針對歐4及未來法規的發動機高效排氣后處理解決方案

【丹麥】　A.Widd　M.Lewander

試驗研究

針對歐4及未來法規的發動機高效排氣后處理解決方案

【丹麥】A.WiddM.Lewander

摘要：重型載貨車輛歐4法規在實施瞬態和穩態試驗的尾氣氮氧化物(NOx)排放限值時，還對氨(NH3)排放有所限制。為滿足法規要求，有幾種可能的策略，包括發動機管理措施，以及采用以NH3作為還原劑的NOx催化后處理措施。根據試驗數據，對排氣后處理系統的整體性能及安裝，以及運行成本等一系列重要問題進行了闡述和討論。還討論了歐5及未來排放法規的相關因素。發動機以高廢氣再循環(EGR)率運行是在幾乎沒有NOx催化還原后處理情況下滿足歐5法規的可能路徑之一。將EGR與僅采用選擇性催化還原(SCR)解決方案的無EGR發動機作了對比。此外，還說明了通過使用氨逃逸催化器或改善尿素劑量控制策略來減小SCR催化器尺寸的可能性。通過在同一系統上進行的對比試驗給出了不同尿素劑量策略的效果。另一個很重要的方面是后處理系統的熱管理和保溫，利用試驗數據對比進行了說明。最后，對未來法規研究領域的重要性進行了討論。

關鍵詞：發動機尾氣解決方案

0前言

目前的發動機及其后處理技術為重型載貨車輛滿足法規排放限值提供了廣泛的可能性。發動機方面采用包括廢氣再循環(EGR)，以及諸如排氣節流之類的熱管理技術，每種技術都對后處理系統的要求和設計可能性有重大影響[1-5]。本文以系統總體性能為重點，對為滿足歐洲法規的幾種解決方案進行了討論。為了滿足更嚴格的排放法規，通常要提升較先進技術的潛在優勢，以保持有利的工作溫度和尿素劑量策略。本文根據配裝靈活后處理系統的大型柴油機的試驗結果，對幾種不同的布置和系統設計進行了比較試驗。

道路用重型載貨汽車的相關排放法規包括歐4、歐5和歐6。歐4和歐5法規[6]要求按歐洲瞬態試驗循環(ETC)和歐洲穩態試驗循環(ESC)進行試驗，歐6的相關試驗為全球統一的瞬態試驗循環(WHTC)和全球統一的穩態試驗循環(WHSC)。表1為相關法規的氮氧化物(NOx)、NH3、碳氫(HC)排放限值。

1廢氣后處理

為滿足日益嚴格的排放標準，用NH3作為還原劑[1-3]的NOx選擇性催化還原(SCR)技術在當今的重型載貨車排氣后處理系統中發揮著核心作用。除

表1　歐4、歐5和歐6法規的排放限值(歐4和歐5法規的平均NH3逃逸限值通常作為工程目標，它不是法規的正式部分，表中用“*”標記)

SCR外，針對歐洲和美國最新排放法規的現代后處理系統一般由如下幾個單元組成： (1) 捕集顆粒物的柴油機顆粒過濾器(DPF)；(2) 用以去除未燃HC和CO的柴油機氧化催化器(DOC)，它生成的NO2能使DPF中的碳煙氧化和SCR快速反應；(3) NH3逃逸催化器，用以去除殘留在SCR催化器中的過量NH3。每個部件的基體和催化涂層都有幾種可能的設計選擇。每個部件的尺寸和消聲器設計對系統的整體性能也具有重要影響。

