针对欧4及未来法规的发动机高效排气后处理解决方案

【丹麦】　A.Widd　M.Lewander

试验研究

针对欧4及未来法规的发动机高效排气后处理解决方案

【丹麦】A.WiddM.Lewander

摘要：重型载货车辆欧4法规在实施瞬态和稳态试验的尾气氮氧化物(NOx)排放限值时，还对氨(NH3)排放有所限制。为满足法规要求，有几种可能的策略，包括发动机管理措施，以及采用以NH3作为还原剂的NOx催化后处理措施。根据试验数据，对排气后处理系统的整体性能及安装，以及运行成本等一系列重要问题进行了阐述和讨论。还讨论了欧5及未来排放法规的相关因素。发动机以高废气再循环(EGR)率运行是在几乎没有NOx催化还原后处理情况下满足欧5法规的可能路径之一。将EGR与仅采用选择性催化还原(SCR)解决方案的无EGR发动机作了对比。此外，还说明了通过使用氨逃逸催化器或改善尿素剂量控制策略来减小SCR催化器尺寸的可能性。通过在同一系统上进行的对比试验给出了不同尿素剂量策略的效果。另一个很重要的方面是后处理系统的热管理和保温，利用试验数据对比进行了说明。最后，对未来法规研究领域的重要性进行了讨论。

关键词：发动机尾气解决方案

0前言

目前的发动机及其后处理技术为重型载货车辆满足法规排放限值提供了广泛的可能性。发动机方面采用包括废气再循环(EGR)，以及诸如排气节流之类的热管理技术，每种技术都对后处理系统的要求和设计可能性有重大影响[1-5]。本文以系统总体性能为重点，对为满足欧洲法规的几种解决方案进行了讨论。为了满足更严格的排放法规，通常要提升较先进技术的潜在优势，以保持有利的工作温度和尿素剂量策略。本文根据配装灵活后处理系统的大型柴油机的试验结果，对几种不同的布置和系统设计进行了比较试验。

道路用重型载货汽车的相关排放法规包括欧4、欧5和欧6。欧4和欧5法规[6]要求按欧洲瞬态试验循环(ETC)和欧洲稳态试验循环(ESC)进行试验，欧6的相关试验为全球统一的瞬态试验循环(WHTC)和全球统一的稳态试验循环(WHSC)。表1为相关法规的氮氧化物(NOx)、NH3、碳氢(HC)排放限值。

1废气后处理

为满足日益严格的排放标准，用NH3作为还原剂[1-3]的NOx选择性催化还原(SCR)技术在当今的重型载货车排气后处理系统中发挥着核心作用。除

表1　欧4、欧5和欧6法规的排放限值(欧4和欧5法规的平均NH3逃逸限值通常作为工程目标，它不是法规的正式部分，表中用“*”标记)

SCR外，针对欧洲和美国最新排放法规的现代后处理系统一般由如下几个单元组成： (1) 捕集颗粒物的柴油机颗粒过滤器(DPF)；(2) 用以去除未燃HC和CO的柴油机氧化催化器(DOC)，它生成的NO2能使DPF中的碳烟氧化和SCR快速反应；(3) NH3逃逸催化器，用以去除残留在SCR催化器中的过量NH3。每个部件的基体和催化涂层都有几种可能的设计选择。每个部件的尺寸和消声器设计对系统的整体性能也具有重要影响。

1.1SCR

NOx还原的主要反应为“标准”和“快速”SCR反应，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

该反应处理过程较快，但需要在气体成分中含有NO2。

SCR需要靠吸附在催化器活性位置上的NH3来发生反应。尽管NH3的吸附率通常与催化剂温度无关，但解吸过程通常需要至少达到某一规定的温度。由于催化器的可用NH3储存量会随温度上升而降低，对瞬态运行提出了挑战[7-8]。如果催化器在相对高覆盖率下工作时发生温度升高，那么当过多的NH3被吸附，尾管排气中就会有NH3逸出的风险。相反，当温度降低后，较大的NH3存储量就需要靠增加尿素的加注剂量来达到所期望的NOx转化水平。在汽车应用中，通常用尿素作为还原剂。通过分解和水解反应，尿素被转化为NH3，其反应式如下

