稀燃技術(shù)在柴油機上的應(yīng)用

稀燃技術(shù)在柴油機上的應(yīng)用

隨著中國經(jīng)濟和城市化進程的加快，汽車產(chǎn)量和產(chǎn)量快速增長。在機動車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的同時,也帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。針對機動車尾氣排放的嚴(yán)重環(huán)境污染問題,世界各國制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī),如圖1、圖2所示。此外,隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格,溫室氣體CO2的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越受到關(guān)注。隨著全球石油資源短缺的日益加劇和溫室氣體效應(yīng)(CO2)增加,國內(nèi)外均有轎車柴油化的趨勢。自20世紀(jì)70年代,歐洲和日本就基本實現(xiàn)了載貨汽車和大型客車柴油機化態(tài)勢。目前,歐洲轎車年產(chǎn)量中40%已采用柴油發(fā)動機。中國在節(jié)能減排政策的推動下,具有較好燃油經(jīng)濟性和排放特性的柴油車越來越受到青睞。目前,柴油轎車保有量僅為整體市場的0.2%,預(yù)計到2020年,中國柴油轎車占有率將達到30%。與汽油車相比,柴油車采用稀燃技術(shù),不但效率高,還可以大大減少CO2排放量。在排放法規(guī)日趨嚴(yán)格并逐步與國際接軌的情況下,重點開展?jié)M足國IV階段以上標(biāo)準(zhǔn)的機動車整車排放凈化集成技術(shù)與設(shè)備的研制開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化是今后中國機動車污染控制研究的主要方向。柴油機尾氣主要污染物NOx與顆粒物(PM)的凈化是一個系統(tǒng)工程,應(yīng)是燃油品質(zhì)、機內(nèi)凈化與機外后處理技術(shù)三位一體的有機整合。1燃油硫含量的影響燃油是汽車發(fā)動機的動力源,燃油質(zhì)量不僅直接關(guān)系到汽車的動力性、經(jīng)濟性、耐久性,而且對汽車的排放性能也起著至關(guān)重要的作用。進入21世紀(jì)以來,美、歐、日等國家均對燃油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求,為新排放控制技術(shù)的應(yīng)用和保障車輛排放性能的耐久性提供必須的支持條件。美國和歐洲分別在1993和1996年以前使用的柴油中硫含量都超過5000mg/L,1994和1996年美國和歐洲分別開始降低燃油中的硫含量,這類燃油稱之為低硫燃油(LowSulfurDiesel,LSD)。隨著歐洲2005年法規(guī)和美國2007年法規(guī)的繼續(xù)實施,燃油硫含量進一步降低,從而出現(xiàn)了硫含量低于15mg/L的超低硫含量燃油(UltraLowSulfurDiesel,ULSD)。另一方面,由于硫會增加燃油的潤滑性,低于15mg/L的ULSD可能會增加燃油噴射系統(tǒng)磨損,因此降低燃油中的硫含量需要采用潤滑添加劑提高潤滑性能,保證柴油機噴射系統(tǒng)正常工作。與國外燃油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比,中國在該方面控制較為寬松,因而對催化凈化器產(chǎn)品的抗中毒性能提出了更高的要求。研究表明,穩(wěn)態(tài)工況中ULSD對PM的質(zhì)量和數(shù)量濃度幾乎無影響,但在瞬態(tài)工況中燃油硫含量對核態(tài)顆粒物有明顯影響。在減速過程中,由于排氣溫度低,碳煙排放也低,高濃度的未燃潤滑油成分和硫酸鹽先驅(qū)物一起形成核態(tài)PM;在加速過程中由于排溫高,碳煙排放高,從而阻止了核態(tài)PM形成。研究表明,柴油中的硫含量對ESC循環(huán)的PM排放有較大的影響,當(dāng)柴油硫含量達到670mg/L時,ESC循環(huán)硫酸鹽排放量即達到歐IV/歐V排放法規(guī)PM限值0.02g/(kW·h);若采用硫含量為350mg/L的歐III柴油,其ESC循環(huán)硫酸鹽排放量約為0.01g/(kW·h),占歐IV/歐V排放限值的50%;若使用硫含量為50mg/L的歐IV柴油,其ESC循環(huán)硫酸鹽排放量約為0.0015g/(kW·h),占歐IV/歐V排放限值比例小于10%。