1.1SCR

NOx還原的主要反應為“標準”和“快速”SCR反應，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

該反應處理過程較快，但需要在氣體成分中含有NO2。

SCR需要靠吸附在催化器活性位置上的NH3來發生反應。盡管NH3的吸附率通常與催化劑溫度無關，但解吸過程通常需要至少達到某一規定的溫度。由于催化器的可用NH3儲存量會隨溫度上升而降低，對瞬態運行提出了挑戰[7-8]。如果催化器在相對高覆蓋率下工作時發生溫度升高，那么當過多的NH3被吸附，尾管排氣中就會有NH3逸出的風險。相反，當溫度降低后，較大的NH3存儲量就需要靠增加尿素的加注劑量來達到所期望的NOx轉化水平。在汽車應用中，通常用尿素作為還原劑。通過分解和水解反應，尿素被轉化為NH3，其反應式如下

(3)

為了避免尿素在排氣系統中沉積，該轉化反應需要在最低為180～200℃的溫度下才能發生，這是實際運行中還原劑要達到的有效溫度的下限。

1.2DOC、DPF及NH3逸出催化器(ASC)

隨著法規的排放限值越來越嚴格，需要配裝額外的零部件來滿足法規的要求。為了在不顯著增加體積的情況下提高SCR催化器的NOx轉化率，通常需要較高的尿素加注劑量。這將能更好地利用SCR催化劑對NOx的去除能力，但也會增加溫度瞬變時產生過多NH3逃逸的風險。可以在SCR催化器的下游安裝ASC來氧化剩余的NH3。除了具有高活性外，ASC的設計目標應該是對氮有很高的選擇性，同時還應限制其選擇不需要的產物，如NOx和NO。

由于對顆粒物排放的限制更為嚴格，特別是對顆粒物數量的限制，因而需要安裝DPF。過濾器中存儲的碳煙可以利用O2和/或NO2使之氧化，以進行被動再生，或通過向排氣流中噴入附加燃油來提升排氣溫度，進行主動再生。為了便于通過NO2或噴入燃油來氧化碳煙，以進行DPF再生，并在DPF前設置DOC。

2概要

本文首先介紹了試驗設備，以及發動機在無EGR和高EGR率工況下的試驗運行結果，并闡述了它們與后處理系統和燃油經濟性的關系。介紹了1個用無EGR發動機達到歐4排放法規的研究案例，并說明了包括ASC的比較研究。接著重點論述了按符合歐5排放標準試驗時尿素劑量策略和保溫對后處理系統性能的影響。最后重點介紹了歐5之后的法規，并闡述了后處理系統達到有利工作溫度的重要性。采用排氣節流的熱管理技術和自動起停技術進行了符合歐6排放標準的試驗。本文結尾對提供的結果進行了總結和進一步討論。

3試驗裝置

3.1發動機

在1臺配裝可變幾何渦輪增壓器和低壓EGR系統的Volvo公司MD13型發動機上進行了不同EGR率和不同燃油噴射壓力影響的研究。發動機采用瑞典商用MK1柴油。

催化后處理系統的試驗在排量為11L和13L的無EGR大型發動機上進行。

3.2排放測量

用2臺Horiba MEXA 7000系統測量NO、NOx、CO、CO2、O2、HC和N2O的排放。系統在10Hz下進行測量。這一裝置能在被研究催化器的前后取樣點同時進行測量。

采用2個獨立的系統對NH3進行測量。Siemens LDS 6是1個經過專門調制的半導體激光光譜系統，可用以探測任何環境中的氨[9]。LDS串聯安裝在后處理系統之后，可以只測量尾管中的NH3濃度。它能以良好的精度和響應時間進行現場測量。第2個用于NH3測量的系統是配備1個專用泵/過濾器組合的Gasmet DX-4000傅立葉變換紅外光譜法(FTIR)系統。FTIR系統也能另外給出NO、NO2、N2O、CO、CO2和H2O的測量結果，但其速率比MEXA系統稍低。

4EGR與SCR的對比

滿足歐4法規的1種可行的策略是采用EGR來抑制發動機的NOx排放水平，這樣在后處理系統中就不需要進一步去除NOx。這時，后處理系統可以主要由DOC和DPF組成，以控制因高EGR運行產生的較高的顆粒數。另一方面，由于需要采用冷卻EGR回路和高壓燃油噴射系統，發動機設計會更復雜。如果需要DPF的主動再生，則必須設定1個燃油噴射點或必須進行燃油后噴。

