在瞬態(tài)循環(huán)下實(shí)現(xiàn)清潔排放的后處理系統(tǒng)開發(fā)

【日】 K.Yoshida Y.Noazki T.Mori Y.Bisaiji Y.Haba K.Umemoto T.Fukuma

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廢氣凈化

在瞬態(tài)循環(huán)下實(shí)現(xiàn)清潔排放的后處理系統(tǒng)開發(fā)

【日】 K.Yoshida Y.Noazki T.Mori Y.Bisaiji Y.Haba K.Umemoto T.Fukuma

提出了1種氮氧化物(NOx)儲(chǔ)存和還原(NSR)功能的切換控制策略，該控制策略是將傳統(tǒng)的濃燃去除NOx轉(zhuǎn)化為通過吸附中間還原物的柴油機(jī)NOx后處理方式(DiAir)，介紹了在除硫過程中采用碳?xì)鋰娚淦?HCI)的額外好處。瞬態(tài)循環(huán)下的試驗(yàn)研究顯示，采用DiAir時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化性能主要受NSR催化器中NOx初始儲(chǔ)存狀態(tài)的影響。為避免在DiAir方式中，碳?xì)鋰娚溟_始后出現(xiàn)NOx臨界值，采用濃燃還原儲(chǔ)存的NOx尤為重要，在瞬態(tài)循環(huán)下采用這種控制策略可以達(dá)到較高的NOx轉(zhuǎn)化性能。另外，將HCI和缸內(nèi)后噴相結(jié)合，可使NSR除氧化硫(SOx)的濃燃狀態(tài)擴(kuò)展到更寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍。由于在高溫條件下采用DiAir(包括柴油機(jī)顆粒捕集器的再生)時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化效率較高，在低負(fù)荷行駛工況下的NOx儲(chǔ)存功能和除SOx過程中碳?xì)鋰娚涞挠幸孀饔茫@示了該控制策略在實(shí)際行駛工況下降低NOx排放的潛力。

后處理系統(tǒng) 瞬態(tài)循環(huán) 碳?xì)鋰娚?/p>

0 前言

近年來，世界范圍內(nèi)要求降低CO2排放的法規(guī)日趨嚴(yán)格(圖1)。各種低燃油耗車輛，如混合動(dòng)力車、電動(dòng)車和清潔柴油車紛紛進(jìn)入市場(chǎng)，以應(yīng)對(duì)世界范圍內(nèi)嚴(yán)格的CO2排放目標(biāo)。柴油車低速扭矩特性好，因而能結(jié)合“駕駛樂趣”和低燃油耗兩大優(yōu)勢(shì)，使得柴油車在歐洲新車中約占50%的市場(chǎng)份額。歐6排放法規(guī)已于2014年在歐洲市場(chǎng)實(shí)施。此外，歐6后排放法規(guī)，如實(shí)際行駛排放法規(guī)(RDE)和全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)規(guī)程(WLTC)則要求進(jìn)一步提高柴油機(jī)的后處理技術(shù)，以在更為寬廣的行駛工況范圍內(nèi)達(dá)到更高的氮氧化物(NOx)減排性能。為了降低柴油機(jī)稀燃工況下的NOx排放，歐洲市場(chǎng)已廣泛采用尿素選擇性催化還原(U-SCR)或NOx儲(chǔ)存和還原(NSR)系統(tǒng)。

NSR系統(tǒng)最適用于中小型車輛，因?yàn)镹SR系統(tǒng)安裝空間小，且比采用尿素的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)更為便宜。但是，由于在高溫和高空間速度條件下，它的NOx儲(chǔ)存能力(以硝酸鹽的形式儲(chǔ)存)不足，因而對(duì)NOx的還原性能目前有一定的限度。為保證NSR未來可持續(xù)使用，有必要提高NSR的NOx還原性能[1-3]。

