí)現(xiàn)60%左右的NO2/NOx比例。DOC的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟,研究工作主要集中于如何提高轉(zhuǎn)化效率、降低起燃溫度。柴油機(jī)采用低溫燃燒模式后,會(huì)增加HC和CO排放,降低排氣溫度,并減少氧含量,這些都不利于DOC的使用。在歐VI階段,柴油機(jī)的冷啟動(dòng)排放要求高,對(duì)DOC起燃溫度和低溫轉(zhuǎn)化效率提出了挑戰(zhàn)。目前新型DOC起燃溫度可以達(dá)到150~200℃。3.2車(chē)輛管理方面hc-scr的應(yīng)用降低NOx的方法主要包括尿素SCR、LNT、HC-SCR和低溫等離子放電等技術(shù)。尿素SCR和LNT技術(shù)可以滿足車(chē)用柴油機(jī)的使用要求,具備使柴油機(jī)達(dá)到歐VI排放法規(guī)的潛力。HC-SCR技術(shù)的研究一直沒(méi)有間斷,并取得一定進(jìn)展。在中國(guó),由于輕型柴油車(chē)應(yīng)用較少,而重型柴油車(chē)主要采用尿素SCR技術(shù)作為降低NOx的后處理手段。本文將較詳細(xì)地介紹尿素SCR技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)向,對(duì)LNT和HC-SCR作簡(jiǎn)略的概述。3.2.1催化劑的研制以尿素水溶液作為還原劑載體的SCR技術(shù)已成為最為成熟的NOx后處理技術(shù),在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。圖7給出了尿素SCR后處理系統(tǒng)的基本組成。典型的尿素SCR系統(tǒng)包括催化劑、尿素噴射系統(tǒng)以及各種傳感器。尿素水溶液通過(guò)噴射系統(tǒng),定量地噴入排氣管中,尿素分解生成NH3。在SCR催化劑表面,NOx被NH3還原生成N2。尿素SCR的工作過(guò)程從時(shí)空上可以分解為尿素噴霧分解過(guò)程和SCR催化反應(yīng)過(guò)程,這兩部分需要綜合考慮,才能達(dá)到良好地使用效果。尿素SCR催化劑以釩基催化劑和沸石催化劑為主。釩基催化劑具有轉(zhuǎn)化效率高、高效溫度窗口寬、抗硫性好、成本低的優(yōu)點(diǎn),但在溫度高于600~800℃時(shí)會(huì)失去活性。當(dāng)SCR系統(tǒng)和DPF系統(tǒng)耦合(DPF在前,SCR在后)時(shí),由于DPF主動(dòng)再生時(shí)會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間的高溫,這時(shí)需要采用沸石型SCR催化劑。圖8對(duì)比了Fe、Cu沸石催化劑以及礬基催化劑的NOx轉(zhuǎn)化效率,可以看出Cu沸石催化劑低溫性能好,Fe沸石催化劑高溫性能好,礬基催化劑的性能介于二者之間。采用銅鐵復(fù)合的沸石催化劑可以綜合二者的優(yōu)點(diǎn)。柴油機(jī)排氣中NOx含量中90%以上的成分是NO。NH3還原NO的反應(yīng)被稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng),如反應(yīng)式(1)所示。當(dāng)排氣中含有部分NO2時(shí),反應(yīng)速率會(huì)明顯加快。Ciaradelli等人認(rèn)為,此時(shí)的反應(yīng)路徑是NO2和NH3先生成硝酸鹽,之后硝酸鹽和NO發(fā)生氧化還原反應(yīng)。NO和NO2的體積比1∶1時(shí),反應(yīng)速率最快,此時(shí)的總包反應(yīng)被稱為快速SCR反應(yīng),如反應(yīng)式(2)所示。在SCR催化劑上游安裝DOC可以有效地把NO轉(zhuǎn)化成NO2,大幅提高在低溫下(低于300℃)下的NOx轉(zhuǎn)化率(如圖9)。但是在DOC老化后,有可能NO2會(huì)優(yōu)先氧化排氣中的還原氣體,導(dǎo)致排氣經(jīng)過(guò)DOC后NO2的濃度反而降低。理想情況下,尿素溶液在進(jìn)入催化器前可以完全分解,生成的NH3與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣混合均勻。