第四级最终后处理策略评估

摘要

非公路机械包含了大量的使用着不同于道路上平台上所使用的后处理策略的平台。后处理策略的正确选择是复杂的，因为要考虑发动机的额定功率，占空比，耐用性和法规要求，以及燃油经济性的顾虑和总运营成本。

一些动力系统仅仅只使用一个DOC-SCR后处理系统，有无EGR取决于是否将发动机上排气管NO_X排放作为目标。这一策略就必须整合尿素（DEF/的添蓝）喷射系统。当与中等EGR结合起来时，对NO_X转换效率的要求可被减少到90％以下。没有EGR，需要的转换效率约95％。

其他一些平台打算使用DOC-DPF系统，和权衡氮氧化物/ PM“高点”的方法一起使用。虽然这种策略避免了使用尿素加药系统，但也对发动机燃油经济性有不利的影响并且通常在DPF中由于发动机氮氧化物排放较低而禁止NO₂辅助烟灰氧化。因此该策略要求DPF主动再生（通过采用缸内燃油喷射后，原地燃料计量废气，燃烧器技术或类似的技术），而这进一步对燃油经济性造成不利影响。

一个后处理策略，就在前面所述的两者的“两者之间”，它使用了一个其中包括DOC，DPF和SCR的完整的系统设置。这在减少发动机跨越大量的各种工作循环时的排放提供了更大的灵活性，并且还可使用于独特的环境（如在隧道施工时需要接近零的PM排放水平）。这些系统是特别有利的如果被动DPF再生策略是可行的。为此，一些平台，如拖拉机和履带具有合适的排气温度，随着DOC中足够的NO₂一起。在许多情况下，通过使用模块化的方法来设计系统使这些更大的后处理系统的成本尽可能低。

本文将讨论各种非公路后处理策略利弊。

介绍

当2014年美国环保署关于额定功率从56千瓦高至560千瓦的非道路柴油发动机的4级法规最终生效，其严格的排放限值比较之下都可应用那些公路用的了。因此，这些限制不能仅通过发动机措施满足。实际上，发动机和废气处理之间（EGT）良好平衡的组合已被应用。由于非道路柴油机在不同的机器中广泛的使用，在与紧凑的包装和关注的EGT的成本得组合的变化倾向是至关重要的。

为了满足这些需求，它可以是使用一个模块化套件，包括[1]规范和发展的好的溶液。

本文的目的是讨论广泛的EGT策略。由此，能力和限制以及相关的发动机的要求将被突出显示。

过去和现在的排放标准

在评估第4层的最终策略之前，对过去有一个小的回顾似乎是值得的，：为了在大多数应用中满足（自2011年）的第4级过渡的需求，柴油氧化催化器（DOC）被使用。在某些情况下，特别对于低比功率，这可能是足够的。此外，通常有一个柴油微粒过滤器（DPF），以避免额外的工作介质比如DEF。但也有已经有一些代工厂商使用选择性催化还原（SCR）。总结，对哪一种技术都没有明显的倾向。此外，并非所有的代工厂商使用外部废气再循环（EGR）这可能对实现第4层中期及以上标准是有利的。

图1. 3/4级排放标准以及实现方法

对第4级最终排放标准，当颗粒物（PM）的界限为常数时氮氧化物下降了80％。但是，仍然有驱动程序只使用一种技术。第3和第4级排放标准的PM和NOx的极限显示于图1。此外，EGT和在发动机的技术做了示范。这些主题将在下面讨论。

由于这些严格的要求，出于废气温度对所有的后处理技术和策略的重要影响，需要对其特别注意。

一方面，出于认证的目的，边界条件由非道路瞬态周期（NRTC）限定，这是重要的非公路应用的典型负载概况的序列。由它在图2中可以看出，单个发动机排出的排气温度是显著不同。轮式装载机和履带是“最热”的机器，其次是农用拖拉机。通过温度，很明显，在拖拉机特征曲线比其它平台瞬态更少。这也对未处理排放和EGT有很大的影响。挖土机和电焊机提供最低的排气温度。

另一方面，在实际中的使用仅仅是这些应用中的一个，当只有一个配置文件重复几次和实际负荷分布可以或多或少不同于这些标准值发生变化时温度会发生变化。当然，一个EGT系统必须在所有这些条件正常工作。这需要复杂的工程。

减排技术

减少PM

基本上，有两种类型的过滤器用于PM。

所谓的开放或流通系统是一个技术，其提供了减少颗粒质量和颗粒数的有限效率。这些所谓的颗粒氧化催化剂（PICS）通过连续再生（CRTreg;）被动再生。效率被限制在20~60％，这取决于发动机的工作条件并过滤器年龄。当氧化剂量长时间太低和废气质量流量足够高，PCO正常情况下不能被阻止，因为这可能导致存储PM的突然排放。这可以通过烟粉喷出可见。总之，本技术的效率是难以控制，因此仅仅是一个中间的解决方案。