利用被吸附的中間還原物質(zhì)進(jìn)行柴油機(jī)NOx后處理(DiAir)，是提高在高空間速度和高溫條件下NOx轉(zhuǎn)化性能的一種對(duì)策。即使在難以儲(chǔ)存NOx的情況下，也可以用噴射碳?xì)?HC)產(chǎn)生的中間還原物來還原NOx[4-9]。如圖2所示，在低負(fù)荷條件下，由于催化劑溫度和空間速度適中，NSR的功能變得較為有效，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，溫度和空間速度提高，有利于DiAir與NSR功能的結(jié)合，從而能在更寬廣的范圍達(dá)到很高的NOx轉(zhuǎn)化性能。

DiAir的1個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是能在柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)再生期間保持較好的NOx減排性能。如圖3所示，在傳統(tǒng)排氣系統(tǒng)中，DPF置于NSR催化器下游，為了將聚積的碳煙燃燒掉，它需要加熱到600 ℃以上。因此，需要靠噴射HC來提高DPF的溫度，這意味著為提高DPF溫度而噴射的燃油還可以同時(shí)在DiAir系統(tǒng)中用來還原NOx。

在計(jì)算總行駛里程的平均NOx排放量時(shí)(式1)，應(yīng)該將DPF再生時(shí)的NOx排放量也計(jì)入常規(guī)行駛排放量中，DPF再生時(shí)NOx排放量低也是實(shí)際行駛排放的重要特征之一。

此外，用位于排氣管內(nèi)的HC噴射器噴射HC，可以減小缸內(nèi)后噴的次數(shù)，從而有效抑制機(jī)油稀釋。由于低燃油耗車輛的排氣溫度較低，為了提高DPF的溫度，后噴燃油量會(huì)比常規(guī)系統(tǒng)的大，因此，頻繁后噴導(dǎo)致的機(jī)油稀釋可能是未來柴油機(jī)后處理系統(tǒng)受到限制的原因之一。因此，在排氣管內(nèi)噴射HC的優(yōu)點(diǎn)是，不僅可以通過DiAir還原NOx，而且還能減少DPF再生時(shí)的燃油后噴次數(shù)。式1為

(1)

式中:A為DPF再生時(shí)的NOx排放量，g/km;B為DPF再生時(shí)的行駛里程，km；C為正常行駛時(shí)的NOx排放量，g/km;D為正常行駛的里程，km。

1 采用DiAir的NSR系統(tǒng)試驗(yàn)

為了在采用DiAir時(shí)使NSR的系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化性能達(dá)到最佳狀態(tài)，本文重點(diǎn)關(guān)注以下2點(diǎn)：(1) 在采用DiAir與傳統(tǒng)NSR濃燃結(jié)合，還原NOx時(shí)如何控制HC噴射；(2) 抑制因使用HC噴射器造成的NOx轉(zhuǎn)化性能惡化。

該項(xiàng)試驗(yàn)在1臺(tái)配裝1.6L NSR催化器的1.4L共軌柴油機(jī)上進(jìn)行。HC噴射器安裝在渦輪增壓器與NSR催化器之間，依靠DiAir還原NOx的HC噴射壓力為1.0MPa(圖4)。由于在低溫條件下，可以通過常規(guī)的NSR儲(chǔ)存功能來還原NOx，而在高負(fù)荷條件下,利用DiAir還原NOx效率則更高，因而采用圖5所示的切換策略來選擇各種功能。采用NSR和DiAir時(shí)，1次瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)中NOx的還原特性如圖6所示。

圖6表明，采用DiAir時(shí)，在瞬態(tài)循環(huán)下的NOx轉(zhuǎn)化性能較差。但是，圖7表明，在穩(wěn)態(tài)循環(huán)下NOx的轉(zhuǎn)化效率超過70%。圖6與圖7中DiAir工作運(yùn)行條件基本相同。研究結(jié)果表明，NSR催化劑狀態(tài)對(duì)采用DiAir時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化性能的影響很大。因此，為了充分發(fā)揮DiAir的優(yōu)勢(shì)，基于對(duì)NSR催化劑狀態(tài)的評(píng)估來控制HC噴射至關(guān)重要。