(3)

为了避免尿素在排气系统中沉积，该转化反应需要在最低为180～200℃的温度下才能发生，这是实际运行中还原剂要达到的有效温度的下限。

1.2DOC、DPF及NH3逸出催化器(ASC)

随着法规的排放限值越来越严格，需要配装额外的零部件来满足法规的要求。为了在不显著增加体积的情况下提高SCR催化器的NOx转化率，通常需要较高的尿素加注剂量。这将能更好地利用SCR催化剂对NOx的去除能力，但也会增加温度瞬变时产生过多NH3逃逸的风险。可以在SCR催化器的下游安装ASC来氧化剩余的NH3。除了具有高活性外，ASC的设计目标应该是对氮有很高的选择性，同时还应限制其选择不需要的产物，如NOx和NO。

由于对颗粒物排放的限制更为严格，特别是对颗粒物数量的限制，因而需要安装DPF。过滤器中存储的碳烟可以利用O2和/或NO2使之氧化，以进行被动再生，或通过向排气流中喷入附加燃油来提升排气温度，进行主动再生。为了便于通过NO2或喷入燃油来氧化碳烟，以进行DPF再生，并在DPF前设置DOC。

2概要

本文首先介绍了试验设备，以及发动机在无EGR和高EGR率工况下的试验运行结果，并阐述了它们与后处理系统和燃油经济性的关系。介绍了1个用无EGR发动机达到欧4排放法规的研究案例，并说明了包括ASC的比较研究。接着重点论述了按符合欧5排放标准试验时尿素剂量策略和保温对后处理系统性能的影响。最后重点介绍了欧5之后的法规，并阐述了后处理系统达到有利工作温度的重要性。采用排气节流的热管理技术和自动起停技术进行了符合欧6排放标准的试验。本文结尾对提供的结果进行了总结和进一步讨论。

3试验装置

3.1发动机

在1台配装可变几何涡轮增压器和低压EGR系统的Volvo公司MD13型发动机上进行了不同EGR率和不同燃油喷射压力影响的研究。发动机采用瑞典商用MK1柴油。

催化后处理系统的试验在排量为11L和13L的无EGR大型发动机上进行。

3.2排放测量

用2台Horiba MEXA 7000系统测量NO、NOx、CO、CO2、O2、HC和N2O的排放。系统在10Hz下进行测量。这一装置能在被研究催化器的前后取样点同时进行测量。

采用2个独立的系统对NH3进行测量。Siemens LDS 6是1个经过专门调制的半导体激光光谱系统，可用以探测任何环境中的氨[9]。LDS串联安装在后处理系统之后，可以只测量尾管中的NH3浓度。它能以良好的精度和响应时间进行现场测量。第2个用于NH3测量的系统是配备1个专用泵/过滤器组合的Gasmet DX-4000傅立叶变换红外光谱法(FTIR)系统。FTIR系统也能另外给出NO、NO2、N2O、CO、CO2和H2O的测量结果，但其速率比MEXA系统稍低。

4EGR与SCR的对比

满足欧4法规的1种可行的策略是采用EGR来抑制发动机的NOx排放水平，这样在后处理系统中就不需要进一步去除NOx。这时，后处理系统可以主要由DOC和DPF组成，以控制因高EGR运行产生的较高的颗粒数。另一方面，由于需要采用冷却EGR回路和高压燃油喷射系统，发动机设计会更复杂。如果需要DPF的主动再生，则必须设定1个燃油喷射点或必须进行燃油后喷。

第2种对策是采用很少EGR或没有EGR，它能使颗粒物排放降低，但会增加NOx排放水平。这意味着发动机的设计可以较为简单。在这种情况下，后处理系统必须包括NOx去除功能，通常是采用SCR催化器的形式，有时后面要接1个ASC，同时还需要1个还原剂的定量加注点，通常采用以尿素溶液形式存在的NH3。