另一个众所周知的技术是由封闭的或壁流系统为代表。主要优点是滤效率极高（95％以上），而这也使得万一煤烟氧化不足的情况下拦截成为可能。这些过滤器可以由烧结金属或陶瓷（碳化硅或堇青石）制成。碳化硅陶瓷过滤器是强大的，因为他们可以维持高烟灰下的主动再生，它们在乘用车应用上常用。碳化硅DPF的主要缺点是价格比堇青石DPF更高。对于这些滤波器，低些的烟灰负荷以及对复杂的烟灰负荷的监视和精确的温度控制是为了防止损坏的关键。

图2. 代表性的使用NRTC负载循环的非道路发动机的温度分布

一般的困难在于封闭过滤器的再生。一种可能方案是主动再生并且是指与氧气和煤烟的化学反应。这种方法需要600℃左右的温度。频率取决于应用并且每8小时运行为约20.~ 30分钟。有不同的方式来提供这些条件，特别是对于乘用车应用来说，最常用的方法是使用电子发动机驱动的再生。主要的好处是，不需要额外的设备。但是它也被注意的是，在发动机校准变复杂并且摊销取决于单元数。因为这与维护间隔长润滑油有危险稀释在非公路机械是典型的，这并不是一个标准解决方案。

另一种方法是将烃注入（HCI）到排气并且与通过使用DOC与残余氧氧化。这避免了润滑油稀释的风险，并降低应用工作。作为柴油燃烧过的DOC最少需要排气温度在300℃的范围内，该再生设备不能在整个发动机工作范围内应用。如果需要的话，发动机如后喷射和/或额外的进气的节流的措施是必要的。

在需求完全独立的再生法的情况下，可以应用柴油燃烧器。博世排放系统公司KG（BESG）已预先制定一个包括空气供给器并在整个发动机工况下主动再生的燃烧器，并使用一个单独的控制单元和操作从发动机完全独立以避免了发动机标定工作。在客户需求的情况下， BESG能推出系列发展。燃烧器装置，在排气管接口和空气供给示于图3。

燃烧用空气是由一个单独的泵提供，只需要中等的电力。整个系统所需的峰值低于1千瓦。平均是大约300 W·当化学计量条件下操作（lambda;=1），热输出在30千瓦的区域。如果需要更多的加热功率，燃烧器是富条件下操作（0.3lt;lambda;lt;1），并在除所述火焰中，使用DOC氧化充分准备和开缝的HC。在这种模式下，系统提供了最大功率100千瓦。有了这个输出，额定功率高达350千瓦的发动机可以提供。

图4显示了在用NRTC期间DPF再生燃烧器运行的温度。非道路发动机由6.9L发动机取代。另外，燃烧器的燃料质量和排气质量流量被显示出。发动机输出温度是由燃烧器火焰的装置将温度升高到蓝水平（上游的DOC）的起始水平。第二次增加红线（温度上游DPF）是由未燃烧的HC的氧化从经由在DOC的燃烧器实现的。启动后，燃烧器只需要两分钟就将温度提高到600℃以上达到所要求的水平。虽然排气质量流量和发动机出温度变化极端，上游的DPF相关温度在 620℃标称温度的周围只有20K交替。这完美的精度是燃烧器高度复杂的控制的结果，它是单独的电子控制单元中排气系统软件的一部分。

图3.燃烧器设备，接口，排气管和空气供给

还有一些其他的主动再生的方法，如需要从电源插座能量的电加热或经过滤器的不舒服处理的烤箱再生。这两种方法都导致机器的长时间停止。这些方法被轻微的赞成，但由于它们的缺点，它们没有被真正的选择，并且不会在这里更详细地讨论。

如已知的乘用车应用上附加的比如使用铈的辅助系统将为氧化烟气的温度降低到450~500℃之间的某处。但在大多数情况下，废气温度在发动机地图的大的工况下仍然太低，因而，其他方法被再次需要。此外，这些系统可能降低DPF工作间隔由于较高的灰尘负荷。因此，这些系统将不会被应用于非公路应用。

被动再生（CRTreg;）代表一个替代主动再生的聪明的方法。在对比主动再生时，这指与含NO2烟灰的氧化，因此需要较低的在250~450℃之间的温度。对于避免DPF堵塞的强大的系统，除了一个适当的温度水平外，氮氧化物/ PM比率高于20~25是至关重要的。良好的条件在比率大约为100，就它在图9所示。为了提高引擎排出NO₂/ NO_X之比，在大多数情况下，一个DOC上游侧的DPF被使用。