柴油和潤滑油中的硫和磷不僅對發(fā)動機性能和原機排放有明顯影響,同時影響著后處理裝置性能。研究發(fā)現(xiàn),1%的硫酸鹽灰分會在(2.7—4.9)×105km內(nèi)造成微粒捕集器(DPF)的背壓增加一倍,當(dāng)硫酸鹽灰分增加到1.6%,DPF的背壓會在(4.5—1.1)×105km內(nèi)增加1倍。另一方面,磷堆積物會在氧化性過濾器(CatalystSootFilter,CSF)的碳煙表面形成保護層,從而阻止碳煙被氧化。硫和磷對LNT(LeanNOxTrap)的轉(zhuǎn)化效率都有較大的影響,最高可使其效率分別降低90%和40%。相對潤滑油而言,燃油中的硫和磷對LNT的性能影響更大。2廢氣再循環(huán)技術(shù)機內(nèi)凈化技術(shù)主要包括進氣管理技術(shù)、新型燃燒技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)等。這些機內(nèi)凈化技術(shù)的不斷發(fā)展,提升了柴油機的渦后排放物水平,降低了對排放后處理的性能要求,實現(xiàn)了機內(nèi)凈化和后處理協(xié)同作用,使柴油機排放能夠滿足越來越嚴(yán)格的法規(guī)要求。2.1排放高時效,控制pm采用增壓器技術(shù)可以增加進氣壓力和部分負荷的廢氣再循環(huán)率(EGR率),實現(xiàn)較穩(wěn)定的低溫燃燒。目前使用較多的增壓器包括可變參數(shù)增壓器(VGT),二級增壓系統(tǒng)和電動增壓器。采用二級增壓系統(tǒng)提供高進氣效率,同時配合高EGR率,能夠?qū)崿F(xiàn)缸內(nèi)高的已燃氣體比例和高的空氣燃油比率,達到超低NOx排放和高熱效率,同時控制PM排放。由于已燃氣體可通過稀釋作用降低工質(zhì)的氧含量,減少燃燒溫度,進一步,如果同時對燃燒正時優(yōu)化調(diào)整,發(fā)動機效率不會受到影響。增壓系統(tǒng)能提供足夠的過量空氣實現(xiàn)稀薄燃燒,避免出現(xiàn)富油區(qū)域,防止PM形成,同時由于形成了快速燃燒和高的熱指示比,從而具有高效率。采用二級渦輪增壓并匹配低壓和高壓EGR可以在不使用后處理的情況下,同時降低NOx和PM排放,達到歐VI排放要求,并保持燃油經(jīng)濟性不變。相對于選擇性催化還原(SCR)技術(shù)路線,冷卻EGR是降低排放的另一種方式。為了提高冷卻EGR率,需要使用可變截面增壓器調(diào)整廢氣壓力,從而連續(xù)調(diào)整增壓器膨脹比,實現(xiàn)不同工況下的壓力差,使得廢氣能夠順利進入進氣總管。霍爾賽特滿足2010美國EPA法規(guī)的VGT采用了軸向滑行的噴嘴環(huán),減少了摩擦點;采用鋁制葉片替代昂貴的鈦質(zhì)葉片;通過壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計改進了增壓器的喘振特性,從而可以滿足高流量和低流量工況需要。2.2燃燒系統(tǒng)的改進采用均質(zhì)燃燒或部分均質(zhì)燃燒,可以使柴油機同時降低NOx和碳煙排放。均質(zhì)燃燒(HomogenousChargeCompressionIgnition,HCCI)、高預(yù)混燃燒和低溫燃燒都需要通過燃燒系統(tǒng)改變空氣和燃油混合或稀釋過程實現(xiàn)。這些燃燒模式可以通過減小壓縮比(14:1,16:1)或采用低/高EGR率增加著火滯燃期,從而增加空氣和燃油混合的均勻程度,減少當(dāng)量混合比,防止碳煙形成。采用高EGR率能夠明顯降低燃燒室溫度和氧含量,從而使得NOx排放降低。但上述燃燒存在著運行區(qū)域比較窄、中高負荷工況時放熱率難于控制等問題。由于采用高比例的冷卻EGR率,低溫燃燒的滯燃期長,減少了工質(zhì)的最高當(dāng)量比。雖然低溫燃燒減少了NOx排放,但因后期燃燒緩慢,熱效率降低。采用小直徑噴嘴是降低最高當(dāng)量混合比的另一種方式。為保證全負荷的功率,通常需要增加小直徑噴嘴數(shù)量,但同時也會增加全負荷煙度,也可能產(chǎn)生沉積物,使噴嘴直徑減少的尺度受到限制。改進燃燒系統(tǒng),加強后期燃燒氧化,能夠明顯降低碳煙排放。通過噴射和渦流的相互作用,可以在燃燒室內(nèi)形成分層的高渦流和低渦流工質(zhì)流動。通常對燃燒系統(tǒng)的設(shè)計采用CFD仿真計算開發(fā)燃燒室?guī)缀涡螤?通過單缸機驗證,匹配燃燒室和噴嘴,實現(xiàn)對燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化。