抑制NSR催化劑的NOx減排性能惡化也非常重要。NSR反應(yīng)床溫度過高會(huì)導(dǎo)致鉑族金屬(PGM)燒結(jié)，這是NSR催化劑性能惡化的主要原因，DPF再生和除氧化硫(SOx)時(shí)都會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)溫度較高[10]，由于除SOx時(shí)的溫度要比DPF再生時(shí)的溫度高，因而改善除SOx的性能和縮短除SOx持續(xù)時(shí)間是保持較高NOx轉(zhuǎn)化性能的關(guān)鍵(圖8)。圖9所示為瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)下的除SOx特征。在該試驗(yàn)循環(huán)中，SOx的去除性能不佳，尤其是在試驗(yàn)循環(huán)的低負(fù)荷部分。因?yàn)樵诔鞘行旭傃h(huán)中，除SOx的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，所以會(huì)導(dǎo)致NSR催化劑退化。SOx去除能力不足，不僅會(huì)使NSR催化劑性能退化，而且也會(huì)使除SOx的燃油消耗增加。在應(yīng)用NSR和DiAir系統(tǒng)時(shí)，縮短除SOx的持續(xù)時(shí)間是其主要目標(biāo)。

因此，在本研究中，為了在瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)下，充分發(fā)揮HC噴射器的優(yōu)化，以使NSR和DiAir系統(tǒng)達(dá)到很高NOx轉(zhuǎn)化性能。研究人員針對(duì)以下2個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了HC噴射控制策略的研究：(1)在瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)中，將常規(guī)NSR功能與DiAir相結(jié)合時(shí)，基于NSR催化劑狀態(tài)的評(píng)估來實(shí)現(xiàn)NOx高效轉(zhuǎn)化的HC噴射方法；(2)在瞬態(tài)行駛循環(huán)中，達(dá)到足夠有效的SOx去除效率，從而抑制NSR催化劑性能退化的HC噴射控制。

2 NSR和DiAir的切換策略

2.1 NOx儲(chǔ)存量對(duì)DiAir的影響

如圖6和圖7所示，與穩(wěn)態(tài)工況相比，瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)下NOx轉(zhuǎn)化性能有所下降。先前的研究指出，噴射燃油的部分氧化和NOx的吸附是DiAir的關(guān)鍵反應(yīng)[4,6]。因此，需要對(duì)NSR床溫和NSR中的NOx儲(chǔ)存量對(duì)這些關(guān)鍵反應(yīng)的影響進(jìn)行研究。圖10所示為在空氣質(zhì)量流量和NOx質(zhì)量相同的條件下，NOx轉(zhuǎn)化性能隨NSR床溫的變化情況。通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上加裝的排氣管冷卻單元來控制催化劑的溫度。盡管隨著溫度降低，采用DiAir時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化性能稍有下降，但在這些溫度下采用DiAir對(duì)NOx轉(zhuǎn)化性能的影響不大。圖11是在HC開始噴射時(shí)，采用DiAir時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化性能與NOx儲(chǔ)存量之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在HC開始噴射時(shí)，NOx儲(chǔ)存量越多，NOx轉(zhuǎn)化性能越差。

為了研究這一現(xiàn)象，研究了儲(chǔ)存大量NOx后NSR催化器上吸附的組分。先前的研究已斷定，由于在高溫下反應(yīng)速率快，很難穩(wěn)定地觀察到中間組分的峰值[4-5]，因而在250 ℃低溫下進(jìn)行了試驗(yàn)。圖12為采用傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀測(cè)得的中間組分生成特性。催化劑用NO(濃度30010-6)+O2(5%)進(jìn)行調(diào)節(jié)1h預(yù)運(yùn)行，加入NO(濃度30010-6)+C3H6(1%)+O2(5%)。第一步NOx被存儲(chǔ)，之后供入NO和HC，模擬采用DiAir時(shí)的HC噴射。由于被儲(chǔ)存的NOx是由HC還原的，硝酸鹽在1310cm-1處的峰值消失，1395cm-1和1330cm-1處峰值增加，可以推斷生成碳酸鹽。同時(shí)，硝酸鹽峰值(1310cm-1)消失1min后，產(chǎn)生了中間組分(2220cm-1)的峰值。這一結(jié)果表明，儲(chǔ)存的NOx還原后會(huì)生成中間組分。以前的研究認(rèn)為，通過吸附的NOx和部分氧化的HC會(huì)產(chǎn)生中間組分。由于以硝酸鹽形式儲(chǔ)存的NOx穩(wěn)定并含氧，因而在此條件下很難生成中間組分。換句話說，在NOx吸附位置因無法生成中間組分而被硝酸鹽占據(jù)的情況下，采用DiAir時(shí)的 NOx轉(zhuǎn)化性能會(huì)有所下降。

