柴油车后处理装置评价试验方法概述_看图王

1、柴油车后处理装置评价试验方法概述任美林1,李军1,方茂东2,李孟良2,胡毅2,陈虎1 1天津索克汽车试验有限公司,2中国汽车技术研究中心摘要本文对于柴油车后处理装置评价试验方法进行了综述,结合国内的实际情况重点讨论了对柴油车后处理单元DOC 、DPF 和SCR 的评价试验方法。本文添补了我国在柴油车排气后处理装置试验评价领域的技术空白,为柴油车排气后处理装置的认定提供了一种可供选择、相对省时省力的方法,同时也为相关技术和产品的研发提供了技术支撑。关键词:柴油车,后处理,DOC ,DPF ,SCROverview of Measurement Methods for Diesel Aftertr

2、eatmentDevicesRen Meilin 1,Li Jun 1,Fang Maodong 2,Li Mengliang 2,Hu Yi 2,Chen Hu 11Tianjin SwARC Automotive Research Laboratory ,2China Automotive Technology andResearch CenterAbstract The paper is overview of measurement methods for diesel aftertreatment devices. It focuses on measurement methods

3、for diesel aftertreatment devices meet to chinas stage IV and V emission. And there will be greater market demand for the after-treatment devices.Key words :Diesel vehicle ,Aftertreatment ,DOC ,DPF ,SCR 1引言根据中国排放法规进展规划,我国可能在2010年在全国范围内对轻、重型柴油车实施四阶段排放法规。可以预见,在不远的将来,柴油车排放后处理装置将越来越普遍地得到应用。世界范围内,柴油后处理装置

4、被广泛用于车辆的NO x 和PM 的排放控制。图1是目前常见的控制柴油机排放水平的后处理技术。图1常见的控制柴油机排放水平的尾气后处理技术与汽油车相比,柴油车具有更好的燃料经济性,其噪声大、重量大等缺点也随着技术的进步而得到了较好的解决,我国已经将清洁柴油机作为汽车技术的重要发展方向。目前,影响柴油车推广应用的一个重要原因是,柴油车的颗粒物(PM 排放和氮氧化物(NOx 排放较高,而这两种排放污染物恰恰是北京等大城市的首要物染物。汽车发动机排放污染物治理通过依靠机内净化解决,即通过改善发动机工作过程,使化学能充分转化为机械能,碳氢化合物类燃料充分燃烧并形成无害的水和CO 2。柴油车排气后处理装

5、置主要包括氧化型催化器(DOC 、颗粒过滤器(DPF 和选择性催化还原(SCR ,这些装置在我国尚处于应用的初期,现生产和涉足本领域的企业众多,产品质量良莠不齐。另外,柴油PMLNC NO xLNTSCRCombinationSOFSolidCO 、HCDOCDPFActive passive车排气后处理技术仍处于创新初期,表现为设计易变,国际上关于DPF和SCR谁是主流技术路线至今尚无定论,考虑到由以上基本单元衍生出的组合应用,该项技术的复杂性是显而易见的。2国内外柴油机后处理评价方法概况柴油车排气后处理装置的研究开发和应用,可以划分为“后处理装置开发-与目标发动机的匹配-装车匹配”几大步骤

6、,测试与评价也可相应地分为:1、针对后处理装置本身性能和耐久性的测试评价;2、以后处理装置与发动机及整车匹配为目的的测试评价;3、装车排放测试评价。上世纪七、八十年代,国外开始了柴油车排气后处理装置的技术研究和产品开发,并就柴油车排气后处理装置本身的性能和耐久性测试评价方法形成了规范(上述第1类测试评价,国外著名的柴油车排气后处理装置开发和生产企业如庄信万丰、优美科、康宁公司、NGK等,以及国外某些第三方试验研究机构如美国西南研究院都开发有这类内部试验评价规范或程序。以后处理装置与柴油发动机及柴油车整车匹配为目的的测试评价程序(上述第2类测试评价,比较有代表性的有瑞士的认证程序、美国加州的认证

7、程序等。认证程序主要针对柴油车排气颗粒过滤器(DPF,包括测试程序和技术要求。测试程序分为匹配性测试(发动机和车辆和场地测试(自由加速烟度。技术要求主要包括对尺寸范围在20-300nm的颗粒过滤效率>95%、不因加装DPF增加CO、HC、NO x以及颗粒物、排气背压<200mbar、发动机寿命>5000h,以及对车载电控报警和数据存储装置、噪声等方面的具体内容。美国西南研究院等单位也开发有类似试验方法和程序。目前,我国还没有关于柴油车的排气后处理装置的试验方法和技术要求标准。现有的GB/T 18377-2001汽油车用催化转化器的技术要求和试验方法和HJ/T 331-2006