采用該方式可以有效降低柴油機碳煙和NOx排放,達到國IV/國V排放標(biāo)準(zhǔn)。采用汽油預(yù)混燃燒降低排放也是一種新的燃燒方式,它利用高EGR率的方式減緩、推遲燃燒,同時通過對工質(zhì)分層,實現(xiàn)使用濃混合氣點燃工質(zhì)的部分預(yù)混燃燒(Partially-PremixedCombustion,PPC)。Dec等采用汽油工質(zhì),使用60%EGR率,0.32MPa增壓壓力,指示熱效率達到47%(指示平均有效壓力1.65MPa),NOx排放低于US2010年法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),發(fā)動機壓縮比為14;Reitz等采用汽油工質(zhì),使用20%柴油,在2L單缸柴油機上達到了53%指示熱效率(1.1MPa平均有效壓力),NOx排放為20mg/(kW·h),PM排放為8mg/(kW·h)。2.3多次噴射的前景采用高噴射壓力的燃油噴射系統(tǒng),特別是共軌燃油噴射系統(tǒng),成為現(xiàn)代柴油機提高燃油經(jīng)濟性、降低噪聲和排放的重要手段。通過調(diào)整噴射參數(shù),可將燃燒放熱率曲線分成多個階段,或?qū)⒎艧釓纳现裹c偏離,以降低燃燒溫度。如果噴射接近上止點或推遲到上止點后,燃油和空氣混合的時間短,著火滯燃期也會變短,使得燃燒溫度低,阻止了碳煙的后期氧化。多次噴射策略主要涉及預(yù)噴,主噴和后噴。采用預(yù)噴的多次噴射將燃油分解成多個階段,使得放熱率曲線被分解,從而降低了峰值放熱和燃燒噪聲;由于柴油機多采用排放后處理,因此通過在膨脹沖程采用后噴,可有效提高排氣溫度,提高后處理裝置的效率;多次噴射可以通過改變?nèi)加驮谌紵业姆植紶顩r,改善燃油和空氣的霧化,減少當(dāng)量比和碳煙形成,從而在中等負荷工況增加EGR率,提前燃燒并接近上止點;多次噴射帶來的燃油冷卻作用可以降低工質(zhì)的當(dāng)量溫度,用于增加著火滯燃期,通過較長時間的混合作用,實現(xiàn)準(zhǔn)均質(zhì)燃燒,或者改進燃燒初期的放熱率,實現(xiàn)對燃燒噪聲,排放和燃油經(jīng)濟性的改善。多次噴射的問題主要在于需要盡可能地提高燃油噴射量的控制精度。提高燃油噴射速率可以提高發(fā)動機的指示功率,包括提高燃油噴射壓力或增加噴孔直徑。提高燃油噴射壓力能夠明顯降低碳煙排放,但增加噴孔直徑可能會增加部分負荷的碳煙排放。提高燃油噴射壓力,需要采用較高精度的壓力傳感器,擴大壓力測量范圍;其次,采用高壓閥保護系統(tǒng)安全;此外,還要采用高壓燃油泵提供燃油壓力。試驗表明,獲得高指示功率(90kW/L)需要增加最高缸內(nèi)壓力(20MPa),增壓壓力(0.34MPa)和燃油噴射壓力(250MPa)。Cummins公司的XPI共軌噴射系統(tǒng)可提供240MPa以上的噴射壓力,噴嘴采用中心壓力容腔結(jié)構(gòu),噴射壓力不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響,可實現(xiàn)5次噴射。由于采用了高壓噴射,減少了噴射持續(xù)期和放熱持續(xù)期,配合冷卻EGR實現(xiàn)了NOx和PM排放同時降低。2.4配裝水壓的排放控制EGR技術(shù)主要用以減少燃燒工質(zhì)的氧含量,并延長著火滯燃期。采用EGR是實現(xiàn)低溫燃燒的關(guān)鍵技術(shù),通常實現(xiàn)低溫燃燒的EGR率都在50%~65%,燃油噴射正時調(diào)整到壓縮上止點前20°-30°CA(發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角),或者推遲到接近上止點。Akihama等采用60%的高EGR率實現(xiàn)了低溫燃燒,其燃燒溫度遠低于碳煙生成所需溫度范圍,同時降低了NOx和碳煙排放。針對不同EGR率對缸內(nèi)燃燒和排放物生成的影響,Yao等研究發(fā)現(xiàn),在高EGR率時,柴油機的碳煙和NOx排放的相互影響、相互制約關(guān)系(trade-off)轉(zhuǎn)化為碳煙和燃油消耗量或HC和CO的相互影響、相互制約關(guān)系,并且很難通過改變?nèi)加蛧娚鋲毫?增加壓力等缸內(nèi)燃燒參數(shù)降低HC和CO排放,所以相對于高EGR率,柴油機采用中等EGR更適合未來排放策略。高壓EGR系統(tǒng)(HighPressure-EGR,HP-EGR)是用于歐IV以下發(fā)動機使用的EGR布置方式,它是在渦輪前端利用電控廢氣閥將廢氣引入進氣管,它需要解決較高的溫差和廢氣中的顆粒物腐蝕。