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满足重型柴油车NOx近零排放法规的“黑科技”

2022-03-23 20:12:36·  来源：汽车动力总成  
　
重型柴油车是世界各国长途货物运输的主要工具之一，具有运输灵活、便捷、成本低的优势，在国民经济中发挥着重要作用；但其氮氧化物（nitrogen oxides,NOx）和颗

重型柴油车是世界各国长途货物运输的主要工具之一，具有运输灵活、便捷、成本低的优势，在国民经济中发挥着重要作用；但其氮氧化物（nitrogen oxides,NOx）和颗粒物 (particle matter, PM) 等有害物排放也是机动车大气污染的主要来源之一。为此，各国对重型柴油车制定了越来越严格的排放法规。随着各国排放法规日趋加严，重型柴油车排放对大气环境的影响逐步降低，国VI、欧VI法规中 NOx 瞬态排放限值只有 0.46g/kWh。

重型车在低速低负载状态下的排放是很高的，这表明SCR系统在尾气温度较低时的转化效率是比较低的。根据加州清洁空气委员会（CARB）的评估，到2030年，重型车在低速低负载状态下的行驶里程约占总行程的10%，但其氮氧化物（NOx）排放量将占到重型车NOx排放总量的一半。怠速在车辆运行中所占的比例相当大并且怠速期间也会产生大量的NOx排放。根据国际清洁交通委员会（ICCT）对美国环保局重型在用车测试（HDIUT）数据进行的分析，重型车的怠速占比可高达总运行时间的30%-40%。

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不同车速下的NOx排放量(来源于Badshah等人2019年相关研究著作)

面向下阶段更为严苛的重型柴油机NOx近零排放法规，最大的挑战是低负荷条件下的NOx排放。排气温度是SCR催化还原性能的决定性因素，在冷启动、怠速或低负荷工况实际运行时排气温度低造成催化效率很低，在排气温度200℃或更低条件下尿素是不喷射的。目前，采用先进的发动机和后处理装置协同热管理策略（燃油后喷）可以保障低负荷工况下排气温度快速上升，但是会在一定程度上降低综合热效率。采用优化催化器贵金属配方，提升催化器的低温活性，但是会增加系统成本。紧耦合技术路线采用双尿素喷嘴，第一个尿素喷嘴安装在温度最高的位置（比如涡轮增压出气口），能够在循环中更早地喷射尿素，有助于提升低温时的 NOx转化效率。

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紧耦合式双SCR技术路线


近期，欧洲赫罗纳大学开展了电加热器对降低NOx以满足欧VII排放法规的前瞻性研究。在满足欧VI排放法规的MAN TGX重型柴油车上进行了加装排气加热器（Exhaust gas heater,EGH）的测试和优化，在转毂台上测试车辆的功率、速度、扭矩等参数，读取发动机ECU的运行参数（转速、负荷、SCR入口温度和排气流量），排气加热器的位置和测试架构如下图。


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系统架构及数据采集试验台


此系统基于满足欧VI排放法规的排气后处理系统，加装排气加热器EGH来进行优化，加热器位于涡轮下游、后处理系统上游，根据加热需求，基于加热器入口温度和排气流量由PID控制其出口温度，其功率为12kW，配置功率监测仪、PID温度控制器和数采模块及显示系统，加热器的电能由重型车的电池供应。


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排气电加热器EGH系统


排气加热器EGH位于涡轮下游和后处理系统ATS的上游，紧挨着下一个模块为尾气处理液DEF单元，其包含尿素箱、供应模块和喷射装置。在SCR中，喷射尿素与排气发生化学反应消除减少NOx。ECU用于控制尿素的喷射量，当排气温度低于180℃时尿素不会喷射。下一个部件为SCR和可连续再生的捕集器CRT，SCR用于NOx的还原反应，封装的CRT可分为柴油氧化催化器DOC和柴油机颗粒物捕集器DPF。DOC用于氧化CO和THC，DPF用于捕集颗粒物。

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配置热电发电器模块ATEG供应电加热器EGH的系统


由于电加热器会消耗电池的电量，间接的降低了车辆的综合能效，增加了1.47%燃油消耗率，于是考虑在后处理系统下游安装了热电发电器模块（Automotive thermoelectric generator,ATEG），热点发电模块可以将排气废热直接转化为电能，进而为电加热器供应电能，使得不增加车辆的额外电负荷。热电发电器模块是利用塞贝克效应的温差发电原理，利用发动机排气温度的热量结合传热强化的排气流道设计，实现排气废热转化为电能，见下图。


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热电发电器模块ATEG


研究表明，在重型柴油车后处理系统上游加置排气加热器并进行标定和优化，可以大幅度减低NOx的排放尤其是在怠速或低负荷工况条件下，预测满足欧VII的排放限值要求。同时证明，无论车辆处于何种运行工况，使用5kW的电加热器足以实现传统后处理系统SCR在其最大催化转换效率95%条件下正常工作，但综合电加热器消耗的电能则会增加车辆燃油消耗率1.47%，但采用热电发电器模块利用排气废热转换为电能作为电能来源即可避免额外的油耗。

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