图1中给出了在3种不同的运转工况下发动机的NOx排放和烟度水平，以及有效燃油消耗率(BSFC)和排气温度。基准线是在50%EGR率和空燃比(λ)约1.5h运转的数据。去掉EGR系统，保持空燃比不变，结果发动机的NOx排放升高，而烟度降低，同时有效燃油消耗率降低约10%，这主要是由于气体交换效率提高的缘故。相应地，排气温度大幅升高，它为排气系统中的催化剂创造了有利条件。

图1　高EGR、无EGR和无EGR并降低喷射压力的对比

在运行成本方面，还原剂的增加可以通过降低燃油耗来抵消。另外，为使后处理系统更有效，在后处理系统达到有利工作温度的途径也并不复杂。Scania公司的无EGR欧6系统达到了最低的运行成本(包含燃油消耗和AdBlue尿素消耗)[5]。

5无EGR发动机达到欧4排放标准

用11L无EGR发动机进行了欧4法规验证试验。法规规定按ETC试验时的最大累计NOx比排放量为3.5g/(kW·h)。另外，平均NH3排放要保持在低于25×10-6。图2所示为1次热ETC试验中发动机的累计NOx比排放量、排气温度和排气流量曲线。在热态试验开始前，发动机进行了ETC循环调整运转和10min暖机运转。发动机的NOx比排放量仅为10g/(kW·h)以下。

用直径为12.7in、长度为7in的钒基SCR催化器构建了1个只采用SCR的后处理系统，其总容积约为14.5L，SCR容积与发动机排量之比略大于1.3。累计NOx比排放量小于 3.2g/(kW·h)，平均NH3逃逸量为17×10-6，留有10%的NOx排放余量。

图2　按ETC试验时的发动机特性(1次热态ETC循环中累计的NOx比排放量、排气温度和排气流量)

另一种解决方案为在SCR催化器的下游增加1个ASC。这一策略的特点是允许进一步减小SCR的容积，并同时采用更积极的尿素剂量策略。为了说明包含ASC的系统潜力，对采用ASC的后处理系统进行了运行试验。ASC的直径尺寸为12.7in，长度为4.0in，总容积小于8.5L，约为发动机排量的0.75倍。

仅采用SCR和仅采用ASC方案的累计NOx比排放量如图3所示。2种方案达到的NOx排放水平非常相近，ASC方案的平均NH3逃逸量为9×10-6。很明显，仅采用ASC的方案需要相当高的尿素剂量。这一结果是可以预料的，因为ASC的设计就是利用其对氮的高选择性来氧化NH3。采用ASC的方案因增加了尿素消耗其运行成本明显高于仅采用SCR的方案。仅采用ASC方案的试验相当于整个SCR已被去除的1个减小尺寸的极端情况。1种更现实的方案是，为了能减小SCR催化器的尺寸或保证SCR的安全裕度，可采用1个较小容积的ASC。然而，减小尺寸或增加安全裕度必须权衡ASC与SCR催化器之间的价格差异。

图3　仅采用SCR或ASC后处理系统时按ETC试验发动机和尾管累计的NOx排放量，以及累计NH3剂量

6针对欧5法规的尿素剂量策略和保温措施

随着越来越严格的排放法规的推出，要求后处理系统的转化效率也要随之提高。对于本文中使用的高NOx发动机，为了达到欧5排放标准，在ETC试验循环中要求达到的整体转化率为小于70%。要达到欧6标准，转化率要求超过80%。在这方面，尿素剂量的选择和排气温度的管理变得越来越重要。

6.1尿素剂量策略

尿素剂量策略决定着在任意给定时间内排气中应该添加的尿素溶液数量。设计尿素剂量的策略有几种方式，各种方式在计算复杂性、相关的标定，以及传感器要求方面有很大的差异[2-8]。