由于HP-EGR減少了進入渦輪的廢氣流量,需要通過VGT減少葉片角度提高排氣背壓,從而提高壓縮比,保證發(fā)動機的功率。由于EGR率的不斷提高,HP-EGR系統(tǒng)配套的渦輪增壓器的操作工況不斷向喘振線移動,使得其他提供的進氣流量和壓力不足。低壓EGR系統(tǒng)(LowPressure-EGR,LP-EGR)即是滿足上述要求的系統(tǒng)布置,它是在渦輪后端將廢氣進入壓縮機入口。特別是柴油機顆粒物過濾器系統(tǒng)的應(yīng)用,廢凈化了EGR廢氣,使得LP-EGR系統(tǒng)得到了應(yīng)用。LP-EGR通常需要配備廢氣閥在排氣管和進氣管之間產(chǎn)生較高的壓力差,從而驅(qū)動較高的廢氣循環(huán),提供較大的EGR率。該布置方式會顯著增加渦輪流量,提高增壓器效率,特別是LP-EGR系統(tǒng)是在各缸廢氣混合后再利用,減少了不同氣缸帶來的EGR廢氣不均勻度。由于渦輪入口的焓較高,使得渦輪相對HP-EGR系統(tǒng)總是運行于高轉(zhuǎn)速,提高了瞬態(tài)響應(yīng)性能。EGR系統(tǒng)通常包括了一個EGR閥和廢氣節(jié)流閥,用于調(diào)整進入排氣管和EGR管路的廢氣比例,從而保證在不同的工況下實現(xiàn)不同的EGR率。3影響顆粒物排放的因素為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī),僅憑機內(nèi)凈化而沒有后處理技術(shù)的參與似乎不太可能。柴油機尾氣兩大污染物NOx與PM的形成與含量存在相互制約關(guān)系。努力減少其一,必然導(dǎo)致另一污染物增加。另外,盡管機內(nèi)凈化技術(shù)使顆粒物的排放總量得以削減,卻產(chǎn)生對人體危害更大的微細顆粒物,而未來的法規(guī)將會對柴油機顆粒物排放的數(shù)量進行限制。柴油機尾氣后處理研究圍繞消除NOx和PM展開,主要技術(shù)包括NOx凈化(De-NOx)催化劑、DPF和氧化催化劑(DOC)等。3.1柴油nox凈化方案柴油機NOx的消除是當(dāng)今研究者面對的挑戰(zhàn)與研究熱點,目前廣泛采用的柴油機NOx凈化技術(shù)方案包括選擇性催化還原法和NOx吸附還原法(NSR)等。3.1.1選擇性激活恢復(fù)技術(shù)3.1.2pt催化的其他催化劑1996年,豐田公司提出了氮氧化物存儲還原(NOxStorageReduction,NSR)技術(shù)。NSR技術(shù)的工作原理是:在稀燃(氧化性)階段,NOx經(jīng)吸附、氧化和擴散等過程,最后以鹽類形式被存儲于材料中;在富燃(還原性)階段,材料中存儲的NOx自發(fā)釋放,同時被尾氣中的CO、HC、H2和NH3等還原性分子高選擇性地還原為N2。NSR技術(shù)因具有脫硝效率較高、不需外加還原劑和開發(fā)成本較低等優(yōu)點,而成為適用于稀燃汽油機和輕型柴油機的一種脫硝手段。對NSR再生時策略的控制也是影響NOx轉(zhuǎn)化效率高低的重要因素。一般在實際使用時,是用發(fā)動機管理系統(tǒng)來控制發(fā)動機工作狀況產(chǎn)生富燃條件,以達到再生效果。NSR材料主要由載體、存儲組分和活性組分構(gòu)成。載體多為含Mg、Al、Ce、Zr、Si等元素的氧化物和復(fù)合氧化物;存儲組分通常是堿(土)金屬化合物,其中以鋇基化合物研究最多;活性組分通常是貴金屬。典型的NSR體系為Pt/Ba/Al2O3催化體系。目前NSR催化劑存在的主要問題是:活性溫度窗口較窄,存在硫中毒和老化燒結(jié)問題,成本較高。貴金屬作為活性組分,其作用是在稀燃階段將尾氣中NO氧化為NO2,提高NOx的存儲能力,富燃階段時與還原劑一起將釋放出的NOx還原為N2等氣體,常用的貴金屬是Pt,通常加入Rh促進NOx的還原。Theis等對不同貴金屬作為NOx儲存-還原催化劑的研究發(fā)現(xiàn),Pt在貧燃條件下對NOx的氧化活性較好,Rh在富燃條件下則表現(xiàn)出更高的NOx還原活性。Pt/Rh雙貴金屬催化劑表現(xiàn)出較高的低溫活性及熱穩(wěn)定性。Amberntsson等對Pt/Rh和單Pt催化劑的NOx儲存-還原性能和耐硫性能研究表明,Pt-Rh雙貴金屬催化劑的NOx儲存量比Pt催化劑少,但整體催化性能更優(yōu)且更容易脫硫再生。Rh基催化劑由于生成較多的NO2具有最好的儲存能力,但是Rh昂貴的價格限制了它成為NSR催化劑的主要成分,因此,Pt一直用作NSR催化劑主要活性組分。堿金屬和堿土金屬由于具有較強的堿性,主要作為NSR催化劑的儲存組分。