但是在實(shí)際應(yīng)用中,尿素水溶液噴射處和催化劑入口之間的距離很短,在催化劑入口處尿素分解不能充分進(jìn)行,還原劑和排氣混合均勻性也無(wú)法保證,并且會(huì)生成其他副產(chǎn)物。試驗(yàn)表明,在催化器入口處,往往有較多的尿素未分解,造成NH3、HNCO和尿素的混合物進(jìn)入了催化器。尿素分解過(guò)程及其副反應(yīng)如圖10所示。異氰酸活性很高,在150~200℃左右容易和尿素發(fā)生聚合反應(yīng),生成雙縮脲,溫度更高時(shí)可能聚合生成三聚氰酸,并和NH3反應(yīng)生成三聚氰酸一酰胺、三聚氰酸二酰胺、三聚氰胺等。排氣溫度在150℃以下時(shí),結(jié)晶的尿素是沉積物的主要成分。這些沉積物有可能堵塞尿素噴嘴和催化劑載體,影響催化劑活性,增大尿素消耗量,并給SCR系統(tǒng)控制帶來(lái)難度。目前,尿素低溫沉積物問(wèn)題是SCR研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。改進(jìn)尿素噴射質(zhì)量是尿素SCR系統(tǒng)的重要研究領(lǐng)域。通過(guò)改善霧化效果,可以有效促進(jìn)尿素分解,減少沉積物的生成。目前尿素噴射系統(tǒng)有空氣輔助和無(wú)空氣輔助兩種類型?？諝廨o助噴射系統(tǒng)需要使用壓縮空氣,一般用計(jì)量泵控制尿素溶液的噴射量。試驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)果都表明,空氣輔助噴射霧化效果較好。圖11給出了兩種方式噴霧粒徑的試驗(yàn)結(jié)果。無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)通過(guò)尿素泵建立壓力,尿素溶液在高壓下實(shí)現(xiàn)噴霧,不需要壓縮空氣,但是霧化效果較差,噴嘴結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,需要設(shè)計(jì)噴嘴冷卻系統(tǒng)。為了促進(jìn)NH3與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的混和,往往在SCR催化劑之前安裝混合器,數(shù)值模擬和試驗(yàn)表明,采用混合器對(duì)減少沉積物生成、提高SCR轉(zhuǎn)化效率有一定作用。為了避免沉積物的生成,尿素溶液通常在排氣溫度大于200℃甚至250℃時(shí)才開(kāi)始噴射,這限制了SCR系統(tǒng)在低負(fù)荷排氣溫度較低時(shí)的使用。使用尿素水溶液作為還原劑還有其他一些缺點(diǎn),包括在冬天嚴(yán)寒地區(qū)可能結(jié)冰,催化器前NH3的均勻性不好等。因此產(chǎn)生了很多尿素溶液的替代方案,包括固體尿素、銨鹽(如氨基甲酸銨)、氯鹽(如氯化鎂)等儲(chǔ)氨技術(shù)。研究表明,固體儲(chǔ)氨方法可以達(dá)到和尿素水溶液體積儲(chǔ)氨量相當(dāng)?shù)乃?。但?固體儲(chǔ)氨技術(shù)往往需要額外熱源加熱,燃油經(jīng)濟(jì)性受到影響,釋放NH3的響應(yīng)特性等問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。在一些對(duì)排氣溫度低于200℃時(shí)NOx排放較嚴(yán)格的應(yīng)用條件下,綜合使用固體儲(chǔ)氨和尿素水溶液可能是較為可行的技術(shù)路線。還原劑噴射控制策略是SCR應(yīng)用所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。排放法規(guī)要求SCR系統(tǒng)在較寬的溫度范圍內(nèi)保證很高的轉(zhuǎn)化效率,同時(shí)要求氨泄漏量很小。一般而言,達(dá)到歐IV排放法規(guī)要求的SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率應(yīng)在75%以上,達(dá)到歐VI排放法規(guī)要求的SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率應(yīng)高達(dá)90%~95%。