不使用尿素溶液的氮氧化物及颗粒减排后处理系统的开发

【日】 細谷満 木村昌裕 大井寛 佐藤信也 平林浩

0 前言

由于柴油机在热效率方面具有优势，CO2排放量少，燃油耗低，因此被广泛用作商用车的发动机。另一方面，基于对环境保护及人体健康的密切关注，同样也要求能降低柴油车的氮氧化物（NOx）及颗粒（PM）排放量。为进一步减少废气排放，必须在进一步改进发动机以降低其自身废气排放的同时，充分利用排气后处理技术来减少车辆的废气排放。

在日本及欧美等先进国家，大型柴油商用车的排气后处理装置一般会采用柴油机颗粒捕集器（DPF）＋尿素选择性催化还原（SCR）系统的组合。虽然这一技术现已进入实用化阶段，但仍存在供应尿素溶液的基础设施不完善的课题。为解决这一课题，日野汽车公司开发了一种整体型催化转化系统，将燃油作为反应促进剂，可以同时降低NOx及PM排放。

1 开发目标

与大型柴油商用车不同，中小型柴油商用车多数在市区道路等较为狭窄的区域行驶，如使用传统的DPF＋SCR系统作为后处理装置，就需要有足够数量的尿素溶液供应设施，而在日本，目前能供应尿素溶液的加油站仅占总数的6%左右，尿素溶液的供应设施基本还处于不完善的状态。另一方面，随着经济的发展，新兴国家的车辆保有量剧增，随之而来的是大气环境出现恶化趋势，为此，必须尽早引进相关的环保技术。然而，同样也是由于供应尿素的基础设施不够完善，迫切要求能开发出不使用尿素溶液的车用排气后处理系统。此外，由于传统尿素SCR系统的体积较大，部分中小型柴油商用车也无法配装这一系统。为解决上述问题，日野汽车公司的研究人员开发了结构紧凑的整体型催化转化系统，将燃油作为反应促进剂，可以同时降低车辆的NOx及PM排放。

2 技术内容

新开发的NOx及PM减排后处理系统的最大特征就是不使用尿素溶液，能在同一个催化转化器中同时降低NOx及PM排放。由于该系统是使用柴油降低排气中的NOx，同时使DPF中捕集的碳烟燃烧再生，因此不需要任何供应尿素溶液的装置。并且，与传统柴油车相同，配装新系统的车辆只须加注柴油即可行驶。新开发的排气后处理系统由后置涡轮催化转化器（ATC）、燃油添加阀、前段氧化催化转化器、DPF，以及后段氧化催化转化器构成。使用燃油添加阀，向安装催化剂的转化器中供给作为NOx还原剂的柴油燃料。根据催化转化器中温度传感器及NOx传感器的输出信号，发动机电控单元（ECU）能精确地推断催化剂的工作环境，并实施优化控制，以确定最佳的燃油添加量，最大限度地降低NOx排放。另外，为了缩短DPF的再生时间，必须在以升温模式运转时，快速升高氧化催化转化器的温度。因此，在发动机涡轮出口下方设置ATC，以促进ATC中催化剂的早期活化，与向排气管中添加燃油的方法相结合后，可大幅缩短DPF中的PM燃烧再生时间。

图1示出了同时降低NOx及PM排放的催化剂反应机理。在PM的氧化反应中，氧化铈中的活性氧降低碳烟氧化的开始温度，促进PM的氧化燃烧。进而，在降低NOx排放的反应中，由于氧化铈中活性氧的作用，促进作为反应媒介物的含氧化合物的生成，从而提高系统降低NOx排放的性能。

3 开发成果

针对DPF中所用催化剂的PM氧化性能，采用热重-质谱仪，测试涂覆铂颗粒的氧化铈催化剂的PM燃烧特性。由结果可知，相比传统使用铂-氧化铝催化剂的DPF（PM燃烧温度650℃），使用铂-氧化铈催化剂的DPF的PM燃烧温度仅480℃，大幅改善了PM燃烧再生性能。

在降低NOx排放方面，铂催化剂的改进效果示于图2。在200～250℃条件下，能够确保新系统降低NOx排放的性能与传统尿素SCR系统的不相上下。由此，可在低温条件下将降低NOx排放的催化剂活性由40%提高到80%。

图3为车辆采用新开发的NOx及PM减排后处理系统后，在市区道路行驶工况下的减排效果。新系统使用同一个催化转化器，不仅可以降低NOx及PM排放，而且还能大幅降低非甲烷碳氢化合物（NMHC）及CO的排放量。

新开发的NOx及PM减排后处理系统也被称为“HC-SCR系统”。与采用传统尿素SCR系统的车辆相比，采用HC-SCR系统的车辆由于无须安装尿素溶液罐、尿素供给装置，以及SCR催化转化器等，系统结构更为紧凑，配装性能好，可以满足用户多样化的使用需求。与传统4t级商用车的尿素SCR系统相比，新系统的成本降低30%，质量减轻80kg，体积（占用空间）减少50L。自2010年起，新系统已配装于日本国内的中小型商用车，到目前为止，其产量已超过10.7万台。

4 结语

此次新开发的排气后处理系统是为了满足日本国内后新长期排放法规的限值要求，今后也同样可以适用于计划引入更严格排放法规的新兴国家市场，有望在以亚洲各国为首的缺乏尿素溶液供应基础设施的新兴国家中推广应用。