雖然堿金屬的存儲能力和耐硫性比堿土金屬好,但堿金屬的堿性較強,不利于富燃階段NOx的釋放,另外堿金屬具有較低的熱穩(wěn)定性,超過750℃穩(wěn)定性明顯下降,會從催化劑上脫離;其次,堿金屬易溶于尾氣中凝聚的水,當(dāng)汽車由冷態(tài)熱啟動時會導(dǎo)致催化劑結(jié)構(gòu)坍塌。此外,一些過渡金屬作為儲存成分加入Pt/Ba/A12O3體系中制成雙金屬或多金屬協(xié)同儲存催化劑,對NOx具有較高活性;此外,添加過渡金屬后對抗硫性能有一定的促進作用。Wang等研究表明,添加Co后,在250—400℃區(qū)間表現(xiàn)出較高的NO氧化活性和N2選擇性。目前,用的最多的存儲成分是Ba,而且不同Ba負載量的樣品,存儲還原性能會有很大的差別。載體作為整個催化劑的骨架,應(yīng)該具有較高的比表面積和穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性,化學(xué)穩(wěn)定性和抗硫中毒)。目前研究較多的載體是Al2O3,由于γ-Al2O3在高溫下容易發(fā)生相變或與NOx吸附組分Ba反應(yīng)生成尖晶石結(jié)構(gòu)的BaAl2O4,導(dǎo)致NOx的儲存活性位損失,且其抗硫性有待提高。因此需添加助劑以提高催化劑的熱穩(wěn)定性和抗硫性。研究者將目光轉(zhuǎn)向CeO2、ZrO2、TiO2、CexZr1-xO2、SiO2-Al2O3、ZrO2-TiO2等新型NSR催化劑載體。Mg-Al-O類水滑石作為載體是近年NSR催化劑研究的熱點,具有低溫轉(zhuǎn)化性能好、抗硫中毒能力強等優(yōu)點。20世紀(jì)90年代開始,鈣鈦礦催化劑被廣泛研究作為貴金屬催化劑的替代者。Kim等最先提出以鈣鈦礦代替?zhèn)鹘y(tǒng)NSR催化劑,結(jié)果表明,La1-xSrxCoO3催化劑表現(xiàn)出較好的NOx氧化活性,La0.9Sr0.1MnO3催化劑具有Pt基催化劑相似的NOx還原性能。3.2顆粒捕集器dpf在柴油機的使用過程中會出現(xiàn)冒煙的現(xiàn)象,包括白煙、藍煙和黑煙。柴油機排放出的顆粒物包括除去未化合的H2O以外的所有固態(tài)碳基顆粒、液態(tài)燃油與機油以及無機物(附聚在碳基顆粒表面的SO2、NO2、H2SO3、Pb)等。20世紀(jì)80年代開始采用氧化催化劑去除PM。從1996年,HDi發(fā)動機技術(shù)取代IDI技術(shù),使PM排放量減少了60%,人們也更多地關(guān)注有機可溶物(SOF)的處理。但是,柴油機排放物中仍存在大量未處理的顆粒物,采用DPF可以有效去除大量顆粒物。2000年,法國標(biāo)致公司研發(fā)出DPF系統(tǒng),并用于柴油轎車,但用于中重型柴油車的時間較短,一開始主要為滿足日本2005年法規(guī)和美國2007年的法規(guī)要求。隨著柴油機排放法規(guī)日趨嚴(yán)格,越來越多的國家關(guān)注機動車小顆粒排放,而顆粒捕集器是未來解決顆粒排放物問題最有效的方法之一。DPF的研究主要集中在過濾材料和過濾體再生兩個關(guān)鍵技術(shù),目前這兩大關(guān)鍵技術(shù)都有所突破。3.2.1多孔碳化硅dpf在聚合物過濾方面的應(yīng)用PDF材料一般包括堇青石、鐵鉻鎳、鋁鈦酸鹽和多孔碳化硅。堇青石最初是為自動直流式催化劑載體而開發(fā)的,其熔點約為1450℃,在1250℃以上高溫與煙灰接觸時會被腐蝕,在通道壁上出現(xiàn)小孔和點蝕;此外,堇青石抗硫酸腐蝕性差。Fe-Cr-Ni合金具有良好的抗?jié)裎g性,簡單的霧化粉末生產(chǎn)工藝,適宜的導(dǎo)熱系數(shù),抗氧化性約為1050℃。多孔碳化硅DPF具有耐腐蝕和高機械性能,較好的熱容和熱導(dǎo),因此被廣泛地使用。多孔碳化硅DPF的碳煙負載率為10—15g/L,鋁鈦酸鹽DPF為8g/L,堇青石型DPF為4g/L。Karin等研究表明,采用碳化硅膜DPF使得顆粒物燃燒的活化能降低80—130kJ/mol,起燃溫度降低100℃。Wolff等研究表明,新型XP—SiC材料具有在較小的背壓下較高的過濾效率、較大載荷(初始載荷為0.4g/L,最大載荷可達8g/L)和較低成本等。DPF最常見的設(shè)計結(jié)構(gòu)是壁流式濾芯構(gòu)造(wall-flow)。也有包括采用陶瓷纖維制成的彈藥筒型的載體,采用各種泡沫或者燒結(jié)的金屬結(jié)構(gòu)。Mizutani等研究表明,采用入口隔膜式DPF具有較小的背壓,較高的碳煙負載率(SML),因此表現(xiàn)出較高的再生速率和較好的燃料經(jīng)濟性。Mey等研究表明,采用高孔隙率載體的DPF表現(xiàn)出較好的機械性能,當(dāng)涂覆特殊織構(gòu)SiC后具有較低背壓、較高催化活性和較好的抗熱老化性。