8、汽油车用催化转化器只适用于汽油车排气后处理装置试验评价。多数柴油车排气后处理装置领域的跨国公司在华设有独资企业,依据其技术母体提供的试验评价方法。国内的柴油车排气后处理技术经过多年的发展,无论在新生产车配套还是在在用车改造应用方面,已经有一些产品投入市场,取得了一些经验和形成企业测试规范,但是还没有形成一个共性的测试规范,用于产品性能的评价、改进和提高。特别地,一些新进入本领域的内资企业,完全不掌握相关试验评价方法,仍处于不能准确了解自身产品性能的尴尬境地。3柴油机后处理试验评价方法3.1 DOC试验DOC性能测试包括起燃特性指标和转化效率指标。起燃温度特性试验是在不同转速下逐渐增加负荷来提高

9、排温下完成的,这是在发动机经常工作的区域范围内,考核DOC的起燃特性指标。规定起燃温度不高于230。DOC老化则采用高、低温循环方式运行,即DOC在床温250下持续45分钟,然后在床温650下持续15分钟,这样交替运行直至100小时老化试验结束。3.2 DPF试验3.2.1热循环试验热循环试验是测试颗粒过滤器载体的热机械性能、催化剂涂层的热稳定性,该试验分为颗粒过滤器和催化型颗粒过滤器(CDPF两种情况。热循环试验是模拟过滤器再生过程中,载体内部的颗粒被氧化燃烧并瞬时释放出大量热量的情形。因此,热循环是评价颗粒过滤器的重要指标之一。热循环评价是考核颗粒过滤器承受热冲击的性能,因此只需要能产生热

10、量的发生源即可。例如,可使用实现温度大幅度变化的燃烧器或常规的发动机作为热量发生源。DPF 和CDPF的热循环试验的不同之处在于, DPF的温升率约为180,远远高于CDPF 规定的50的温升率。这主要是因为CDPF 的载体表面涂有催化剂,如果规定的温升率过高,会使催化剂涂层不稳定并从载体表面脱落,达不到预期的评价效果。可采用两种方法来评价热循环结束后的效果:第一、用目测法检查载体有无裂纹,并从样品出口端面检查有无泄漏通道;第二、检查样品的涂层和载体之间是否脱离,这需要依靠SEM (电子显微镜扫描法来完成;第三、如果条件允许,可用超声波来探测样品内部的裂纹。总的来讲,过滤器的载体出现裂纹或通道

11、泄漏,其过滤颗粒的性能就大大降低了。3.2.2压降特性试验虽然壁流式过滤器具有比流通式过滤器过滤效率高的特点,但是它产生的背压要比流通式的大,因此,在用户安装了过滤器的情况下应该满足发动机或整车制造厂允许的背压要求。如果过滤器产生的背压过高会影响柴油车的动力性和经济性。该试验项目的测试结果可以为发动机制造厂配套选型提供参考依据。显然,DPF的压降一般是随着载体内部累积的颗粒物的质量增加而增加,也就是压降与DPF的加载水平有直接关系。所谓颗粒过滤器的加载水平是指颗粒过滤器加载前后的质量增加量与颗粒过滤器的载体容积之比值。压降测试的目的是在不同的DPF 的加载水平下,测试DPF的压降与排气流量的关

12、系以及测试催化剂涂层对颗粒过滤器压降的影响。任何阻碍排气气流在过滤器内部流动的因素都会增大DPF的压降。所以,设计按不同排气流量下测试DPF压降的方法。因为DPF的整个生命周期是伴随着颗粒物的加载和再生两种工作条件而存在的,所以要评价DPF的压降特性必须考虑将其分为再生(或新鲜的和加载两种情况进行测试。新鲜的或再生后的过滤器的压降测试该项目首先要保持发动机在低负荷工况下运转,避免DPF发生大量加载颗粒物的情况,然后将发动机从低转速向高转速调整,产生不同的排气流量,以某种参考变量(例如,排气温度、排气流量、时间为横坐标,压降为纵坐标绘制压降特性曲线。加载了颗粒物的过滤器的压降测试对DPF加载颗粒