第2種對策是采用很少EGR或沒有EGR，它能使顆粒物排放降低，但會增加NOx排放水平。這意味著發動機的設計可以較為簡單。在這種情況下，后處理系統必須包括NOx去除功能，通常是采用SCR催化器的形式，有時后面要接1個ASC，同時還需要1個還原劑的定量加注點，通常采用以尿素溶液形式存在的NH3。

圖1中給出了在3種不同的運轉工況下發動機的NOx排放和煙度水平，以及有效燃油消耗率(BSFC)和排氣溫度。基準線是在50%EGR率和空燃比(λ)約1.5h運轉的數據。去掉EGR系統，保持空燃比不變，結果發動機的NOx排放升高，而煙度降低，同時有效燃油消耗率降低約10%，這主要是由于氣體交換效率提高的緣故。相應地，排氣溫度大幅升高，它為排氣系統中的催化劑創造了有利條件。

圖1　高EGR、無EGR和無EGR并降低噴射壓力的對比

在運行成本方面，還原劑的增加可以通過降低燃油耗來抵消。另外，為使后處理系統更有效，在后處理系統達到有利工作溫度的途徑也并不復雜。Scania公司的無EGR歐6系統達到了最低的運行成本(包含燃油消耗和AdBlue尿素消耗)[5]。

5無EGR發動機達到歐4排放標準

用11L無EGR發動機進行了歐4法規驗證試驗。法規規定按ETC試驗時的最大累計NOx比排放量為3.5g/(kW·h)。另外，平均NH3排放要保持在低于25×10-6。圖2所示為1次熱ETC試驗中發動機的累計NOx比排放量、排氣溫度和排氣流量曲線。在熱態試驗開始前，發動機進行了ETC循環調整運轉和10min暖機運轉。發動機的NOx比排放量僅為10g/(kW·h)以下。

用直徑為12.7in、長度為7in的釩基SCR催化器構建了1個只采用SCR的后處理系統，其總容積約為14.5L，SCR容積與發動機排量之比略大于1.3。累計NOx比排放量小于 3.2g/(kW·h)，平均NH3逃逸量為17×10-6，留有10%的NOx排放余量。

圖2　按ETC試驗時的發動機特性(1次熱態ETC循環中累計的NOx比排放量、排氣溫度和排氣流量)

另一種解決方案為在SCR催化器的下游增加1個ASC。這一策略的特點是允許進一步減小SCR的容積，并同時采用更積極的尿素劑量策略。為了說明包含ASC的系統潛力，對采用ASC的后處理系統進行了運行試驗。ASC的直徑尺寸為12.7in，長度為4.0in，總容積小于8.5L，約為發動機排量的0.75倍。

僅采用SCR和僅采用ASC方案的累計NOx比排放量如圖3所示。2種方案達到的NOx排放水平非常相近，ASC方案的平均NH3逃逸量為9×10-6。很明顯，僅采用ASC的方案需要相當高的尿素劑量。這一結果是可以預料的，因為ASC的設計就是利用其對氮的高選擇性來氧化NH3。采用ASC的方案因增加了尿素消耗其運行成本明顯高于僅采用SCR的方案。僅采用ASC方案的試驗相當于整個SCR已被去除的1個減小尺寸的極端情況。1種更現實的方案是，為了能減小SCR催化器的尺寸或保證SCR的安全裕度，可采用1個較小容積的ASC。然而，減小尺寸或增加安全裕度必須權衡ASC與SCR催化器之間的價格差異。

