不使用尿素溶液的氮氧化物及颗粒减排后处理系统的开发

2015-01-09細谷満木村昌裕大井寛佐藤信也平林浩

汽车与新动力 2015年5期

【日】細谷満木村昌裕大井寛佐藤信也平林浩

0 前言

由于柴油机在热效率方面具有优势，CO2排放量少，燃油耗低，因此被广泛用作商用车的发动机。另一方面，基于对环境保护及人体健康的密切关注，同样也要求能降低柴油车的氮氧化物（NOx）及颗粒（PM）排放量。为进一步减少废气排放，必须在进一步改进发动机以降低其自身废气排放的同时，充分利用排气后处理技术来减少车辆的废气排放。

在日本及欧美等先进国家，大型柴油商用车的排气后处理装置一般会采用柴油机颗粒捕集器（DPF）＋尿素选择性催化还原（SCR）系统的组合。虽然这一技术现已进入实用化阶段，但仍存在供应尿素溶液的基础设施不完善的课题。为解决这一课题，日野汽车公司开发了一种整体型催化转化系统，将燃油作为反应促进剂，可以同时降低NOx及PM排放。

1 开发目标

与大型柴油商用车不同，中小型柴油商用车多数在市区道路等较为狭窄的区域行驶，如使用传统的DPF＋SCR系统作为后处理装置，就需要有足够数量的尿素溶液供应设施，而在日本，目前能供应尿素溶液的加油站仅占总数的6%左右，尿素溶液的供应设施基本还处于不完善的状态。另一方面，随着经济的发展，新兴国家的车辆保有量剧增，随之而来的是大气环境出现恶化趋势，为此，必须尽早引进相关的环保技术。然而，同样也是由于供应尿素的基础设施不够完善，迫切要求能开发出不使用尿素溶液的车用排气后处理系统。此外，由于传统尿素SCR系统的体积较大，部分中小型柴油商用车也无法配装这一系统。为解决上述问题，日野汽车公司的研究人员开发了结构紧凑的整体型催化转化系统，将燃油作为反应促进剂，可以同时降低车辆的NOx及PM排放。

2 技术内容

新开发的NOx及PM减排后处理系统的最大特征就是不使用尿素溶液，能在同一个催化转化器中同时降低NOx及PM排放。由于该系统是使用柴油降低排气中的NOx，同时使DPF中捕集的碳烟燃烧再生，因此不需要任何供应尿素溶液的装置。并且，与传统柴油车相同，配装新系统的车辆只须加注柴油即可行驶。新开发的排气后处理系统由后置涡轮催化转化器（ATC）、燃油添加阀、前段氧化催化转化器、DPF，以及后段氧化催化转化器构成。使用燃油添加阀，向安装催化剂的转化器中供给作为NOx还原剂的柴油燃料。根据催化转化器中温度传感器及NOx传感器的输出信号，发动机电控单元（ECU）能精确地推断催化剂的工作环境，并实施优化控制，以确定最佳的燃油添加量，最大限度地降低NOx排放。另外，为了缩短DPF的再生时间，必须在以升温模式运转时，快速升高氧化催化转化器的温度。因此，在发动机涡轮出口下方设置ATC，以促进ATC中催化剂的早期活化，与向排气管中添加燃油的方法相结合后，可大幅缩短DPF中的PM燃烧再生时间。

图1示出了同时降低NOx及PM排放的催化剂反应机理。在PM的氧化反应中，氧化铈中的活性氧降低碳烟氧化的开始温度，促进PM的氧化燃烧。进而，在降低NOx排放的反应中，由于氧化铈中活性氧的作用，促进作为反应媒介物的含氧化合物的生成，从而提高系统降低NOx排放的性能。

3 开发成果

针对DPF中所用催化剂的PM氧化性能，采用热重-质谱仪，测试涂覆铂颗粒的氧化铈催化剂的PM燃烧特性。由结果可知，相比传统使用铂-氧化铝催化剂的DPF（PM燃烧温度650℃），使用铂-氧化铈催化剂的DPF的PM燃烧温度仅480℃，大幅改善了PM燃烧再生性能。

在降低NOx排放方面，铂催化剂的改进效果示于图2。在200～250℃条件下，能够确保新系统降低NOx排放的性能与传统尿素SCR系统的不相上下。由此，可在低温条件下将降低NOx排放的催化剂活性由40%提高到80%。

图3为车辆采用新开发的NOx及PM减排后处理系统后，在市区道路行驶工况下的减排效果。新系统使用同一个催化转化器，不仅可以降低NOx及PM排放，而且还能大幅降低非甲烷碳氢化合物（NMHC）及CO的排放量。

新开发的NOx及PM减排后处理系统也被称为“HC-SCR系统”。与采用传统尿素SCR系统的车辆相比，采用HC-SCR系统的车辆由于无须安装尿素溶液罐、尿素供给装置，以及SCR催化转化器等，系统结构更为紧凑，配装性能好，可以满足用户多样化的使用需求。与传统4t级商用车的尿素SCR系统相比，新系统的成本降低30%，质量减轻80kg，体积（占用空间）减少50L。自2010年起，新系统已配装于日本国内的中小型商用车，到目前为止，其产量已超过10.7万台。