為應(yīng)對(duì)嚴(yán)格的排放法規(guī)要求,SCR系統(tǒng)需要精細(xì)控制還原劑的噴射。但是,由于SCR系統(tǒng)涉及到的環(huán)節(jié)眾多,反饋控制困難,進(jìn)一步優(yōu)化控制策略難度很大。3.2.2nox的轉(zhuǎn)化LNT是利用發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃度變化而進(jìn)行周期性的NOx吸附和還原的技術(shù)。LNT催化劑包括Pt等貴金屬和堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物等NOx吸附材料,在柴油機(jī)正常工作時(shí)用催化劑吸附NOx,吸附一定量后柴油機(jī)增大噴油量,在濃混合氣條件下燃燒,產(chǎn)生還原性的排氣氛圍,使得吸附的NOx被還原為N2,催化劑完成再生,基本原理如圖12所示。LNT技術(shù)是輕型柴油機(jī)降低NOx的主流技術(shù),特別適用于空間不足以安裝SCR系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合。一些典型應(yīng)用如圖13所示。LNT可以實(shí)現(xiàn)約70%的NOx轉(zhuǎn)化效率,其轉(zhuǎn)化效率不如尿素SCR的高。如何減少貴金屬用量、提高轉(zhuǎn)化效率是LNT催化劑的研究方向。另一個(gè)研究熱點(diǎn)是增加并控制LNT在加濃時(shí)生成的氨,以便于LNT復(fù)合SCR的應(yīng)用。LNT復(fù)合SCR也存在多種設(shè)計(jì)方案,NOx轉(zhuǎn)化效率最高可以達(dá)到97%,催化劑體積與尿素SCR催化劑相當(dāng)。LNT技術(shù)在中國(guó)應(yīng)用很少。該技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制要求很高,為了控制排氣溫度升高率,保證燃油經(jīng)濟(jì)性,需要對(duì)NOx吸附量有較為準(zhǔn)確的估計(jì),并嚴(yán)格控制進(jìn)氣量、噴油量和加濃頻率。LNT抗硫性差是另一個(gè)制約其應(yīng)用的因素。LNT催化劑在吸附NOx的同時(shí)往往生成硫酸鹽,硫酸鹽熱穩(wěn)定性很高,在催化劑表面不斷累積,需要周期性地在高溫排氣條件下除硫再生。3.2.3乙醇作還原劑HC-SCR技術(shù)使用碳?xì)淙加妥鳛檫€原劑,選擇性催化還原NOx。該技術(shù)一般采用沸石催化劑或銀基催化劑(Ag/Al2O3),成本比較低。沸石催化劑的初始活性較好,但其水熱穩(wěn)定性差、抗硫性弱,且低溫活性也不夠理想,實(shí)際應(yīng)用受到限制。中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心的賀泓、清華大學(xué)的董紅義等人對(duì)使用乙醇作還原劑的銀基HC-SCR進(jìn)行了較為深入的研究。研究發(fā)現(xiàn),這條技術(shù)路線可以在較窄的溫度范圍內(nèi)達(dá)到較高的NOx轉(zhuǎn)化效率,但起燃溫度偏高,低溫特性需要改進(jìn),在較寬的排氣溫度范圍內(nèi),很難滿足歐VI排放法規(guī)。HC-SCR耐硫性差、易老化也是制約其推廣使用的原因。如圖14所示,30h老化試驗(yàn)后,NOx轉(zhuǎn)化效率明顯惡化,用能譜儀進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),硫是造成NOx轉(zhuǎn)化效率下降的主要原因。3.3dpf被動(dòng)再生技術(shù)DPF是處理PM排放最常用的后處理技術(shù)。通常DPF是指壁流式DPF。通流式DPF如POC,具有50%左右的捕集效率,在歐IV階段得到了一定的應(yīng)用。輕型柴油車(chē)從歐5第二階段、重型柴油車(chē)從歐VI階段起對(duì)PN進(jìn)行限制,POC的應(yīng)用會(huì)受到挑戰(zhàn),壁流式DPF將成為降低PM的主流技術(shù)。DPF的主體部分是過(guò)濾載體,主要分為陶瓷基和金屬基兩大類。陶瓷基DPF載體材料有堇青石(cordierite)、碳化硅(SiC)、莫來(lái)石(mullite,多鋁紅柱石)、莫來(lái)石/氧化鋯等。