6.2NH3-NOx比的策略

直接的对策就是基于NH3-NOx的比率(ANR)来选择尿素剂量。选择尿素剂量的原则是，使进入SCR催化器的NH3浓度等于ANR乘以NOx浓度。标定只涉及到寻找合适的ANR值，然而，其缺点是单一的ANR值对每个可能的运转工况点将不会都是最佳点。

6.3基于图谱的策略

通过仔细地绘制发动机运转范围的特性图谱，可以为图谱中的每个工况点确定合适的ANR。在运转过程中，可从图谱中确定目前工况点的相应ANR，并在剂量系统中实现。更先进的系统还可以考虑瞬态效应，如在温度升高期间需要暂时减少剂量，以避免过多的NH3逃逸。图谱方法的缺点是绘制会非常耗时，而且在发动机或后处理系统改变后需要重新绘制图谱。

6.4基于建模的策略

基于建模的策略是以SCR催化器的数学模型为基础的。利用该模型，可以实时计算预期的NOx转化率和NH3逃逸量，以便为剂量决策提供依据，可以区分为瞬态模型和稳态模型。原则上，稳态模型可用于对给定工况点确定合适剂量的ANR，但本质上无法描述与温度等相关变量的瞬态效应。而瞬态模型可以描述这些效应，因此可以用剂量策略对它们进行补偿。基于模型的策略，其性能取决于基础模型如何对SCR催化器进行描述。附加的调整参数通常与针对的法规，以及发动机和后处理系统的其他特性有关。

6.5各种尿素剂量策略的试验对比

剂量策略对NOx减排有相当大的影响，它会受到NH3逃逸的约束。采用1台13L无EGR发动机在仅用SCR后处理系统的情况下进行了欧5验证试验。催化器尺寸为： 直径12.7in，长度12in，SCR催化器的体积约25L(约为发动机排量的1.9倍)。

图4为采用3种不同尿素剂量策略时的累计NOx比排放量。“MB2”为基于瞬态模型的策略，“MB1”为基于稳态模型的策略，“ANR”为ANR值0.75倍的ANR策略。图4显示了每种策略相应的平均NH3逃逸水平。可以看出，3种策略均能满足2g/(kW·h)的NOx排放限值。然而，采用ANR策略时，平均NH3排放水平为30×10-6，即比25×10-6的目标值高出5×10-6。另外，用较低的ANR系数进行了附加试验。正如预料的那样，在较低的ANR系数下可以满足平均NH3排放限值，但是会导致太高的累计NOx比排放量。因此，可以得出结论，对于上述采用现有后处理系统的应用实例，没有1个单一的ANR值可以同时满足2种排放物的限值。

然而，基于稳态模型的剂量策略能同时满足法规要求的NOx和NH3排放水平。另外，基于瞬态模型的策略可在保持NOx转化率的情况下使平均NH3逃逸量减少约8×10-6。由图4中的累计NOx比排放量曲线明显可以看出，基于瞬态模型策略的曲线形状与其余2条曲线有明显的差异。在试验循环的400s和约1000s后有2个较低的NOx转化率时段。这两个时段在图2试验循环中的特性显示，较低转化率时段正是在排气温度快速变化时发生的。如前所述，这会引起从SCR催化器有过多NH3逃逸的风险，因而采取的剂量策略是要在相关时间点减少剂量。提高尿素剂量策略的精度可以增加现有后处理系统达到法规限值的裕度，或减小特定发动机后的处理系统尺寸。

图4　采用3种不同剂量策略时的欧5累计NOx比排放量

图5所示的后处理系统包括1个SCR和1个ASC催化器。采用基于瞬态NH3模型的策略和ANR为 1.2 的策略时，ASC后的NOx排放水平高度相似，但是NH3逃逸峰值和NH3平均逃逸量有很大差异。

图5　采用基于模型或ANR尿素剂量策略时SCR+ASC后处理系统的累计NOx比排放量和NH3逃逸量

6.6保温技术

排气温度对后处理系统的性能有较大影响。正如上一节中所述，排气温度快速变化会使NH3逃逸量上升，从而对剂量策略提出了挑战。排气温度也是决定SCR转化效率的因素之一，排气保温是改善后处理系统整体性能的有效热管理手段。

