《尿素SCR系统对柴油车NOx排放控制的进展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《尿素SCR系统对柴油车NOx排放控制的进展（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。
1、尿素SCR系统对柴油车NOx排放控制的进展 来源：本网讯 2007/02/05美 Tennison P Lambert C Levin M 【摘要】与相同技术的汽油车相比，柴油车具有工作效率高、燃油经济性好、HC、CO和CO2排放低等明显优势，但柴油机的NOx排放控制难度较大，这是因为排气中的O2浓度较高，传统的三效催化器无法解决。目前有2种车载系统能降低NOx的排放：以尿素水溶液作为还原剂的选择性催化还原 （SCR）系统和稀NOx捕集器（LNT）。研究探讨了SCR的应用。用氨作还原剂的SCR多年来一直用于固定源的排放控制，而尿素水溶液便于车载中制氨，且NOx的高效还原已在Ford车和其他使用
2、尿素的场合得到了验证。在改进的欧洲Ford Focus 1.8 L TDCi柴油机上采用绿色催化系统后，NOx尾气排放可降到超低排放（ULEV ）水平NOx 0.05 g/mile）。排放也达到美国联邦试验规程（SFTP US06）第二阶段（Tier 2）标准（非甲烷碳氢化合物（NMHC）+ NOx 0.14 g/mile）范围内。尿素SCR上游由发动机排出的HC和CO通过氧化催化器来转化，尿素水溶液由Ford公司开发的空气辅助喷射系统喷入废气流中，添加的尿素还原剂用作SCR金属沸石基的催化剂，在稀燃状态下将NOx还原为N2。 1 前言 为了满足未来的排放标准，柴油车的NOx和颗粒（PM）排放
3、是最受关注的问题。柴油车的CO2排放比现今的汽油车约低20%，而燃油经济性有可能高出40%。但是，由于排气中缺少还原物质，因此在稀薄（富氧）废气中去除NOx成了关键问题。用氨作还原剂的SCR技术一直被广泛用于固定源排放的NOx治理1。在富氧环境下氨与NOx的反应有较高的选择性，使SCR系统对轻型柴油车具有一定吸引力。与氨相比，尿素水溶液喷射装置更便于车载使用，其可行性已被Ford2、Volkswagen3、Mack Truck4及Daimler-Chrysler5公司的应用所证实。 个人用车配装尿素SCR系统需具备以下条件： （1）在加油站和维修点应有尿素水溶液供给设施； （2）尿素水溶液的添
4、加方式应便于司机操作。 尿素水溶液供给设施的使用期限已有相关论述68。其费用由Ford公司基于市场销售情况评估为0.503.00美元/gal，由此得出，轻型车中轿车的尿素消耗为4 000 mile/gal，较重的多功能运动车（SUV）为1 000mile/gal，其寿命周期（12万mile）成本约为15360美元，或小于柴油成本的5%。 添加尿素最好是在汽车加油时通过常规喷油嘴和加油管口同时进行，尿素的这种添加方式较为适宜。个人在这方面无需过多的知识和技巧，只要根据分配器上的提示和标价操作即可9。车载中混合添加尿素的方法已在轻、重型车运用上得到验证10。 本研究旨在对改进的欧洲Ford Foc
5、us 1.8 1TDCi柴油机排气系统，包括氧化催化器、尿素水溶液SCR系统和柴油机颗粒催化过滤器（CDPF）的转化效率进行评估，目的是论证其排放与ULEV排放标准NOx 0.05 g/mile、PM 0.01 g/mile、NMOG 0.040 g/mile和CO 1.7 g/mile）的可比性。同时也表明其排放达到Tier 2 SFTP US06工况标准（NMHC+NOx 0.14 g/mile）的可行性。试验采用含硫量约510-6的低硫柴油。全部车辆试验在美国密执安州迪尔伯恩市的Ford汽车研究和先进工程部的排放控制研究室中进行。 2 试验 21 化学试验 一旦与高温废气相遇，尿素水溶液
6、就能迅速分解成氨（NH3）。特别采用摩尔比NH3/NOx1（或略低于化学计量比），以避免NH3在流经SCR时“逸出”并随尾气排放进入大气中。另外，在速度和负荷突变时SCR能够储存NH3并起到暂缓的作用。尿素的分解和NOx的还原过程如下： 尿素分解： 理想的反应生成物应该是N2和NH3的氧化物，而非N2O。另外，在到达SCR催化器表面之前尿素不能完全分解2。 用于本研究的SCR催化剂是不含钒的金属沸石基，这一点已被证实，在宽广的温度范围内NOx具有较高转化率（图1）。该温度范围覆盖了车底温度，被典型用于轻型车的试验循环。在催化器中NO和NO2的混合增强了低温下NOx的转化。 图1 假设给料中NO
