不使用尿素溶液的氮氧化物及顆粒減排后處理系統(tǒng)的開發(fā)

【日】 細(xì)谷満 木村昌裕 大井寛 佐藤信也 平林浩

0 前言

由于柴油機(jī)在熱效率方面具有優(yōu)勢，CO2排放量少，燃油耗低，因此被廣泛用作商用車的發(fā)動機(jī)。另一方面，基于對環(huán)境保護(hù)及人體健康的密切關(guān)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(jìn)一步減少廢氣排放，必須在進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)動機(jī)以降低其自身廢氣排放的同時，充分利用排氣后處理技術(shù)來減少車輛的廢氣排放。

在日本及歐美等先進(jìn)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(jī)顆粒捕集器（DPF）＋尿素選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)的組合。雖然這一技術(shù)現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)用化階段，但仍存在供應(yīng)尿素溶液的基礎(chǔ)設(shè)施不完善的課題。為解決這一課題，日野汽車公司開發(fā)了一種整體型催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，將燃油作為反應(yīng)促進(jìn)劑，可以同時降低NOx及PM排放。

1 開發(fā)目標(biāo)

與大型柴油商用車不同，中小型柴油商用車多數(shù)在市區(qū)道路等較為狹窄的區(qū)域行駛，如使用傳統(tǒng)的DPF＋SCR系統(tǒng)作為后處理裝置，就需要有足夠數(shù)量的尿素溶液供應(yīng)設(shè)施，而在日本，目前能供應(yīng)尿素溶液的加油站僅占總數(shù)的6%左右，尿素溶液的供應(yīng)設(shè)施基本還處于不完善的狀態(tài)。另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新興國家的車輛保有量劇增，隨之而來的是大氣環(huán)境出現(xiàn)惡化趨勢，為此，必須盡早引進(jìn)相關(guān)的環(huán)保技術(shù)。然而，同樣也是由于供應(yīng)尿素的基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善，迫切要求能開發(fā)出不使用尿素溶液的車用排氣后處理系統(tǒng)。此外，由于傳統(tǒng)尿素SCR系統(tǒng)的體積較大，部分中小型柴油商用車也無法配裝這一系統(tǒng)。為解決上述問題，日野汽車公司的研究人員開發(fā)了結(jié)構(gòu)緊湊的整體型催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，將燃油作為反應(yīng)促進(jìn)劑，可以同時降低車輛的NOx及PM排放。

2 技術(shù)內(nèi)容

新開發(fā)的NOx及PM減排后處理系統(tǒng)的最大特征就是不使用尿素溶液，能在同一個催化轉(zhuǎn)化器中同時降低NOx及PM排放。由于該系統(tǒng)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(yīng)尿素溶液的裝置。并且，與傳統(tǒng)柴油車相同，配裝新系統(tǒng)的車輛只須加注柴油即可行駛。新開發(fā)的排氣后處理系統(tǒng)由后置渦輪催化轉(zhuǎn)化器（ATC）、燃油添加閥、前段氧化催化轉(zhuǎn)化器、DPF，以及后段氧化催化轉(zhuǎn)化器構(gòu)成。使用燃油添加閥，向安裝催化劑的轉(zhuǎn)化器中供給作為NOx還原劑的柴油燃料。根據(jù)催化轉(zhuǎn)化器中溫度傳感器及NOx傳感器的輸出信號，發(fā)動機(jī)電控單元（ECU）能精確地推斷催化劑的工作環(huán)境，并實(shí)施優(yōu)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(yùn)轉(zhuǎn)時，快速升高氧化催化轉(zhuǎn)化器的溫度。因此，在發(fā)動機(jī)渦輪出口下方設(shè)置ATC，以促進(jìn)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(jié)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(yīng)機(jī)理。在PM的氧化反應(yīng)中，氧化鈰中的活性氧降低碳煙氧化的開始溫度，促進(jìn)PM的氧化燃燒。進(jìn)而，在降低NOx排放的反應(yīng)中，由于氧化鈰中活性氧的作用，促進(jìn)作為反應(yīng)媒介物的含氧化合物的生成，從而提高系統(tǒng)降低NOx排放的性能。

3 開發(fā)成果

針對DPF中所用催化劑的PM氧化性能，采用熱重-質(zhì)譜儀，測試涂覆鉑顆粒的氧化鈰催化劑的PM燃燒特性。由結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)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(jìn)效果示于圖2。在200～250℃條件下，能夠確保新系統(tǒng)降低NOx排放的性能與傳統(tǒng)尿素SCR系統(tǒng)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(fā)的NOx及PM減排后處理系統(tǒng)后，在市區(qū)道路行駛工況下的減排效果。新系統(tǒng)使用同一個催化轉(zhuǎn)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?xì)浠衔铮∟MHC）及CO的排放量。

新開發(fā)的NOx及PM減排后處理系統(tǒng)也被稱為“HC-SCR系統(tǒng)”。與采用傳統(tǒng)尿素SCR系統(tǒng)的車輛相比，采用HC-SCR系統(tǒng)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(zhuǎn)化器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)4t級商用車的尿素SCR系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)的成本降低30%，質(zhì)量減輕80kg，體積（占用空間）減少50L。自2010年起，新系統(tǒng)已配裝于日本國內(nèi)的中小型商用車，到目前為止，其產(chǎn)量已超過10.7萬臺。

4 結(jié)語

此次新開發(fā)的排氣后處理系統(tǒng)是為了滿足日本國內(nèi)后新長期排放法規(guī)的限值要求，今后也同樣可以適用于計(jì)劃引入更嚴(yán)格排放法規(guī)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(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的新興國家中推廣應(yīng)用。