重型柴油机尿素SCR与DPF系统的集成和优化

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欧VI重型柴油机通常需要同时使用氮氧化物(NOx)尿素选择性催化还原(SCR)和颗粒捕集器(DPF)等后处理技术,并需要对后处理系统进行集成与优化设计。本文围绕SCR和DPF集成系统,对SCR低温特性、钒基和沸石基等SCR催化器性能、DPF过滤特性和再生特性等进行了研究,并对安装后处理集成系统的整机排放特性进行了研究。通过台架试验、数值模拟、热重分析等手段解析了排气管内尿素溶液喷雾分解过程,比较了钒基、Cu沸石、Fe沸石等SCR催化器的转化效率、动态反应特性以及副产物。研究表明,尿素溶液在较低排气温度条件下容易在排气管内壁面形成液膜,造成局部低温并形成沉积物。Cu沸石SCR催化器比钒基和Fe沸石SCR催化器具有更高的NOx低温转化效率,但是更容易生成副反应产物N2O。在SCR前安装柴油机氧化催化器(DOC)能够显著提高钒基SCR和Fe沸石SCR催化器的低温转化效率。当SCR催化器入口处NO2/NOx超过50%时,钒基SCR催化器的转化效率下降,而沸石SCR催化器的转化效率不受影响。Cu-Fe复合沸石SCR催化器能够兼顾Cu沸石和Fe沸石SCR催化器的优点,NOx转化效率高,N2O生成量少。在柴油机台架上研究了DOC与催化型颗粒捕集器(CDPF)构成的DPF系统的过滤特性和主、被动再生特性。DOC和CDPF均能够提高排气中NO2/NOx比例。DOC-CDPF系统对颗粒物数量(PN)的过滤效率接近100%。排气流经DOC-CDPF后,PM主要由积聚态构成。CDPF下游的固态颗粒物数量(SPN)对于CDPF的碳载量非常敏感,可以根据SPN变化趋势简易地确定平衡温度(BPT)。当排气温度在250℃以上时,通过在DOC上游的排气管内喷入柴油可以有效地提高CDPF入口处的排气温度。在一台不带废气再循环(EGR)的国IV柴油机上研究了SCR和DPF集成系统各催化器的相互作用,以及对NOx、N2O等排放量的影响。试验表明,通过系统集成与优化可以显著提高NOx转化效率,但是由于柴油机原机NOx排放过高,安装后处理系统后仍难以达到欧VI要求。通过机内技术减少NOx排放,并重新进行SCR催化器和DPF的选型设计,以及尿素喷射控制策略优化,最终使该机的NOx、PM、SPN等各项排放指标满足了欧VI法规限值。
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