图5包含相对于被动再生各种非公路应用的适用性测试台的结果。调查工作是用第3级排放引擎进行的。一个测试用与空的DPF和应用特定顺序的NRTC重复了好几个小时最为免除。负荷分布被认为是适于CRTreg;，如果过滤器烟灰负荷水平聚敛为低于3.5克/升的值。这是为了保护堇青石过滤器，并使背压保持在可接受的水平内。很明显，在履带式拖拉机轮廓表现很好，然而电弧焊机，滑移装载机与轮式装载机曲线数小时后超过了烟气水平的界限。此外，限制没有下降是明显的。为了证实结果，测量也开始使用承受25g煤烟（〜4.3克/升）的DPF，并且拖拉机负荷曲线被使用。一段时间之后，与开始使用一个空的DPF的测量值一致，烟灰负载再次的极限倾向于9克煤烟（〜为1.6g /升）。

图4. NRTC期间燃烧器驱动DPF再生;发动机：非道路，排量=6.9升

图5. DPF烟灰负荷与CRTreg;作为时间单NRTC序列（应用）的函数;发动机：非公路车辆第3级标准，排量= 4.0升，DPF体积= 5.8升，DOC体积=2.9升

被动系统的主要优点是没有必要更多的设备和正常条件下没有燃料损失。当一个应用工件异常或在不适当的条件下工作太久，阻塞DPF的危险是显而易见的。因此，一个包含了主动再生的组合只有一个或几个工作点是有益的。这种“再生服务只在当被动再生的效率在长时间内低时触发，因而在DPF中烟灰存储的量会过高。这样的被动系统，通常和服务再生器组合，这被广泛用于第4层的排放标准。

NO_X还原

在排气系统中用过量的氧气还原NO_X，存在两种主要的技术：稀薄NO_X捕集器（LNTs）和选择性催化还原（SCR）催化剂。前者主要用于客车，因为不需要额外的液体。 LNTs在商用车和非道路平台上的使用没有吸引力，因为可实现的降低率与SCR催化相比低，并且作为结果，发动机无法校准燃料优化。所存储的NO_X，必须由富工况发动机在频繁的时间间隔内操作，这可能导致额外的燃料惩罚。此函数的校准是高度精密的。此外，催化剂是昂贵的，特别是在大尺寸的情况下，它们具有的使用寿命较短。最后重要的是，它们对硫更敏感。 SCR系统显示一个几乎相反的行为。这些系统需要尿素作为工作流体。但是在燃料消耗上益处显著，因为由于较高的还原率，发动机可以更有利的条件下操作，并无需断续富工况的操作。此外，该技术提供了长的寿命，通常是等于发动机或机器的使用寿命。 SCR系统可以使用不同类型的催化剂技术。经典的技术是五氧化二钒。沸石催化剂是一个较新的技术。这些可以是铁或铜为主。与沸石催化剂相比钒基催化剂几乎没有NH 3的存储能力。存储能力提供了优势特别是在短暂的应用时。所有这些技术都显示相对于转换效率的温度和NO₂ / NO_X之比的函数的不同的行为。铜沸石催化剂在很宽的温度范围内约220至400℃是高效率的。用铁沸石的技术，这种高效窗口较小，并且转移到更高的温度约400至500℃。钒基催化剂范围某处之间。此行为示于图6。

图6. 不同的SCR催化剂技术温度对应的NO_X的转换效率; NO_X=200ppm时，NO₂ / NO_X=0.07[3]

关于NO₂/ NO x之比，大约50％的值始终是最佳的，但铜沸石技术比铁更不敏感。在比率低于50％，钒范围再次某处两者间之间在比率超过50％时显示最低的性能。这就是为什么铁沸石催化剂之前需要不可缺少一个DOC，以便提高所述发动机排出的NO₂ / NO x之比。此外，这些催化剂对HC敏感。这也需要一个DOC。基于钒催化剂和铜沸石催化剂不会从两种观点需要这个。对于铜的沸石中，也存在限制，如果HC排放的分子链长度不是太短这是唯一有效的。关于使用的燃料的硫含量也有差异显著：钒技术是对硫污染很宽容，而沸石表现敏感。最后，钒的催化剂温度稳定差一些。这限制了利用主动再生DPF。对于沸石，这是不加批判。由于所有这些事实，SCR催化剂技术，必须为每一种应用做出适当选择。商用车和非公路应用，沸石技术（铜或铁）是优选的，特别是如果需要在测试周期最高的转换效率。

图7包含在最优情况下进行的沸石SCR系统测试台的调查结果。作为占空比的NRTC被再次选择。循环以中等效率开始，虽然这是热驱动NRTC（第二实施NRTC的）。其原因是，从冷启动首次实施后，发动机已被关闭，接着是20分钟然后关闭发动机。作为结果，EGT系统相对冷到废气温度。但是很短的时间后，温度提高，作为结果，最高的转换效率得以实现。这款发动机在NRTC的氮氧化物排放原料为3.5克/千瓦时。这个值是该系统中减少至0.17克/千瓦时，也是95％的总转换效率。

关于SCR系统进一步以前的工作报道在[3]。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[153514]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word