13、物至一定的水平(例如,约4g/L,8g/L,然后调整发动机使DPF 内产生不同的温度和流量,测试出一定加载水平下过滤器的压降特性。3.2.3过滤效率试验柴油车颗粒过滤器之所以能净化颗粒物,最主要的是依赖于其对颗粒的过滤功能,因此,考核评价过滤器的最重要的指标就是过滤效率。过滤器的过滤效率与DPF 的状态有关,除了在主动再生颗粒物氧化燃烧时不会发生过滤的情况,在其余的工作条件下,DPF都会对颗粒物起到过滤的作用。再生后的DPF内部已经基本无颗粒,仅仅依靠载体的内壁孔隙来过滤颗粒;而加载后的DPF内部存有颗粒,只要不造成DPF完全堵塞,DPF内部已累积的颗粒也会加大阻碍气流中的颗粒的作用。容易理解

14、,已加载的DPF的过滤效率要比干净的DPF要高。与压降特性评价一样,过滤效率同样分为再生后和已加载的DPF的过滤效率测试。再生后的过滤器的过滤效率测试首先要确定一个基准的DPF加载水平(例如,6g/L,调整发动机至颗粒过滤器加载工况下运行,为避免DPF内开始累积颗粒物,需要在发动机运转5分钟后对DPF 的入口上游和出口下游取样,从DPF入口和出口处滤纸收集到的颗粒质量变化量来计算DPF的过滤效率。已加载颗粒物的过滤器的过滤效率测试使发动机在加载工况下运行,直至加载到6g/L的水平,再进行取样分析测试,计算过滤效率。图2显示了加载过程中DPF 过滤效率和压降的变化曲线。图2 颗粒过滤器的效率和压

15、降曲线从图中可以看到,在常用的工况下,DPF随着内部累积的颗粒物的增加,其过滤效率从开始的80%逐渐呈线性趋势上升到100%。因此,在DPF正常的工作范围内,其对颗粒物的过滤效率是随加载水平增加而呈线性增加的。一般要求过滤效率不低于85%。3.2.4平衡点温度(BPT试验对于一些采用被动再生技术的DPF,它们在过滤器载体的表面添加了一定量的催化剂,当柴油车在正常工况的范围内,就可以利用柴油车本身的排气温度实现连续不断地再生。这样就会发生DPF在不断过滤积累颗粒物的同时也会在催化剂的作用下被不断地被氧化燃烧反应掉的情况,这种技术可以缩短DPF维护的次数,延长DPF的工作周期。简单地讲,当DPF中

16、的颗粒物累积的速率等于颗粒物再生反应失去的速率的时候就出现平衡的现象。由此可以得出平衡点温度的定义,即发动机在指定的工况下对催化型柴油颗粒过滤器(CDPF加载颗粒物的过程中,过滤器的压降没有明显下降时过滤器的入口温度。CDPF的平衡点温度是一项独特的性能指标,是描述催化性能的一项参数。催化型柴油颗粒过滤器的平衡点温度与涂覆的催化剂、CDPF的颗粒物加载水平、颗粒物结构(SOF成分、颗粒物的组成和发动机工况有关。因此,如果在不同的工况条件下测试同一种CDPF,所得到的BPT结果也可能不同。一般地,BPT不会超过450。平衡点温度主要应用在以下两个方面:一、通过BPT可比较催化型柴油颗粒过滤器中的

17、催化剂的效率;二、确定催化型柴油颗粒过滤器的再生温度。CDPF的再生温度一般在 325400,这也是重型柴油机通常的工作温度。测试评价要求将CDPF加载至3g/L的水平,在加载工况下运转发动机,催化型柴油颗粒过滤器(CDPF入口温度从250开始,以25的步长升高催化型柴油颗粒过滤器(CDPF的入口温度,直到能清楚地观察到催化型柴油颗粒过滤器(CDPF压降没有明显下降为止,记录此时过滤器的入口温度,即为平衡点温度。3.2.5被动再生效率试验被动再生效率试验适用于CDPF或DOC+DPF形式的过滤系统。颗粒物可在适当的温度和催化剂的作用下,被O2或NO2氧化,从而使被动再生过滤系统连续再生。图3表