圖3　僅采用SCR或ASC后處理系統時按ETC試驗發動機和尾管累計的NOx排放量，以及累計NH3劑量

6針對歐5法規的尿素劑量策略和保溫措施

隨著越來越嚴格的排放法規的推出，要求后處理系統的轉化效率也要隨之提高。對于本文中使用的高NOx發動機，為了達到歐5排放標準，在ETC試驗循環中要求達到的整體轉化率為小于70%。要達到歐6標準，轉化率要求超過80%。在這方面，尿素劑量的選擇和排氣溫度的管理變得越來越重要。

6.1尿素劑量策略

尿素劑量策略決定著在任意給定時間內排氣中應該添加的尿素溶液數量。設計尿素劑量的策略有幾種方式，各種方式在計算復雜性、相關的標定，以及傳感器要求方面有很大的差異[2-8]。

6.2NH3-NOx比的策略

直接的對策就是基于NH3-NOx的比率(ANR)來選擇尿素劑量。選擇尿素劑量的原則是，使進入SCR催化器的NH3濃度等于ANR乘以NOx濃度。標定只涉及到尋找合適的ANR值，然而，其缺點是單一的ANR值對每個可能的運轉工況點將不會都是最佳點。

6.3基于圖譜的策略

通過仔細地繪制發動機運轉范圍的特性圖譜，可以為圖譜中的每個工況點確定合適的ANR。在運轉過程中，可從圖譜中確定目前工況點的相應ANR，并在劑量系統中實現。更先進的系統還可以考慮瞬態效應，如在溫度升高期間需要暫時減少劑量，以避免過多的NH3逃逸。圖譜方法的缺點是繪制會非常耗時，而且在發動機或后處理系統改變后需要重新繪制圖譜。

6.4基于建模的策略

基于建模的策略是以SCR催化器的數學模型為基礎的。利用該模型，可以實時計算預期的NOx轉化率和NH3逃逸量，以便為劑量決策提供依據，可以區分為瞬態模型和穩態模型。原則上，穩態模型可用于對給定工況點確定合適劑量的ANR，但本質上無法描述與溫度等相關變量的瞬態效應。而瞬態模型可以描述這些效應，因此可以用劑量策略對它們進行補償。基于模型的策略，其性能取決于基礎模型如何對SCR催化器進行描述。附加的調整參數通常與針對的法規，以及發動機和后處理系統的其他特性有關。

6.5各種尿素劑量策略的試驗對比

劑量策略對NOx減排有相當大的影響，它會受到NH3逃逸的約束。采用1臺13L無EGR發動機在僅用SCR后處理系統的情況下進行了歐5驗證試驗。催化器尺寸為： 直徑12.7in，長度12in，SCR催化器的體積約25L(約為發動機排量的1.9倍)。

圖4為采用3種不同尿素劑量策略時的累計NOx比排放量。“MB2”為基于瞬態模型的策略，“MB1”為基于穩態模型的策略，“ANR”為ANR值0.75倍的ANR策略。圖4顯示了每種策略相應的平均NH3逃逸水平。可以看出，3種策略均能滿足2g/(kW·h)的NOx排放限值。然而，采用ANR策略時，平均NH3排放水平為30×10-6，即比25×10-6的目標值高出5×10-6。另外，用較低的ANR系數進行了附加試驗。正如預料的那樣，在較低的ANR系數下可以滿足平均NH3排放限值，但是會導致太高的累計NOx比排放量。因此，可以得出結論，對于上述采用現有后處理系統的應用實例，沒有1個單一的ANR值可以同時滿足2種排放物的限值。

然而，基于穩態模型的劑量策略能同時滿足法規要求的NOx和NH3排放水平。另外，基于瞬態模型的策略可在保持NOx轉化率的情況下使平均NH3逃逸量減少約8×10-6。由圖4中的累計NOx比排放量曲線明顯可以看出，基于瞬態模型策略的曲線形狀與其余2條曲線有明顯的差異。在試驗循環的400s和約1000s后有2個較低的NOx轉化率時段。這兩個時段在圖2試驗循環中的特性顯示，較低轉化率時段正是在排氣溫度快速變化時發生的。如前所述，這會引起從SCR催化器有過多NH3逃逸的風險，因而采取的劑量策略是要在相關時間點減少劑量。提高尿素劑量策略的精度可以增加現有后處理系統達到法規限值的裕度，或減小特定發動機后的處理系統尺寸。

