歐4與歐5柴油機排放控制系統綜述
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標準,發動機制造商將必須采取發動機改進、使用含硫量極低的燃油以及排放控制系統等技術措施。歐4和歐5標準要求柴油含硫量不超過50X10-6,而美國2007年和2010年法規則要求將柴油含硫量降低至15×10-6。
其理由:(1)發動機排放的SO3遇水會生成硫酸,它是TPM的—部分;(2)硫極易被大多數排放控制系統采用的鉑催化劑從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。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,使之產生一種更具反應活性的氧化物形式。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柴油客車上投入商業化應用。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準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的第一種技術是稀NOx催化(LNC)。這項技術已在要求將NOx排放降低5%-10%的場合應用于輕型柴油車。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的數量達到LNT的容量為止。當NOx達到峰值時開始脫附并與CO和HC反應生成N2和水。這項技術最初應用于美國的乘用車和中型載貨車。但燃油中的硫會對LNT的性能和耐久性產生很大影響。第三種技術是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%(質量百分比)的液態尿素溶液。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℃溫度范圍內工作,但當它暴露在600℃以上的環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年發動機和歐4發動機的NOx還原,該過濾裝置需要在600℃以上進行有源再生、發動機制造商面臨設計上的選擇:發動機NOx排放控制與TPM排放控制系統相結合,或發動機TPM排放控制與NOx排放控制系統相結合。歐洲有兩家發動機制造商選擇了前者,但大多發動機制造商都選擇了SCR,這是因為它允許發動機針對低顆粒、高NOx及最大燃油經濟性進行優化。另外,歐洲現有的SCR排放控制系統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排放標準。歐洲重型柴油車都選擇釩基SCR系統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標準要求的、60%-70%的NOx轉換率也是有可能的。這一方法有利于在無法供應低硫燃油的地區使用。
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