18、示了利用NO2来氧化燃烧颗粒要比仅仅靠O2燃烧颗粒需要的温度能量要低得多,柴油颗粒在O2的气氛下完全氧化燃烧生成CO2需要600以上的温度;而在NO2的气氛下只需要350左右就可以完全氧化燃烧颗粒生成CO2。利用这一原理已经研制出多种形式的DPF,它们已逐渐发展成为降低柴油车颗粒物的主导产品。 图3 PM被O2和NO2氧化的温度曲线一个再生周期由三个工况组成,连续运行50个小时,然后根据试验前后过滤装置中收集的颗粒物质量变化来计算被动再生效率。试验循环结束后的再生效率要求不低于90%。3.2.6主动再生效率试验主动再生是借助外部能量实现再生。一般采取利用燃烧器、电加热、加热炉加热和在排气管中喷

19、射燃料的方式。首先,将DPF 加载到制造厂要求的水平。若制造厂没要求,装在轻型柴油机(指安装在最大总质量不超过3500kg的柴油车上的柴油机上的DPF加载至6g/L的水平;装在重型柴油机(安装在最大总质量超过3500kg的柴油车上的柴油机上的DPF加载至4g/L的水平。然后将DPF在再生工况条件下运行20分钟。再生时,要求非催化型颗粒过滤器的入口温度为650,该温度条件下可完全烧掉DPF中的颗粒,催化型颗粒过滤器的入口温度为450。以上提出的再生时的过滤器温度是理论上颗粒完全反应的温度,因此,要求主动再生效率不低于90%。3.2.7耐久性试验颗粒过滤器的耐久试验是测试颗粒过滤器长时间的加载和再

20、生反复交替循环的性能。DPF耐久性试验是通过反复地加载-再生循环工况来考核DPF的耐久性。这种耐久性试验方法能考核DPF实际工作的寿命情况,其工作原理就是DPF多次地对PM 进行加载过滤和再生,周而复始地循环下去直至其生命周期结束。首先要确定耐久试验的加载和再生工况。对于加载工况要求装在轻型柴油机上的DPF需加载至6g/L的水平;装在重型柴油机上的DPF需加载至4g/L的水平。加载工况需要进行三次验证,以确定颗粒过滤器的加载工况， 验证时记录加载时 间、通过 DPF 的压力降、发动机背压等其 他相关参数。 再生工况要求没有催化剂的颗 粒过滤器，入口温度需要达到 625；有催 化剂的颗粒过滤器，

21、 入口温度需要在过滤器 平衡点温度以上 2550。 标定确定出颗 粒过滤器的加载和再生工况后， 开始进行耐 久循环试验， 每完成 50 个加载再生循环， 测试一次颗粒过滤器的过滤效率， 直至耐久 试验结束。 轻型柴油机的颗粒物过滤器的耐 久试验需要进行 200 个加载再生循环； 重 型柴油机的颗粒物过滤器的耐久试验需要 进行 300 个加载再生循环。 在耐久试验过 程中，要求每次测得的过滤效率不能低于 85%；DPF 床温不能高于 900，否则 DPF 将出现非控制性的再生，烧穿 DPF 的通道， 对 DPF 造成致命破坏。 3.3 SCR 试验 选择性催化还原（SCR）是指安装在柴 油汽车排

22、气系统中， 用于将柴油车排气中的 氮氧化物（NOx）进行选择性催化还原，以 该系统需 降低 NOx 排放量的催化净化系统。 要外加还原剂， 例如， 能水解产生 NH3 的尿 素。SCR 对 NOx 的转化效率可达 90%以上， 而且抗硫性能佳，硫不会引起 SCR 中毒。 典型的 SCR 系统通常是在 SCR 前后选择各 加装一个氧化催化器，达到更好地净化效 果。 SCR 一般由沸石组成，它是 NH3 还原 DOC 在 170350的 NOx 反应的催化剂， 范围内可以加快 SCR 对 NOx 的反应，DOC 在 350450的范围则不会影响 SCR 的 反应速度。 SCR 所需要的触媒已达成标准协 议， 即一种含量为 32.5%的高纯尿素水溶液， 称为 AdBlue ，它是一种人工合成的无毒、 无味无危险的液体，对水的污染级别为最 低，必须存储在独立的储藏罐内，必须满足 DIN 标准 70070 中规定的严格质量标准。 SCR 应用在移动源会出现一些问题， 例 如，需要附加在线尿素喷射功能、尿素装置 的安装和尿素的市场供应问题、NH3 可能发 生泄漏的问题、SCR 的包装和尺寸问题。 SCR 试验为 NOx/NH3 比例试验，试验 条件主要参考玉柴机器试验方法。 该试验是 考 核 不 同 SCR 的 入 口 温 度