图6为符合欧5中NOx和NH3排放限值的2次ETC试验循环的累计NOx排放量和排气温度。其中1次试验循环仅采用无保温的SCR系统运行，其催化器体积是发动机排量的1.9倍，另一次试验循环在发动机与催化器之间，以及催化器本身都采用了保温措施。后处理系统有保温时累计NOx比排放量约比标准后处理系统的低10%左右，它是通过采用催化器体积-发动机排量比为1.7得以实现的。整个试验表明，保温的效果是显而易见的，尤其是在排气温度最低的时段效果更为明显。试验采用如前所述的相同方式进行，在2次连续的试验循环之间有10min的保温期。这表明，保温的好处不仅能减少当前试验循环期间的热量损失，而且还能提高起动温度，因为在保温期间能降低催化剂的冷却温度。增加保温可以使催化器体积减小10%左右，并能有10%的NOx达标余量。

图6　有保温和无保温时的欧5累计NOx比排放量和排气温度曲线

7针对欧5以后法规的热管理

欧5以后法规对后处理系统的要求有若干变化。欧6法规规定了相当低的累计NOx比排放量限值，同时还规定了平均和最高NH3逃逸限值，以及颗粒物排放限值。相应的瞬态试验为WHTC，按该试验循环运行时，大部分时间的排气温度都比较低。

图7为1台无EGR发动机按冷态和热态WHTC试验运行时的累计NOx比排放量、排气温度和排气质量流量。累计NOx比排放量约为 12g/(kW·h)。试验循环中有几个阶段的排气温度处于或低于200℃，这对尿素剂量策略提出了挑战，并会限制SCR催化器的有效转换效率。

7.1排气节流热管理

除了保温外，热管理是1种影响排气温度的有效工具。热管理的1种形式是排气节流(有时也称为排气制动)。在行驶和怠速过程中，通过部分关闭排气节流阀，可以减少排气温度的下降，也能使整个试验循环中总体保持较高的排气温度。

图7　按冷态和热态WHTC试验循环运行时的累计NOx比排放量、排气温度和排气质量流量

图8为有和没有热管理及保温时1次热态WHTC试验中达到的累计NOx比排放量和SCR进口温度。这些试验在1台11L装有整套欧6后处理系统(包括DOC，DPF，SCR和ASC)的无EGR发动机上进行。NOx排放在ASC后测量，排气温度在SCR催化器前测量。需要指出的是，在发动机与SCR催化器之间存在着明显的温度“过滤”。该“过滤器”的热量导致冷态试验循环的加热时间大大增加，但在随后的热态试验循环中产生了较高的起动温度。可从图8中的温度曲线看出，在试验的第1min内实现了可观的温度提升。特别是该试验循环的低排气温度时段被完全消除。采用热管理试验时的NOx水平约为0.05g/(kW·h)，后处理系统不用热管理时的NOx水平为1.7g/(kW·h)。

图8　用和不用热管理及保温时的累计NOx比排放量和SCR进口温度

7.2起动/停机热管理

通过排气节流的热管理会引起一定的燃油损失。在图8所示的试验中，燃油耗增加了约1.5%。1种能够实现较低燃油损失的有前途的热管理技术是起动/停机热管理。发动机停机能阻止冷排气流经系统，从而可以减少后处理系统的冷却，并能降低燃油消耗。1个有益的附带效果是，在发动机停机期间没有尿素供应，从而进一步降低了运行成本。图9是采用热管理时的试验结果与采用起动/停机技术试验结果进行的比较。其尾管的NOx排放和排气温度曲线与采用排气节流时获得的曲线非常相似，且燃油耗降低了约6%，尿素消耗率降低了约28%。应该指出的是，在欧6法规中，WHTC试验的加权排放目标为0.46g/(kW·h)。

