关于国Ⅲ排放标准重型柴油营运货车加装DPF的政策要求

山东环境

2017-09-06 11:35   来源:山东环境 微博

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国二排放阶段及之前,柴油车均采用机械式燃油喷射系统且无排放后处理装置即可满足排放标准的要求。但随着机动车排放标准的不断加严,柴油机尾气后处理技术作为柴油发动机系统的一个重要组成部分,也日益备受发动机制造商的关注。与同等功率的汽油机相比,颗粒物和氮氧化物是柴油机尾气排放中最主要的污染物。仅凭机内净化来降低柴油机的排放需要在颗粒物和氮氧化物之间进行平衡。尽管欧三柴油机已进行了较多的改进,如加强增压中冷、多气门技术、废气再循环及冷却、电控高压喷射系统(共轨、泵喷嘴、单体泵)等,但要满足欧四及欧五以上的排放标准,除了对发动机内部参数进一步优化外,还需要采用后处理技术。
根据柴油机尾气中不同污染物,需要采用不同的后处理方案。针对颗粒物,需使用柴油颗粒捕集器DPF(Diesel Particulate Filter)处理固体部分,使用氧化性催化转化器DOC(Diesel Oxidation Catalyst)处理可溶性有机物部分;针对氮氧化物(NOx)污染物,有不同的后处理技术方案,其中应用广、技术较为成熟的方案为选择性催化还原装置SCR(Selective Catalytic Reduction),通过向尾气中喷入尿素等还原剂处理氮氧化物。为了满足更严格的排放法规要求,可以将上述后处理装置进行集成,实现同时处理柴油机排气中各种污染物的效果。如图1所示,为柴油车颗粒物和氮氧化物排气后处理常规技术路线。
图1 柴油车PM和NOx后处理常规技术路线
l 柴油颗粒捕集器(DPF)
柴油颗粒捕集器DPF能除去柴油机排放出的黑烟,具有极好的过滤效果。按照尾气流通方式可以分为直流式颗粒捕集器(FT-DPF)和壁流式颗粒捕集器(WF-DPF)。通常情况下,直流式颗粒捕集器过滤效率可以达到40%~60%,而壁流式颗粒捕集器的过滤效果可达到80%~90%。按照再生方式,DPF还可以分为主动再生式和被动再生式。
n直流式颗粒捕集器(FT-DPF)
直流式颗粒捕集器为一个内装织物状载体和催化剂的不锈钢筒,铜镀技术使其材质非常坚硬,工作原理如图2所示。FT-DPF很好地弥补了低端的氧化催化器DOC和高端的壁流式颗粒捕集器WF-DPF对减少颗粒物效能之间的差距。
图2 直流式颗粒捕集器工作原理
n壁流式颗粒捕集器(WF-DPF)
壁流式颗粒捕集器将排气通过璧面过滤的方式实现减少柴油机排气颗粒物,蜂窝状过滤体,常用的过滤材料有堇青石和碳化硅陶瓷材料,工作原理如图3所示。
图3 壁流式颗粒捕集器工作原理
由图3可以看到,当尾气从蜂窝孔道入口端进入载体后,无法从另一端排出而只能穿过多孔性的陶瓷过滤体壁面。由于大部分柴油车颗粒物粒径比壁面孔隙大,所以被壁面拦截沉积,从而起到对柴油车尾气的净化作用,清除堆积在载体壁面上颗粒物最方便的途径是在适当的温度下使之燃烧或氧化,这种使DPF恢复转化效率的过程称为“DPF再生”。
DPF再生并非在所有的温度条件下都能进行,催化技术便被用来降低颗粒物燃烧的温度。催化剂可以放在捕集器前端,也可放在捕集器上或直接添加到燃油中(如燃油催化剂FBC)。
l氧化性催化转化器(DOC)
氧化性催化转化器DOC已成为对道路和非道路车辆排放治理的主要控制手段之一。DOC的主要功能是降低气态排放物中的HC和CO,还可以降低尾气颗粒物中90%的可溶性有机成分SOF(Soluble Organic Fractions)。排放颗粒物主要包括碳和灰分等固体颗粒和可溶性有机成分SOF两大部分,可溶性有机成分仅占排放颗粒物总量的30%左右。同时,DOC还能消除柴油机排放的异味。不同的DOC技术会随燃料油中硫含量的增加而转换效率降低。
l 颗粒物氧化催化转化器POC(Particle Oxidation Catalyst)
POC载体是由平板金属薄片和丝网卷曲而成(如图4所示),在载体表面涂有金属催化剂(Pt),其载体采用直流式结构,因此POC在排气系统中对排气背压的影响很小。
当尾气流经POC的载体时,一部分大颗粒物会被直接拦截在载体表面,一部分的细颗粒物会被载体吸附住。另外,由于排气温度与催化剂载体存在温度差,部分小颗粒物会从温度高的尾气泳向温度低的载体表面,即“热泳吸附”。POC的尾气流通结构和对颗粒物的捕捉原理,决定了其对颗粒物的过滤效率受工况影响较大,排气温度和排气的流速都会改变载体对细颗粒物的吸附效果。
图4 POC载体
l柴油车加装DOC/DPF组合装置后对各污染物去除率
为验证DOC/DPF组合装置对各污染物去除率,对道路源和非道路源都进行了测试,测试车辆信息及测试结果如下:
1.中重型柴油货车加装DPF的处理效果
道路源检测车辆类型均为国三车辆,包括中型车和重型车共9辆。实际车型分别是上元牌GDY5160XYZDB重型厢式货车、斯达-斯太尔牌ZZ4181M36重型半挂牵引车、中联牌2LJ5063TSLE3中型专项作业车、中联牌ZLJ5163TSLE3重型专项作业车、中联牌ZLJ5163GQXTE3重型专项作业车、上元牌GDY5066XYZLL中型厢式货车、乘龙牌LZ4180PAF重型半挂牵引车、上元牌GDY5150XYDFR重型厢式货车和江铃牌JX1040TGA23轻型普通货车。通过测试得出DOC/DPF组合装置对CO的去除率为90.2%~99.8%,对HC的去除率为91.9%~99%,对PM的去除率为87.7%~98%。
2.非道路移动机械加装DPF的处理效果
实验共检测了三种不同车型,分别是现代ROBEX型挖掘机、龙工LG833轮式装载机和临工ZL40F轮式装载机。由于挖掘机和装载机具有多种不同工作模式,每种模式的污染物排放量不同,DOC/DPF组合装置对各污染物去除率也不同,具体污染物的去除率范围如下:DOC/DPF组合装置对CO的去除率为44.5%~59.4%,对HC的去除率为12%~61%,对PM的去除率为62%~98%,对NO2的去除率为34.4%~69.7%。
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