7、和NO2混合，排气流量为30 k/h时SCR催化剂的 典型性能（数据来自试验室单核流动反应器，NH3/ NOx摩尔比设置为1） 已有文献报道金属沸石基催化剂较适合于轻型柴油车。众所周知，沸石能够吸收NH3且吸收能力随温度的升高而降低，这可能导致NH3在流经SCR时逸出。沸石也吸收碳氢化合物（HC），在NH3温度400时会对NOx的转化不利，同时还影响FTP试验循环下轻型车的性能。硫也是目前存在于柴油和机油中的有毒物之一，所以，使用低硫燃油将使催化剂受到的影响最小。另外，温度450时可有效去除储存的HC。Ford公司正为此制定一种策略（作为独立的保证条件且具有DPF再生技术）。 34 快速升温程
8、序对PM再生的影响 除了对SCR碳氢化合物的中毒进行研究以外，还通过快速升温程序的几组不同标定方法对颗粒排放数量的影响及HC的逸出问题进行了研究（图7）。2种试验都在各自的循环工况下进行。从图中可以看出，快速升温在基础标定以上时PM排放明显增加，但与具有宽广性能标定的发动机（如延迟定时和/或提高EGR率）相比则增加不明显。另外，通过快速升温对可溶性有机成分（SOF）数量的影响也进行了研究，结果表明SOF的数量变化很小。如前所述，标定1的变量被用于之后的、最低限度降低PM排放和流经SCR时HC逸出问题的大多数试验中。 图7 FTP-75第一组（冷起动）循环期间有、无快速升温时测得的PM排放结果
9、35 US06试验性能 SCR温度高于FTP-75试验循环时的性能试验较为理想。在US06试验循环期间，由于整个过程车速较高和加速较大，产生的排气流量较高，使汽车排气温度明显升高，SCR的入口温度达到约400。US06试验循环采用3套循环系统：1个是升温循环，紧随着的是2个热循环。 表4是US06 （1/3冷，2/3热）9个试验循环的平均值。低里程下的排放水平可达到Tier 2 SFTP US06标准。NOx的平均转化率达80%以上。 通过进一步优化尿素喷射过程，有可能提高US06循环下NOx的转化，并能更好地了解SCR系统中NH3的储存/释放功能，试验结果见图8。每套装置的第一个冷态US06
10、试验循环中，在SCR下游常常可以探测到巨大数量的氨（当然还取决于前面的行驶状况和NH3的储存）。如前所述，SCR能储存氨且储存能力随温度升高而降低。图8是US06试验循环的3个不同起动性能的试验结果。试验A是在氨储存量最多的情况下开始的（由于在FTP试验循环期间缺乏高温），而试验C的氨储存量最少。随着SCR温度升高，在试验A和B中，氨从催化器中释放出来。这些数据表明由市区延伸至高速公路行驶可导致NH3的释放。然而，由于CDPF的氧化功能，所有试验的排气管中都没有氨排放出来。 图8 US06循环期间SCR后的氨排放量、SCR入口温度和车速。试验A是 在FTP-75 10个重复循环后US06的冷起
11、动循环，试验B是接着试验A 的US06冷起动循环，试验C是紧接着试验B的US06热起动循环 在CDPF下游几乎所有释放的氨都转化成了NOx，这给整个NOx，系统的有效转化带来负面影响（图9）。试验A中排气管NOx的累积超过试验C的5倍。排气管中NOx排放的增加与SCR后氨的排放直接相关，多余喷射的尿素（NH3）在低温下被储存在SCR中且在高温时释放出来（流经CDPF时再产生NOx）。随着尿素喷射系统性能的改进，可降低尿素过量喷射，因此减小了NOx 的重制。氨逸出重制的NOx可通过开发和利用先进的NH3储存策略和排气温度管理得到进一步控制。因此，尽管高温时降低了NH3的储存，但采用与NOx排气配
12、比相近的尿素配量系统时，可保持较高的SCR效率。 4 结论 通过氧化催化器、尿素水溶液SCR系统及CDPF的综合利用，在Ford Focus柴油车上论证的排放与ULEV 水平相差无几。同时也显示了该车排放达到Tier 2 SFTP US 06标准是可行的。然而，试验所用的是新开发的催化系统，其耐久性还有待证实。NOx的转化率在FTP-75冷起动循环时为90%以上，而在US06循环时为80%以上。快速升温策略、最具活性的SCR系统及尿素喷射量的有效控制使NOx 的高效转化成为可能。从SCR中逸出的氨完全被转化成NOx，未发现有氨排放到大气中。 图9 US06试验循环中SCR后的氨排放量与排气管中NOx的累积（试验循环同图8） 对尿素的未来研究工作包括对类似的排放控制系统在轻型货车上的运用论证，以及催化剂耐久性能的改进和DPF再生过程中的排放试验。另外，需要进一步了解SCR的储存和释放功能，并建立预测模型，以进一步提高尿素喷射系统的控制能力。
尿素SCR系统对柴油车NOx排放控制的进展