3.2.2dpf再生燃燒研究DPF再生就是將捕集到的碳煙燃燒掉,避免堵塞通道內(nèi)壁,保持正常的捕集效率,以免造成較高的排氣背壓,惡化燃油經(jīng)濟性。實現(xiàn)DPF再生需要滿足兩個條件,即最低的碳煙燃燒溫度與足夠的氧供應(yīng)。DPF的再生通常包括主動再生和被動再生。實現(xiàn)DPF再生過程需要控制再生的開始時刻和再生過程的速率。(1)主動再生。主動再生是指不通過改變發(fā)動機的運行或結(jié)構(gòu)參數(shù),而是通過外部方式增加能量,提高排氣管溫度,完成再生過程。主動再生包括采用發(fā)動機管理、電加熱、燃燒器和微波加熱等。采用發(fā)動機管理通常通過共軌燃油噴射系統(tǒng)實現(xiàn)后噴,使得DPF前置的DOC能夠有充足的HC進行氧化反應(yīng),提高排氣溫度,從而達到點燃碳煙的溫度條件。這種再生方式可以同時實現(xiàn)主動再生和被動再生,提高DPF的再生效果。電加熱實現(xiàn)DPF的再生是一種簡單和便利的方式,它可以實現(xiàn)在發(fā)動機任何運行工況范圍內(nèi)對整體式陶瓷DPF的再生。電加熱主要的問題是消耗的電能成本比較高,并會對發(fā)動機排氣的氣體組分、濕度等造成影響,導(dǎo)致對系統(tǒng)的熱腐蝕。采用燃燒器實現(xiàn)主動再生的DPF系統(tǒng),通常包括一個使用空氣輔助的低壓燃油噴射系統(tǒng),該噴射器常安裝在DPF的上游,同時在噴射器鄰近處有一個點火器,用于將噴射到排氣管的燃油點燃燃燒。Lee等對DPF前加裝等離子輔助燃燒器再生方式路試結(jié)果表明,在行駛6.8×104km過程中,DPF較好地實現(xiàn)了連續(xù)再生。Alano等通過在系統(tǒng)中加裝燃料噴霧器,很好地解決了DPF再生時后噴帶來的油稀釋問題。(2)被動再生。被動再生是指實現(xiàn)再生不通過外部輔助的方式提高排氣溫度,進而達到再生的最低燃燒溫度,完成再生過程。被動再生主要包括在燃油中摻雜特殊添加劑,降低再生啟動需要的最低燃燒溫度或者通過氧化催化器的方式生成NO2,通過NO2和碳煙反應(yīng)完成再生。催化劑通?？梢杂脕韼椭鶧PF降低碳煙燃燒的點燃溫度,從而降低燃燒需要的排氣管溫度,節(jié)約能量。這些催化劑主要有3種:燃油添加劑型催化劑(Fuel-BorneCatalyst,FBC)、催化劑/DPF集成型和氧化碳煙過濾器(CatalyzedSootFilter,CSF)。FBC通常采用過渡金屬或貴金屬及合金充分地降低碳煙燃燒的溫度,包括Cu、Fe、Sr、Ce、Pt等。研究表明,采用上述添加劑,可以將DPF再生燃燒碳煙的溫度最低降到350℃,如果溫度更低,再生過程的發(fā)生將是隨機和不完全的。通常這種再生方式由于不可控使得再生過程不確定,背壓過度升高,DPF的碳煙負載率增加,可能會在再生過程中產(chǎn)生高溫從而損壞DPF,因此這種再生方式并不是特別適合的。1990年,J.Matthey提出的連續(xù)再生捕集器(ContinuesRegenerationTrap,CRT)即通過化學(xué)方法實現(xiàn)DPF再生。這種再生方式通過加裝氧化催化器(DOC)將發(fā)動機NOx排放中的NO轉(zhuǎn)化為NO2,提供足夠的氧給DPF,使得NO2和碳煙發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。采用該方法需要滿足以下條件:(1)柴油機使用的燃油硫低于50mg/L;(2)NOx和碳的比例應(yīng)該大于8,最佳比例20:1;(3)發(fā)動機每循環(huán)中至少有40%的時間里排氣溫度高于270℃。CSF是另一種被動再生的DPF系統(tǒng)。它通過Pt或Cu促使NOx生成NO2,實現(xiàn)NO2和DPF內(nèi)壁上捕集的碳煙發(fā)生和CRT相同的化學(xué)反應(yīng)。由于CSF在DPF的內(nèi)壁涂覆了Pt或Cu,減少了DPF捕集碳煙的面積,同時也減少了用于生成NO2的氧化涂覆層的面積,因此在性能上CSF比CRT差。通常,CSF要求的最低再生溫度為375—450℃。此外,由于在DPF中直接集成了氧化涂覆層,因此燃油中的硫含量對于DPF系統(tǒng)的性能也有很大影響,要求使用低硫含量的燃油,否則將會在高溫時生成硫化物,而降低對PM的凈化效果。Rhodia公司開發(fā)的EolysTM第三代FBC系統(tǒng)在減小儲油罐體積的前提下,同時使車輛免維護里程加長至2.4×105km。Tadrous等通過采用合成氣再生策略,使尾氣溫度從200℃升至650℃,保證了DPF的連續(xù)再生。