圖4　采用3種不同劑量策略時的歐5累計NOx比排放量

圖5所示的后處理系統包括1個SCR和1個ASC催化器。采用基于瞬態NH3模型的策略和ANR為 1.2 的策略時，ASC后的NOx排放水平高度相似，但是NH3逃逸峰值和NH3平均逃逸量有很大差異。

圖5　采用基于模型或ANR尿素劑量策略時SCR+ASC后處理系統的累計NOx比排放量和NH3逃逸量

6.6保溫技術

排氣溫度對后處理系統的性能有較大影響。正如上一節中所述，排氣溫度快速變化會使NH3逃逸量上升，從而對劑量策略提出了挑戰。排氣溫度也是決定SCR轉化效率的因素之一，排氣保溫是改善后處理系統整體性能的有效熱管理手段。

圖6為符合歐5中NOx和NH3排放限值的2次ETC試驗循環的累計NOx排放量和排氣溫度。其中1次試驗循環僅采用無保溫的SCR系統運行，其催化器體積是發動機排量的1.9倍，另一次試驗循環在發動機與催化器之間，以及催化器本身都采用了保溫措施。后處理系統有保溫時累計NOx比排放量約比標準后處理系統的低10%左右，它是通過采用催化器體積-發動機排量比為1.7得以實現的。整個試驗表明，保溫的效果是顯而易見的，尤其是在排氣溫度最低的時段效果更為明顯。試驗采用如前所述的相同方式進行，在2次連續的試驗循環之間有10min的保溫期。這表明，保溫的好處不僅能減少當前試驗循環期間的熱量損失，而且還能提高起動溫度，因為在保溫期間能降低催化劑的冷卻溫度。增加保溫可以使催化器體積減小10%左右，并能有10%的NOx達標余量。

圖6　有保溫和無保溫時的歐5累計NOx比排放量和排氣溫度曲線

7針對歐5以后法規的熱管理

歐5以后法規對后處理系統的要求有若干變化。歐6法規規定了相當低的累計NOx比排放量限值，同時還規定了平均和最高NH3逃逸限值，以及顆粒物排放限值。相應的瞬態試驗為WHTC，按該試驗循環運行時，大部分時間的排氣溫度都比較低。

圖7為1臺無EGR發動機按冷態和熱態WHTC試驗運行時的累計NOx比排放量、排氣溫度和排氣質量流量。累計NOx比排放量約為 12g/(kW·h)。試驗循環中有幾個階段的排氣溫度處于或低于200℃，這對尿素劑量策略提出了挑戰，并會限制SCR催化器的有效轉換效率。

7.1排氣節流熱管理

除了保溫外，熱管理是1種影響排氣溫度的有效工具。熱管理的1種形式是排氣節流(有時也稱為排氣制動)。在行駛和怠速過程中，通過部分關閉排氣節流閥，可以減少排氣溫度的下降，也能使整個試驗循環中總體保持較高的排氣溫度。

圖7　按冷態和熱態WHTC試驗循環運行時的累計NOx比排放量、排氣溫度和排氣質量流量

圖8為有和沒有熱管理及保溫時1次熱態WHTC試驗中達到的累計NOx比排放量和SCR進口溫度。這些試驗在1臺11L裝有整套歐6后處理系統(包括DOC，DPF，SCR和ASC)的無EGR發動機上進行。NOx排放在ASC后測量，排氣溫度在SCR催化器前測量。需要指出的是，在發動機與SCR催化器之間存在著明顯的溫度“過濾”。該“過濾器”的熱量導致冷態試驗循環的加熱時間大大增加，但在隨后的熱態試驗循環中產生了較高的起動溫度。可從圖8中的溫度曲線看出，在試驗的第1min內實現了可觀的溫度提升。特別是該試驗循環的低排氣溫度時段被完全消除。采用熱管理試驗時的NOx水平約為0.05g/(kW·h)，后處理系統不用熱管理時的NOx水平為1.7g/(kW·h)。