2.2 采用DiAir時(shí)實(shí)現(xiàn)NOx轉(zhuǎn)化性能最優(yōu)化的HC噴射控制策略

以上結(jié)果顯示，在DiAir開始工作前通過缸內(nèi)濃燃清除NOx來避免大量的NOx儲(chǔ)存，可以使DiAir的轉(zhuǎn)化性能達(dá)到最優(yōu)。因此，提出了圖13所示的控制策略圖，并驗(yàn)證了缸內(nèi)濃燃的效果，圖14為驗(yàn)證結(jié)果。在不采取缸內(nèi)濃燃清除NOx的試驗(yàn)中，NOx轉(zhuǎn)化性能需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定，而總的NOx轉(zhuǎn)化性能因儲(chǔ)存的NOx過多而有所下降。在HC噴射開始時(shí)，NOx儲(chǔ)存量較大，雖然在HC噴射后出現(xiàn)了NOx的臨界值，但是由于噴射的HC可以還原NOx，因而NOx峰值隨后會(huì)降低。另一方面，在采用缸內(nèi)濃燃后，DiAir的NOx轉(zhuǎn)化性能馬上就能達(dá)到穩(wěn)定，由于缸內(nèi)濃燃產(chǎn)生的大量還原性物質(zhì)可以還原儲(chǔ)存的NOx，因而從HC噴射開始，DiAir就能很好地工作。

圖15所示為在瞬態(tài)循環(huán)下該控制策略達(dá)到的性能，在1種具有代表性的嚴(yán)格行駛循環(huán)中進(jìn)行了驗(yàn)證。為了研究DiAir的效果，在保持燃油損耗相同的情況下，比較了有、無DiAir時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化性能。為了使還原NOx的燃油消耗總量相同，采用部分缸內(nèi)濃燃取代DiAir的HC噴射。

由圖15可以看出，DiAir提高了NOx的轉(zhuǎn)化性能，尤其是在高負(fù)荷工況下。在還原NOx的總?cè)加拖牧肯嗤臈l件下，與傳統(tǒng)的NSR相比，DiAir能夠拓寬NOx還原的范圍。

3 除SOx時(shí)HC噴射的控制

3.1 除SOx性能不足的原因分析

由于濃燃運(yùn)行時(shí)NSR的催化劑床溫和空燃比對(duì)除SOx的性能有很大的影響，研究人員對(duì)NSR催化劑的溫度和空燃比進(jìn)行了研究。按圖9進(jìn)行除SOx控制時(shí)，缸內(nèi)濃燃的正時(shí)和NSR的床溫如圖16所示。在圖9中可能觀察到在SOx釋放的條件下，濃燃空燃比會(huì)持續(xù)保持。另一方面，尤其在0～ 350s的低負(fù)荷循環(huán)工況下，觀察到了因濃燃持續(xù)期不夠長(zhǎng)而導(dǎo)致的少量SOx釋放。SOx去除性能不足的主要原因與氧儲(chǔ)存能力(OSC)有關(guān)。圖17所示為從濃燃到稀燃切換過程中OSC的恢復(fù)特性?？梢钥吹剑词故窃跐馊己?，NSR進(jìn)口處的空燃比較大的情況下，NSR催化器出口的空燃比仍可以保持化學(xué)當(dāng)量空燃比。這一特性是NSR催化劑的儲(chǔ)氧功能起的作用。NSR催化劑含有儲(chǔ)氧物質(zhì)，例如Ce。 在濃燃開始時(shí)，濃燃產(chǎn)生的還原性氣體會(huì)使NSR催化劑中儲(chǔ)存的氧還原，在濃燃結(jié)束后，由于NSR催化劑所含的儲(chǔ)氧物質(zhì)內(nèi)還有儲(chǔ)存的氧，因此即使在稀燃條件下，NSR催化器出口的空燃比仍可保持化學(xué)當(dāng)量比。從圖17可以看到，還原后的儲(chǔ)氧物質(zhì)在1s內(nèi)可以再次儲(chǔ)氧，這意味著如果在濃燃過程因車輛行駛狀態(tài)(比如減速)而中斷，此時(shí)必須額外提供還原劑來還原儲(chǔ)氧物質(zhì)中儲(chǔ)存的氧。儲(chǔ)氧物質(zhì)內(nèi)的氧消耗殆盡后，會(huì)觀察到有硫釋放。因此，為了在瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)下達(dá)到足夠的SOx釋放，除SOx過程中保持濃燃持續(xù)期很重要。