Park等通過在CDPF中使用H2降低活性再生溫度。此外,針對采用DPF后增加的NO2排放問題,Johansen等采用鈀基涂層的BMC-211,結(jié)果表明,NEDC測試中較低的NO2排放,且具有相似的被動再生特性、壓降和NEDC及二次排放物。Iretskaya等對非貴金屬CDPF被動再生研究表明,顆粒物具有較低的燃燒溫度和較低的NO2排放。燃油對于DPF系統(tǒng)的硫化物形成、存儲和排放有較大影響,并且柴油機所用潤滑油對DPF系統(tǒng)也有較大的負面影響。研究表明,如果DPF中大量堆積了潤滑油灰分會嚴(yán)重影響DPF捕集效率、使用壽命和可靠性。為了避免灰分對DPF的影響,法國標(biāo)致公司的DPF系統(tǒng)要求車輛每運行8.0×104km就要對DPF進行維護檢查和清理。Ishizawa等對灰燼堆積量與DPF再生之間的關(guān)系研究表明,燃燒PM的量及再生溫度對灰燼的生成有較大影響,高孔隙率DPF材料結(jié)合主動再生方法有效降低了壓降增加速率。3.3氧化催化劑的種類對于柴油機而言,HC和CO排放問題仍然存在。如采用預(yù)混燃燒方式有效減少了NOx和PM的排放,但由于較低的燃燒溫度及低氧含量使得HC和CO排放增加。通常,DOC可以有效去除尾氣中的CO和HC。其中,HC排放物中既包括有輕碳氫化合物(如C2H4、C3H6等)又含有重碳氫化合物(如C10H22),因此對DOC也提出了較高的要求。氧化催化劑通常是以蜂窩陶瓷或蜂窩金屬為載體,其上負載氧化物涂層和活性金屬組分而成。常用的貴金屬組分為Pt、Pd等,氧化催化劑對排放物的凈化性能受柴油品質(zhì),特別是硫含量的影響。第一代DOC始于20世紀(jì)90年代,又稱為四效催化劑,主要用于去除PM中的有機可溶物(SOF)、CO、HC和NOx。DOC的核心部分為氧化催化劑,活性組分包括Pt、Rh和Pd等貴金屬,稀土或堿土金屬(La、Ce、Ba、Sr等)作為促進劑。對于貴金屬催化劑,不同成分的貴金屬決定著不同的催化劑特性。Pt的主要貢獻是氧化CO和HC,Pt對NO也起到還原作用;Pd在氧化型催化劑中的作用與Pt一樣,也是用來氧化CO和HC,但對這兩種有害排放物的氧化能力較Pt弱。在催化劑中加入Pd,主要是因為它可以和Pt起到協(xié)同作用,這種協(xié)同作用不但可以提高催化劑抗老化能力,還可以降低硫酸鹽的生成量。第一代DOC為Pt/Al2O3。目前,DOC的主要問題包括成本較高,起燃溫度較高及熱失活、化學(xué)中毒等問題。針對上述問題,Paulson等研究表明,Pd催化系中加入1%Au,改善了對HC和CO的活性,使HC(包括C2H4、C3H6、C10H22)的起燃溫度降低了60—70℃。Cavataio等和Kallinen等研究表明,Pt體系DOC催化劑中引入部分Pd,改善了HC和CO的起燃特性,隨著Pd含量的增加催化劑穩(wěn)定性增強,減低了高溫貴金屬汽化對SCR催化劑的毒化作用。Sumiya等通過改進催化劑的設(shè)計,改善了對HC和CO氧化活性的適用范圍(CO濃度,500—5000mg/L;HC濃度,500—5000mg/L;O2濃度:2%—15%)。4催化劑的國產(chǎn)化目前,柴油機污染物NOx和PM處理呈現(xiàn)多種技術(shù)并存局面。只有將燃油品質(zhì)、機內(nèi)凈化與后處理技術(shù)有機整合在一起,才能使柴油機尾氣排放滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。燃油品質(zhì)(十六烷值、蒸餾特性、硫含量、多環(huán)芳香烴含量、柴油黏度和密度等)的提高有助于改善柴油機動力性、燃油經(jīng)濟性和排放特性。此外,代用燃料(天然氣、液化氣、氫氣)、合成燃料(煤制油、天然氣合成油)、醇醚類燃料(甲醇、二甲醚、乙醇)、生物質(zhì)燃料(生物質(zhì)氣化、生物柴油)的逐步推廣使用為解決石油短缺和降低柴油車污染物提供了重要保障。采用機內(nèi)控制技術(shù)可以從根本上降低柴油機的渦后排放物,從而減少了對排氣后處理裝置的高性能要求。但在實際應(yīng)用中會帶來一系列影響,比如大幅提高EGR率將會使發(fā)動機的熱負荷急劇增加,加大了柴油機設(shè)計的難度,因此,目前的趨勢仍是使用中小水平的EGR率。此外,VGT增壓技術(shù)仍然存在著可靠性和耐久性需要進一步提高的問題。針對柴油機的主要排放物顆粒物和NOx。柴油機后處理技術(shù)出現(xiàn)多種技術(shù)集成的局面。中國的SCR技術(shù)正處于起步階段,至今仍未實現(xiàn)國產(chǎn)SCR催化劑的商業(yè)應(yīng)用。