歐4與歐5柴油機排放控制系統(tǒng)綜述
DOC裝置可以將總微粒(TPM)中的可溶性有機組分(SOF)氧化成CO2和水。還能將排氣中的CO和HC氧化成CO2和水。與控制TPM、HC和CO排放不同,NOx需要被還原成氮(N2)和水。為滿足歐4和歐5標(biāo)準(zhǔn),發(fā)動機制造商將必須采取發(fā)動機改進、使用含硫量極低的燃油以及排放控制系統(tǒng)等技術(shù)措施。歐4和歐5標(biāo)準(zhǔn)要求柴油含硫量不超過50X10-6,而美國2007年和2010年法規(guī)則要求將柴油含硫量降低至15×10-6。
其理由:(1)發(fā)動機排放的SO3遇水會生成硫酸,它是TPM的—部分;(2)硫極易被大多數(shù)排放控制系統(tǒng)采用的鉑催化劑從SO2氧化為SO3;(3)硫會使稀NOx捕集器(LNT)和含鈀等催化劑中毒失效。需要采用一種能氧化CO與HC、而又不會使SO2氧化的技術(shù)。一種硫酸鹽抑制劑可改變鉑的選擇性。降低SO2的活性。
采用一些方法克服TPM的低反應(yīng)活性:(1)使TPM中的SOF組分氧化;(2)將顆粒捕集到過濾器中并在高溫下使它氧化;(3)通過NO氧化成NO2,使之產(chǎn)生一種更具反應(yīng)活性的氧化物形式。利用過濾器捕集TPM并定期在高溫下使過濾器再生的方法已在美國2007年所有重型柴油車和歐洲大多數(shù)柴油客車上投入商業(yè)化應(yīng)用。在需要降低顆粒排放及使用鉑的場合,幾乎全部都采用NO2來氧化碳煙。在不需要完全過濾TPM的某些場合,采用一種分流式過濾器或者采用一種通過載體的標(biāo)準(zhǔn)氣流就足以滿足需要。一套DOC裝置可以去除廢氣中20%-60%的顆粒。去除NOx的第一種技術(shù)是稀NOx催化(LNC)。這項技術(shù)已在要求將NOx排放降低5%-10%的場合應(yīng)用于輕型柴油車。在排氣中添加額外HC可使NOx的降幅擴大至10%-20%。
主要的缺點:在150-200℃之間大多數(shù)LNC催化劑會生成大量N2O。柴油機LNT在稀氣條件下使NOx吸收在LNT中直到NOx的數(shù)量達到LNT的容量為止。當(dāng)NOx達到峰值時開始脫附并與CO和HC反應(yīng)生成N2和水。這項技術(shù)最初應(yīng)用于美國的乘用車和中型載貨車。但燃油中的硫會對LNT的性能和耐久性產(chǎn)生很大影響。第三種技術(shù)是SCR,使用的還原劑并非CO和HC,而是氨。
汽車選用的SCR還原劑通常為32.5%(質(zhì)量百分比)的液態(tài)尿素溶液。目前有幾種商用SCR催化裝置可供選用,包括釩氧化物、低溫沸石和高溫沸石。釩基SCR裝置適于在200-550℃溫度范圍內(nèi)工作,但當(dāng)它暴露在600℃以上的環(huán)境時會很快失去活性。低溫沸石裝置起作用的溫度為150-450℃,正準(zhǔn)備用于輕型柴油乘用車。高溫沸石起作用的溫度為250-700℃(在SCR裝置前安裝DOC裝置有可能使其作用的溫度下限降低到200℃)。
高溫沸石裝置將主要用于美國2010年發(fā)動機和歐4發(fā)動機的NOx還原,該過濾裝置需要在600℃以上進行有源再生、發(fā)動機制造商面臨設(shè)計上的選擇:發(fā)動機NOx排放控制與TPM排放控制系統(tǒng)相結(jié)合,或發(fā)動機TPM排放控制與NOx排放控制系統(tǒng)相結(jié)合。歐洲有兩家發(fā)動機制造商選擇了前者,但大多發(fā)動機制造商都選擇了SCR,這是因為它允許發(fā)動機針對低顆粒、高NOx及最大燃油經(jīng)濟性進行優(yōu)化。另外,歐洲現(xiàn)有的SCR排放控制系統(tǒng)有能力在改動最小的情況下(提供更高的尿素噴射率等方法)達到歐5排放標(biāo)準(zhǔn)。歐洲重型柴油車都選擇釩基SCR系統(tǒng)是因為它具有最佳的成本—效益比。在不采用DOC裝置的情況下達到歐4標(biāo)準(zhǔn)要求的、60%-70%的NOx轉(zhuǎn)換率也是有可能的。這一方法有利于在無法供應(yīng)低硫燃油的地區(qū)使用。
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