金屬基DPF載體材料有燒結(jié)金屬式、泡沫金屬、金屬絲網(wǎng)等。表12給出了幾種典型過(guò)濾體材料的屬性對(duì)比。堇青石導(dǎo)熱性差、熔點(diǎn)低,但成本較低,主要應(yīng)用于重型柴油機(jī)DPF。SiC材料耐高溫性能好,炭煙積累能力強(qiáng),但是成本高,主要用于輕型柴油車(chē)DPF。由于SiC熱膨脹系數(shù)高,這種材料的DPF通常分割成橫斷面約35mm×35mm的蜂窩塊,用低模量粘結(jié)劑將蜂窩塊粘結(jié)成整體,這樣可以緩解再生期間產(chǎn)生的應(yīng)力,但是也增加了流動(dòng)阻力和制造成本。DPF過(guò)濾效率取決于孔徑和顆粒成分,一般都可以達(dá)到85%以上,經(jīng)過(guò)DPF后排氣已經(jīng)接近環(huán)境空氣中的PM水平。DPF在應(yīng)用中面臨的最大挑戰(zhàn)是過(guò)濾留下的PM的再生。習(xí)慣上將DPF的再生分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生(如圖15所示)。主動(dòng)再生一般是指通過(guò)外在提供能量增加排氣或載過(guò)濾體的溫度,將干炭煙(Soot)氧化掉,如進(jìn)排氣節(jié)流、推遲噴油時(shí)間、缸內(nèi)后噴、燃燒器、電加熱、微波加熱等主動(dòng)再生技術(shù)。被動(dòng)再生一般是指在過(guò)濾體表面涂覆催化劑或在燃油中添加催化劑以降低Soot的氧化反應(yīng)溫度。在DPF表面涂覆催化劑(catalyzeddieselparticulatefilters,CDPF),可以將Soot的反應(yīng)溫度降至450~550℃,在排氣溫度350℃時(shí),仍可保證75%的Soot再生效率。采用金屬燃油添加劑(如鐵、錳、鉛、銅)可以將Soot的反應(yīng)溫度降至250℃。鐵基燃油添加劑(fuelbornecatalyst,FBC)是常用的促進(jìn)被動(dòng)再生的燃油添加劑。試驗(yàn)結(jié)果表明,燃油中添加FBC后,即使DPF不涂覆催化劑,在中大負(fù)荷條件下可以實(shí)現(xiàn)DPF的再生。JohnsonMatthey公司開(kāi)發(fā)并申請(qǐng)專利的連續(xù)再生捕集器(continuouslyregeneratingtechnology,CRT)是典型的被動(dòng)再生技術(shù)。如圖16所示,該技術(shù)在DPF前加裝DOC,DOC將排氣中的NO成分部分氧化成NO2,NO2將DPF捕集的Soot氧化。為了達(dá)到理想的被動(dòng)再生效果,排氣中NOx與Soot的比例應(yīng)高于15∶1。目前CRT多用于重型柴油機(jī),且往往需要在下游采用降低NOx的后處理技術(shù)。CRT耐硫性差,需要使用低硫或無(wú)硫柴油,未來(lái)在中國(guó)進(jìn)入歐VI排放階段時(shí)會(huì)得到推廣應(yīng)用。僅采用被動(dòng)再生技術(shù)很難在柴油機(jī)的全部工況下實(shí)現(xiàn)DPF的可靠再生,通常需要將主動(dòng)再生和被動(dòng)再生結(jié)合使用,將機(jī)內(nèi)燃燒控制技術(shù)和機(jī)外再生技術(shù)結(jié)合使用,例如缸內(nèi)后噴結(jié)合燃油添加劑的再生方法,CRT結(jié)合燃燒器的再生方法,以及CRT結(jié)合排氣管內(nèi)燃油蒸發(fā)催化氧化的方法等。此外,進(jìn)排氣節(jié)流等技術(shù)通常也會(huì)配合使用。目前主流的再生技術(shù)路線是在CDPF前加DOC,降低了DPF被動(dòng)再生溫度。當(dāng)需要主動(dòng)再生時(shí),可以采用缸內(nèi)后噴或排氣管?chē)娪偷姆绞?使少量柴油在DOC內(nèi)催化氧化,放出的熱量提升排氣溫度。缸內(nèi)后噴和排氣管內(nèi)噴油兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)代柴油機(jī)大多已經(jīng)安裝了高壓共軌系統(tǒng),可以方便地實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)后噴,不需要額外的燃油噴射裝置。