图9　　　　采用热管理和起动/停机时的累计NOx　　　比排放量和SCR进口温度

8总结

本文阐述了有关重型载货车实现欧4、欧5及未来排放法规的几个问题。无EGR发动机可以达到较低的燃油耗和较低的颗粒物排放。试验结果表明，仅采用SCR系统(SCR体积与发动机排量之比为1.3)时可以使较高的NOx排放降低到欧4水平。仅采用ASC后处理系统的试验表明，引入ASC有进一步减小系统的体积和增加法规限值达标的裕度。必须通过对ASC的价格和SCR体积相应减少的价格进行比较后找出最经济的解决方案。

欧5法规提出了更为严格的排放限值，从而也增加了对更先进尿素剂量策略的需求。对几种策略进行了讨论，并对ANR剂量策略和2种基于模型的剂量策略进行了比较。需要考虑的与剂量策略相关的其他因素是传感器信号的质量和可用的计算资源。在本文介绍的试验中，传感器用来获取NOx排放、温度和流量的信号，用以作为计算尿素加注率的基础。另一种选择是从发动机特性图谱中获得1个或几个信号。这可以降低安装成本，因为不需要额外的传感器，然而，在考虑运转条件(如环境温度和湿度)的变化时需要面临更大的挑战。

通过欧5试验，说明了后处理系统保温的好处，试验显示尾管NOx排放降低和SCR体积减小都得以实现。应当指出，本文给出的试验结果都是在发动机不安装专用消声器的情况下得到的。使用消声器时产生的排气保温水平肯定会超过在这些试验中观察到的基本保温水平。

针对欧5以后的法规，保持后处理系统满足有利工作温度的重要性变得更加明显。通过在WHTC试验循环的行驶和怠速过程中采用排气节流，试验证明了热管理对欧6系统尾管排放的显著影响。结果是NOx比排放从1.7g/(kW·h)降低到了0.05g/(kW·h)以下。后处理系统效率的这一改善会在节流阀起作用时导致一定的燃油损失。

对起动/停机技术也进行了试验验证，它能使NOx转化率有类似的改善，同时还能降低燃油和尿素消耗，有可能在改善后处理系统温度的同时限制燃油损失。另一项措施是，在低功率运行时采用停缸技术。这能使其余气缸的指示平均有效压力增加，从而在保持输出功率的情况下增加排气温度和减少排气流量。

参考文献

[1]Gabrielsson P L T. Urea-SCR in automotive applications[M]. Topics in Catalysis,2004： 177-184.

[2]vanHelden R, Verbeek R, Willems F, et al. Optimization of Urea SCR deNOxsystems for HD diesel engines[C]. SAE Paper 2004-01-0154.

[3]Nova I,Tronconi E. Urea-SCR technology for deNOxafter treatment of diesel exhausts[P]. Springer New York Heidelberg Dordrecht London, DOI： 10.1007/978-1-4899-8071-7, 2014.

[4]Gabrielsson P, Gekas I, Schoubye P, et al. Combined silencers and Urea-SCR systems for heavy-duty diesel vehicles for OEM and retrofit markets[C]. SAE Paper 2001-01-0517.

[5]Rundschau V. Umweltranking green truck 2014[OL].www.verkehrsrundschau.de/umweltranking, 2014.

[6]Regulation (EC) No 715/2007 of the European parliament and of the council [OL].http：∥eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ： L： 2007： 171： 0001： 0016： EN： PDF.

[7]Schär C M, Onder C H, Geering H P. Control of an SCR catalytic converter system for a mobile heavy-duty application[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 14(4), 2006： 641-653.

[8]DX4000 FTIR Gas Analyzer Technical Data Sheet[OL]. www.gasmet.fi.

[9]Wang D, Yao S,Shost M, et al. Ammonia sensor for closed-loop SCR control[C]. JSAE Paper 2008-01-0919.

程玉发译自SAEPaper2015-26-0103

朱炳全校对

虞展编辑

衷心感谢广大读者、编委单位

对本刊的关心和支持！

(收稿日期：2015-08-17)