圖18是在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)和WLTC循環(huán)的運(yùn)行范圍內(nèi)，用1臺(tái)1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)可能實(shí)現(xiàn)濃燃的區(qū)域。如圖18所示，由于燃燒穩(wěn)定性和排氣溫度的限制，有一部分區(qū)域不可能采用濃燃。在高負(fù)荷工況時(shí)采用濃燃，排氣溫度會(huì)超過排氣歧管或渦輪增壓器耐久性的允許溫度。此外，濃燃時(shí)的碳煙排放也是1個(gè)限制因素，因?yàn)樗鼤?huì)使DPF再生能力下降。

此外，在低負(fù)荷工況下很難保證燃燒的穩(wěn)定性，因?yàn)橐谳^低的總?cè)加秃南峦瓿蓾馊?，必須減少空氣質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的濃燃，需要尋找一種克服濃燃限制因素的解決方案。

3.2 利用HC噴射保持濃燃

HC噴射與缸內(nèi)濃燃結(jié)合是保持還原性條件的有效措施。圖19所示為除SOx過程中進(jìn)行HC噴射時(shí)的空燃比控制特性。在無法實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)濃燃的情況下，可以通過噴射最佳數(shù)量的HC來保持目標(biāo)空燃比值。由于排氣管中噴射HC不會(huì)影響缸內(nèi)燃燒，因而它能使?jié)馊挤秶葌鹘y(tǒng)濃燃的更寬廣。

圖20所示為瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)中除SOx的特性。缸內(nèi)濃燃與HC噴射相結(jié)合時(shí)，SOx釋放量有所增加，這表明它能抑制NSR催化劑的惡化，并能減少PGM的涂載量，從而達(dá)到實(shí)際行駛循環(huán)的排放目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文研究了采用DiAir和除SOx來還原NOx時(shí)的HC噴射控制策略，取得了以下結(jié)論：

(1) NSR催化器中的NOx儲(chǔ)存量對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化性能影響很大，HC噴射前的NOx還原對(duì)提高NOx轉(zhuǎn)化效率非常有效。

(2) 在總?cè)加拖牧肯嗤乃矐B(tài)試驗(yàn)循環(huán)中，與傳統(tǒng)NSR系統(tǒng)相比，采用DiAir的NSR系統(tǒng)能達(dá)到更高的NOx轉(zhuǎn)化效率。

(3) 給出SOx去除性能不足的原因。此外，為了在瞬態(tài)行駛工況下達(dá)到持續(xù)濃燃狀態(tài)，HC噴射與缸內(nèi)濃燃相結(jié)合能改善SOx的去除性能。

從采用DiAir和可靠除SOx以抑制NSR催化劑惡化的角度來看，HC噴射器是實(shí)現(xiàn)NOx轉(zhuǎn)化性能最優(yōu)化的1種非常有效的措施。該項(xiàng)技術(shù)可以擴(kuò)大NSR的應(yīng)用范圍，有助于未來在清潔柴油乘用車中的推廣。

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高英英 譯自 SAE Paper2014-01-2809

朱炳全 校

虞 展 編輯

2014-03-24)