缸內(nèi)后噴的缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致機(jī)油稀釋,增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損,也縮短了更換機(jī)油的時(shí)間間隔,因此在重型柴油車(chē)上的應(yīng)用較為困難。燃油直接在排氣管內(nèi)添加,有效避免了機(jī)油稀釋問(wèn)題,也增加了系統(tǒng)布置的靈活性。但由于該技術(shù)需要增加一套燃油添加蒸發(fā)系統(tǒng),成本較高。未來(lái)對(duì)DPF的研究將主要集中在再生方法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。如何在理解DPF過(guò)濾過(guò)程、再生機(jī)理的基礎(chǔ)上,充分利用被動(dòng)再生效果、優(yōu)化主動(dòng)再生控制策略、降低燃油經(jīng)濟(jì)性損失等是未來(lái)DPF的研究方向。3.4柴油車(chē)達(dá)到歐6排放法規(guī)的系統(tǒng)集成現(xiàn)代柴油機(jī)的排放控制,需要機(jī)內(nèi)技術(shù)和后處理技術(shù)協(xié)同優(yōu)化。進(jìn)入歐Ⅵ階段后,柴油車(chē)一般需要同時(shí)安裝降低PM和NOx的后處理裝置。歐Ⅵ柴油機(jī)可以允許較多的NOx原機(jī)排放,這為優(yōu)化燃燒、提高燃油經(jīng)濟(jì)性提供了余地。而NOx原機(jī)排放的增加,又為DPF充分利用被動(dòng)再生提供了條件。美國(guó)西南研究院(SouthwestResearchInstitute,SwRI)等國(guó)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)多種后處理技術(shù)集成應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了十多年的研究。隨著歐Ⅵ排放法規(guī)的即將實(shí)施,后處理集成技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注,涌現(xiàn)出了多種新的技術(shù)方案,如在DPF上涂覆SCR催化劑的技術(shù)(selectivecatalyticreductiononfilters,SCRF),在POC上涂覆尿素水解催化劑的技術(shù)等,展現(xiàn)出了良好的發(fā)展?jié)摿?。在輕型柴油車(chē)領(lǐng)域,研究主要集中于DPF與LNT、SCR的系統(tǒng)集成,其中LNT復(fù)合SCR技術(shù)是研究熱點(diǎn)。圖17展示了某一輕型柴油車(chē)達(dá)到歐6排放法規(guī)的一種系統(tǒng)集成方案。依次安裝了DOC、SiC-DPF、LNT和Fe沸石SCR等后處理裝置。DOC和DPF緊湊布置在最上游,可以充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)出口高的排氣溫度,促進(jìn)被動(dòng)再生。LNT用于降低NOx,在發(fā)動(dòng)機(jī)加濃時(shí)還原吸附的NOx,并生成少量的NH3存儲(chǔ)在下游的SCR催化劑中,在發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃時(shí)存儲(chǔ)的NH3還原從LNT泄漏出來(lái)的NOx,這一過(guò)程如圖18所示。重型柴油機(jī)滿足未來(lái)排放法規(guī)的主流技術(shù)路線是DOC+DPF+尿素SCR,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用條件選擇選擇技術(shù)方案,圖19是4種常見(jiàn)的集成方案。這些技術(shù)方案可分為DPF在上游和SCR在上游兩類,兩類技術(shù)方案的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表13所示。DPF在SCR上游時(shí),主動(dòng)再生起燃特性好,再生時(shí)間間隔長(zhǎng),油耗低,并具有很好的被動(dòng)再生效果。SCR在DPF上游時(shí),其突出優(yōu)點(diǎn)是SCR起燃特性好