因此,立足于中國國情,開發(fā)出適用于中國機動車工況的高性能SCR催化劑,實現(xiàn)SCR催化劑的國產(chǎn)化是亟待解決的問題。目前,NSR技術(shù)研究主要集中在研究機構(gòu),離商業(yè)化應(yīng)用還有較遠的距離。NSR技術(shù)未來的發(fā)展方向集中在拓寬活性溫度窗口,降低成本,提高抗硫、熱老化性能以及與TWC、DOC和SCR技術(shù)的匹配研究。DPF研究主要集中在過濾體材料和過濾體再生兩項關(guān)鍵技術(shù)上。開發(fā)高性能的顆粒物過濾體材料是DPF研究要解決的首要難題。再生技術(shù)方面,主動與被動技術(shù)相結(jié)合,通過控制柴油機燃燒,以提高排氣溫度或提供氧化劑,然后再利用DOC的氧化反應(yīng)使排氣溫度進一步升高來再生DPF。此外,將柴油機控制、過濾體材料選擇和氧化催化劑改進等技術(shù)作為系統(tǒng)進行匹配與研究,是DPF再生技術(shù)發(fā)展的最新方向。(1)NH3-SCR1957年,Engelhard公司首先提出將NH3作為還原劑進行選擇性催化脫除氮氧化物的技術(shù)路線。技術(shù)原理是:在催化劑作用下,吸附態(tài)NH3可選擇性地將富氧氣氛中的NOx還原,將其轉(zhuǎn)化為無毒無害的N2和H2O,實現(xiàn)NOx催化脫除。NH3-SCR技術(shù)被歐洲與日本認為是未來中、重型柴油發(fā)動機符合未來排放法規(guī)的主要技術(shù)路線,美國正逐漸接受。在SCR技術(shù)中,關(guān)鍵問題是選擇優(yōu)良的催化劑,而催化劑投資約占SCR工藝總投資的1/3。根據(jù)柴油車尾氣的特點,柴油車尾氣脫硝對催化材料的要求是低溫活性好、抗硫中毒性能高、活性溫度窗口寬、熱穩(wěn)定性好且氨泄露率低。因此,高性能SCR催化材料開發(fā)是SCR技術(shù)的關(guān)鍵。NH3-SCR催化材料主要有貴金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、分子篩催化劑及其他催化材料4種體系。其中,V2O5-WO3-TiO2體系和分子篩體系應(yīng)用最為廣泛。V2O5-WO3-TiO2體系是煙氣脫硝中應(yīng)用較為廣泛的催化劑,在300—400℃范圍內(nèi)脫硝效率超過90%。此外,TiO2載體具有較強的抗硫中毒性能,適用于煙氣中的高含硫環(huán)境。盡管V2O5-WO3-TiO2體系已商業(yè)化,但仍存在如低溫活性不足、高溫?zé)岱€(wěn)定性差等缺點。而且V/W/Ti催化體系存在高溫V揮發(fā),有二次污染環(huán)境問題。針對上述問題,Chen等開發(fā)的低釩含量催化體系,即在0.1wt%V/W/Ti體系中引入10%Ce,在空速2.8×104h-1、200—500℃活性溫度窗口內(nèi)對NOx具有較高活性。Chapman等開發(fā)的新型鈦基催化體系(0.2wt%V),在原鎢鈦體系中引入Si或Si和Zr,該催化劑經(jīng)750℃水熱老化16h處理后,對NO仍具有較高的催化活性;經(jīng)過相當(dāng)于1.2×105km老化處理后,V流失量遠小于2.5μg/g。由于輕型柴油機與重型柴油機排溫范圍和空速差異較大,DPF再生產(chǎn)生的高溫,對催化劑活性溫度窗口和熱穩(wěn)定性都提出了更高的要求。與V2O5-WO3-TiO2相比,分子篩催化劑具有較寬的SCR反應(yīng)溫度窗口,在400℃以上具有良好的抗硫中毒性能和高溫下良好的熱穩(wěn)定性和低的SO2氧化能力。Cu分子篩的活性溫度區(qū)間為200—400℃,Fe分子篩為300—600℃。相對V2O5-WO3-TiO2體系,分子篩體系的主要問題是:水熱穩(wěn)定性較差、低溫抗硫性能較差、高溫選擇性較低和碳氫中毒。研究發(fā)現(xiàn),采用小孔結(jié)構(gòu)分子篩(如AFX、CHA等結(jié)構(gòu)類型),有助于改善水熱穩(wěn)定性。Kwak等發(fā)現(xiàn),采用Cu-SSZ-13結(jié)構(gòu)分子篩對NO表現(xiàn)出較高活性,在550℃時具有較高的N2選擇性。Ido等研究表明,NCH結(jié)構(gòu)分子篩表現(xiàn)出較高的NOx轉(zhuǎn)化活性,且有助于控制氨泄漏問題。Yang等最新研究表明,CuFe-ZSM-5分子篩催化劑在150—500℃范圍內(nèi)NOx轉(zhuǎn)化率可超過80%;此外,采用雙離子交換方法制得的分子篩催化劑大大減少了副產(chǎn)物N2O的生成?；趯Φ蜏豊Ox脫除需求,人們開始關(guān)注新型低溫催化材料。目前,研究較多的催化劑體系