圖8　用和不用熱管理及保溫時的累計NOx比排放量和SCR進口溫度

7.2起動/停機熱管理

通過排氣節流的熱管理會引起一定的燃油損失。在圖8所示的試驗中，燃油耗增加了約1.5%。1種能夠實現較低燃油損失的有前途的熱管理技術是起動/停機熱管理。發動機停機能阻止冷排氣流經系統，從而可以減少后處理系統的冷卻，并能降低燃油消耗。1個有益的附帶效果是，在發動機停機期間沒有尿素供應，從而進一步降低了運行成本。圖9是采用熱管理時的試驗結果與采用起動/停機技術試驗結果進行的比較。其尾管的NOx排放和排氣溫度曲線與采用排氣節流時獲得的曲線非常相似，且燃油耗降低了約6%，尿素消耗率降低了約28%。應該指出的是，在歐6法規中，WHTC試驗的加權排放目標為0.46g/(kW·h)。

圖9　　　　采用熱管理和起動/停機時的累計NOx　　　比排放量和SCR進口溫度

8總結

本文闡述了有關重型載貨車實現歐4、歐5及未來排放法規的幾個問題。無EGR發動機可以達到較低的燃油耗和較低的顆粒物排放。試驗結果表明，僅采用SCR系統(SCR體積與發動機排量之比為1.3)時可以使較高的NOx排放降低到歐4水平。僅采用ASC后處理系統的試驗表明，引入ASC有進一步減小系統的體積和增加法規限值達標的裕度。必須通過對ASC的價格和SCR體積相應減少的價格進行比較后找出最經濟的解決方案。

歐5法規提出了更為嚴格的排放限值，從而也增加了對更先進尿素劑量策略的需求。對幾種策略進行了討論，并對ANR劑量策略和2種基于模型的劑量策略進行了比較。需要考慮的與劑量策略相關的其他因素是傳感器信號的質量和可用的計算資源。在本文介紹的試驗中，傳感器用來獲取NOx排放、溫度和流量的信號，用以作為計算尿素加注率的基礎。另一種選擇是從發動機特性圖譜中獲得1個或幾個信號。這可以降低安裝成本，因為不需要額外的傳感器，然而，在考慮運轉條件(如環境溫度和濕度)的變化時需要面臨更大的挑戰。

通過歐5試驗，說明了后處理系統保溫的好處，試驗顯示尾管NOx排放降低和SCR體積減小都得以實現。應當指出，本文給出的試驗結果都是在發動機不安裝專用消聲器的情況下得到的。使用消聲器時產生的排氣保溫水平肯定會超過在這些試驗中觀察到的基本保溫水平。

針對歐5以后的法規，保持后處理系統滿足有利工作溫度的重要性變得更加明顯。通過在WHTC試驗循環的行駛和怠速過程中采用排氣節流，試驗證明了熱管理對歐6系統尾管排放的顯著影響。結果是NOx比排放從1.7g/(kW·h)降低到了0.05g/(kW·h)以下。后處理系統效率的這一改善會在節流閥起作用時導致一定的燃油損失。

對起動/停機技術也進行了試驗驗證，它能使NOx轉化率有類似的改善，同時還能降低燃油和尿素消耗，有可能在改善后處理系統溫度的同時限制燃油損失。另一項措施是，在低功率運行時采用停缸技術。這能使其余氣缸的指示平均有效壓力增加，從而在保持輸出功率的情況下增加排氣溫度和減少排氣流量。

參考文獻

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程玉發譯自SAEPaper2015-26-0103

朱炳全校對

虞展編輯

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(收稿日期：2015-08-17)